黃 勇，殷 琨，朱麗紅

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026;2.吉林大學(xué)國(guó)土資源部復(fù)雜條件鉆進(jìn)技術(shù)開放研究實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130026;3.吉林大學(xué)國(guó)土資源部地球探測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130026;4.中國(guó)石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型

黃 勇1，2，3，殷 琨1，2，3，朱麗紅4

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026;2.吉林大學(xué)國(guó)土資源部復(fù)雜條件鉆進(jìn)技術(shù)開放研究實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130026;3.吉林大學(xué)國(guó)土資源部地球探測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130026;4.中國(guó)石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

根據(jù)風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)，借鑒最小動(dòng)能法推導(dǎo)出風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井滿足攜屑能力的最小注氣量和中心通道內(nèi)最低井底壓力，二者耦合得出風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型，結(jié)合GQ-320型潛孔錘工程算例，計(jì)算出不同機(jī)械鉆速下最小注氣量，并將模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)氣量值進(jìn)行比較。結(jié)果表明：在地層條件完整或漏失不嚴(yán)重的情況下，風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值吻合較好;實(shí)例井上返巖屑的速度分析與現(xiàn)場(chǎng)未洗井情況一致，驗(yàn)證了模型的可靠性。

氣體鉆井;潛孔錘;反循環(huán);注氣量

風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井技術(shù)是氣體鉆井技術(shù)的重要分支，集潛孔錘沖擊碎巖、流體介質(zhì)全孔反循環(huán)、連續(xù)上返巖礦心三項(xiàng)鉆進(jìn)工藝于一體，兼有空氣鉆井、沖擊回轉(zhuǎn)鉆井和反循環(huán)鉆井的優(yōu)勢(shì)。鉆井過(guò)程中，循環(huán)的氣體體積流量要保證井底清潔，巖屑及時(shí)順暢排出和潛孔錘在孔底做功的需要。但是，空氣的壓縮性使實(shí)際體積流量隨井深的增加而逐漸減小，造成孔底潛孔錘工作不正常、巖屑重復(fù)破碎、鉆孔效率下降。為保證鉆進(jìn)順利進(jìn)行應(yīng)隨井深調(diào)節(jié)地面最小注氣量，而關(guān)于反循環(huán)鉆井地面最小注氣量調(diào)節(jié)的可供經(jīng)驗(yàn)并不多，還缺乏用于實(shí)際的理論方法和計(jì)算公式。若地面注氣量過(guò)小，井內(nèi)巖屑不能及時(shí)順暢排出并逐漸聚集在井底，會(huì)導(dǎo)致重復(fù)破碎，同時(shí)潛孔錘在孔底不能正常工作，最后氣量持續(xù)降低，井口壓力持續(xù)升高，直到上返巖屑量越來(lái)越少，形成阻塞發(fā)生井下事故［1-3］。筆者借鑒最小動(dòng)能法基本思想推導(dǎo)滿足攜屑能力的最小注氣量計(jì)算公式，結(jié)合反循環(huán)鉆頭貫通孔結(jié)構(gòu)和反循環(huán)鉆井工藝的特殊性推導(dǎo)中心通道內(nèi)最低井底壓力計(jì)算公式，二者耦合得出風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型。

1 模型推導(dǎo)

風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆具的主要特征是雙通道，即環(huán)狀間隙和中心通道。受鉆具結(jié)構(gòu)和幾何尺寸的限制，雙通道過(guò)流斷面固定且值很小。風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)采用壓縮空氣作為鉆井循環(huán)介質(zhì)，流體介質(zhì)上返速度高，巖屑顆粒之間、巖屑顆粒與壓縮空氣之間的相互作用較弱。風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井技術(shù)當(dāng)前主要用于鉆直井，因此假設(shè)［4-10］：①直井鉆進(jìn);②忽略巖屑顆粒和設(shè)備器壁的端末效應(yīng)影響;③鉆進(jìn)中循環(huán)的氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程;④氣體和巖屑顆粒的混合物為具有相同密度和流速的均一流體;⑤中心通道和環(huán)狀間隙內(nèi)均處于紊流完全粗糙區(qū)。

