周勁輝，浦世雄，王睿博，韋幫偉

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)

·實(shí) 驗(yàn) 技 術(shù)·

泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制

周勁輝，浦世雄，王睿博，韋幫偉

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)

設(shè)計(jì)和研制了一套泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括泥漿泵、泥漿池組、正反循環(huán)控制閥組、模擬井筒、模擬鉆柱、模擬鉆頭、巖屑筒、循環(huán)管線(xiàn)和測(cè)試儀表等，可以靈活實(shí)現(xiàn)鉆井液正、反循環(huán)的切換。以清水為鉆井液，用六種不同粒徑的石英砂進(jìn)行泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)得不同粒徑巖屑上返需要的最低排量，為泵注反循環(huán)鉆井提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)、大學(xué)生科技創(chuàng)新和科研提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

泵注；反循環(huán)；巖屑運(yùn)移；試驗(yàn)系統(tǒng)

降低每米鉆井進(jìn)尺費(fèi)用和提高鉆井速度是未來(lái)高度需求、重點(diǎn)發(fā)展的鉆井技術(shù)[1]，而水平井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井日漸成為降低油氣開(kāi)采的重要技術(shù)手段。受地層、鉆井設(shè)備及鉆具條件的限制，傳統(tǒng)的巖屑清除方法[2-3]不能徹底解決水平井、大