風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井中壓縮氣體流動(dòng)過(guò)程如圖1所示。

圖1 反循環(huán)流動(dòng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of reverse circulation flow

壓縮空氣沿雙壁鉆具的環(huán)狀間隙進(jìn)入孔底，驅(qū)動(dòng)潛孔錘做功后攜帶反循環(huán)鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑沿中心通道上返至地表。結(jié)合反循環(huán)鉆頭鉆取巖屑的不規(guī)則形狀和反循環(huán)鉆井工藝的特殊性，推導(dǎo)風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型。

1.1 最小攜巖能力

為保持井底清潔，避免重復(fù)破碎，應(yīng)將反循環(huán)鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑及時(shí)順暢地排至地表。假設(shè)井眼內(nèi)某一井深處的流體具有標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的最小攜巖能力，根據(jù)動(dòng)能定理則有

式中，γgo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的重度，N/m3;vgo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需最小氣體流速，m/s;γg為計(jì)算井深處氣體重度，N/m3;vg為計(jì)算井深處氣體流速，m/s。

由理想氣體狀態(tài)方程可得任意計(jì)算井深處氣體的重度為

式中，Sd為氣體的相對(duì)密度;pgo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體壓力，Pa;Tgo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的絕對(duì)溫度，K;p為計(jì)算井深處的壓力，Pa;T為計(jì)算井深處的絕對(duì)溫度，K。

任意計(jì)算井深處氣體的體積流量Qg為

式中，Qgo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積流量，m3/s。

由式(3)可推出計(jì)算井深處氣體的流動(dòng)速度vg為

式中，A為計(jì)算井深處的過(guò)流斷面面積，m2。

將式(2)和式(4)代入式(1)中整理得

井內(nèi)壓縮空氣若要具有標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流速為vgo的氣體攜巖能力，則注氣量與中心通道內(nèi)井底壓力須滿足式(5)。

1.2 中心通道井底壓力

由于反循環(huán)鉆井工藝的特殊性，巖屑顆粒、壓縮空氣、地層流體構(gòu)成中心通道內(nèi)向上流動(dòng)的三相流。在距地表一定井深處取一微元段dz，該微元段內(nèi)壓力梯度dp隨井深z的變化而變化：一部分是由多相流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力，一部分是由多相流自身重力產(chǎn)生的壓力。根據(jù)圓形直管阻力損失范寧公式和伯努利方程，推導(dǎo)出微元段內(nèi)多相流的壓力變化dp與井深z的關(guān)系為

式中，γm為中心通道內(nèi)混合均勻流重度，N/m3;Dc為中心通道直徑，m;g為重力加速度;f為范寧摩擦系數(shù);v為中心通道內(nèi)氣體上返流速，m/s。

中心通道內(nèi)壓縮空氣、固體巖屑和液態(tài)地層流體混合物的重度γm為

式中，wg、wl、ws分別為氣體、液體、固體的重力流量，N/s;Qg、Ql、Qs分別為氣體、液體、固體的體積流量，m3/s。

在風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井循環(huán)系統(tǒng)中，中心通道內(nèi)液流和巖屑的體積分?jǐn)?shù)都很小，故只考慮氣體體積流量的影響。然而，壓縮空氣的體積流量是井深的函數(shù)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律推出井內(nèi)任意點(diǎn)壓縮空氣的重力流量、重度和體積流量之間的關(guān)系為

根據(jù)理想氣體狀體方程整理式(8)后得到任意一點(diǎn)壓縮空氣的體積流量為

忽略固體巖屑體積和液流體積的影響，將式(9)代入式(7)得到風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井系統(tǒng)中心通道內(nèi)任一點(diǎn)的重度為

式中，Sl為液相地層流體相對(duì)清水的相對(duì)密度;ρs、ρg和ρa(bǔ)ir分別為巖屑密度、氣體密度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，kg/m3;ρw為清水密度，kg/m3;Mair為空氣摩爾質(zhì)量，g/mol;Dbit為鉆頭外徑，m;vm為機(jī)械鉆速，m/s。

在計(jì)算井深處，中心通道內(nèi)氣體上返流速為

式中，Ac為中心通道過(guò)流斷面面積，m2。

假定中心通道內(nèi)壓縮空氣上返流速約為三相流體上返速度，將式(11)和式(12)代入式(6)中得

給定邊界條件：在地表出口(z=0)處壓力為ps，在井深z處壓力為pcz，對(duì)式(13)進(jìn)行積分得

令中心通道井底壓力與最小攜巖能力滿足的壓力相等，將式(14)代入式(5)整理得

式(15)即為風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型，求解該方程可得到不同井深條件下所需的最小注氣量。

1.3 模型校正

式(15)計(jì)算的最小注氣量是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需的空氣量，不能直接用于指導(dǎo)地面注氣量的調(diào)節(jié)，須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度和濕度進(jìn)行校正。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程將現(xiàn)場(chǎng)壓力和溫度校正為

式中，pa為現(xiàn)場(chǎng)大氣壓，Pa;Ta為現(xiàn)場(chǎng)溫度，K;Qa為校正后的注氣量，m3/h。

考慮壓縮機(jī)的除水效率，空氣濕度校正［11］為

式中，Qh為濕氣體的體積流量，m3/h;fw為除水效率;φ為相對(duì)濕度;pw為水蒸氣的飽和壓力，kPa。

2 算例分析

2.1 算例數(shù)據(jù)

結(jié)合GQ-320型油氣勘探用風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井系統(tǒng)及其在四川某井鉆進(jìn)的地層條件給出模型計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：中心通道出口壓力ps為101.325 kPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓力 pgo為101.325 kPa，氣體相對(duì)密度Sd為1，管壁粗糙度 Ra為3.81 μm，固相巖屑密度ρs為2700 kg/m3，井深z為2 km，除水效率fw為0.95，鉆頭直徑Dbit為0.45 m，環(huán)狀間隙外徑Do為0.105 m，環(huán)狀間隙內(nèi)徑Di為0.089 m，中心通道直徑Dc為0.08 m，空氣絕熱指數(shù)k為1.4，空氣摩爾質(zhì)量Mair為0.029 kg/mol，相對(duì)濕度φ為0.8。

2.2 計(jì)算求解

風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型中各系數(shù)均是氣量的函數(shù)，需要迭代求解。計(jì)算流程如圖2所示。輸入基本參數(shù)后給定計(jì)算初值，以允許誤差er作為判斷收斂標(biāo)準(zhǔn)，采用Newton迭代法進(jìn)行計(jì)算，給定機(jī)械鉆速即可得到不同井深條件下的最小注氣量變化曲線。

圖2 計(jì)算流程Fig.2 Calculation flow chart

不同機(jī)械鉆速下計(jì)算得到的最小注氣量隨井深的變化曲線如圖3所示。隨著井深的增加，最小注氣量增大，且機(jī)械鉆速越大，相同井深處所需最小注氣量越大。

2.3 結(jié)果對(duì)比

在四川某井應(yīng)用風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，從開孔到600 m平均機(jī)械鉆速為5 m/h，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際氣量如圖4所示。井深0～550 m實(shí)際鉆井所需氣量與利用風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型計(jì)算的氣量接近，到600 m時(shí)實(shí)際鉆井所需氣量劇增，這是因?yàn)?50 m開始地層條件復(fù)雜，漏失嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)比可知，在地層條件完整或漏失不嚴(yán)重的情況下，風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型

圖3 最小注氣量變化曲線Fig.3 Variation of the minimum gas volume flow rate

可以用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)。

圖4 實(shí)際注氣量變化曲線Fig.4 Variation of actual gas volume flow rate

另外，比較Cray公式［12］計(jì)算實(shí)際鉆進(jìn)獲取巖屑的最小上返速度與最小注氣量模型計(jì)算巖屑的最小上返速度，進(jìn)一步驗(yàn)證最小注氣量模型?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆進(jìn)獲取的巖屑并非規(guī)整的球形顆粒，而是不規(guī)則形狀。圖5所示為風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井上返的巖屑，不同編號(hào)的巖屑對(duì)應(yīng)不同井深。將6塊巖屑基于體積的當(dāng)量球直徑換算成當(dāng)量球體，采用Cray公式計(jì)算攜帶巖屑至地表所需的最小氣體上返速度。以1號(hào)巖屑為例，半徑15.74 mm，最大高度22 mm，等效球體直徑為34.87 mm，流道水力直徑DH為76 mm，阻力系數(shù)CD為0.85，顆粒球形度ψ為1，最小上返速度為

圖5 反循環(huán)鉆頭鉆取的巖屑Fig.5 Cuttings drilled by reverse circulation drilling

同樣采用Cray公式計(jì)算出其他5塊巖屑的最小上返速度，再通過(guò)式(12)計(jì)算出機(jī)械鉆速5 m/h條件下采用最小注氣量模型時(shí)中心通道內(nèi)壓縮空氣的上返流速，二者對(duì)比如圖6所示。

通過(guò)上返流速對(duì)比可知，采用風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型計(jì)算的中心通道內(nèi)氣體上返流速大于采用Cray公式計(jì)算實(shí)際鉆進(jìn)獲取巖屑的上返速度，不會(huì)產(chǎn)生巖屑堆積問(wèn)題。這一結(jié)論與該井作業(yè)過(guò)程中未出現(xiàn)清洗情況相一致，進(jìn)一步表明該模型可以用于分析和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

圖6 上返流速對(duì)比曲線Fig.6 Comparison curve of up return flow rate

3 結(jié)論

(1)隨著井深的增加，最小注氣量逐漸增大，但并非簡(jiǎn)單的線性增加。

(2)在地層條件完整或漏失不嚴(yán)重的情況下，通過(guò)風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型計(jì)算得到的注氣量與實(shí)例井的現(xiàn)場(chǎng)注氣量接近，說(shuō)明該模型可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

(3)采用風(fēng)動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型計(jì)算的巖屑最小上返速度不會(huì)產(chǎn)生巖屑堆積問(wèn)題，與現(xiàn)場(chǎng)未洗井情況一致，驗(yàn)證了模型的可靠性。

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The minimum gas injection volume model of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling

HUANG Yong1，2，3，YIN Kun1，2，3，ZHU Li-hong4
(1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China;2.Laboratory of Technology for Drilling under Complex Condition of Ministry of Land and Resources，Jilin University，Changchun 130026，China;3.Key Laboratory of Geodetection Technology ＆ Instrumentation of Ministry of Land Resources，Jilin University，Changchun 130026，China;4.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

According to the characteristics of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling technology，the minimum gas volume flow rate satisfying the minimum capacity of carrying scrap and the minimum bottom hole pressure within the central channel of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling were deduced using the kinetic energy method.Then，the model of the minimum gas volume flow rate of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling was established.Combined with the GQ-320 type DTH hammer practical work，the minimum gas volume flow rates under different penetration rates were obtained and compared with the measured values.The results show that under the condition of formation complete or the loss being not serious，the calculation values of the gas volume flow rate of the pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling agree well with the field values.The upward cutting velocity analysis agrees well with the field data，which verifies the reliability of the model.

gas drilling;DTH hammer;reverse circulation;gas injection volume

TE 242.6

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.05.012

1673-5005(2011)05-0065-05

2011－02－22

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212010816018);四川石油鉆井工藝技術(shù)研究院項(xiàng)目(2006220100003435);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2011EEQ012)

黃勇(1981－)，男(漢族)，吉林永吉人，博士研究生，主要從事工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究。

(編輯 李志芬)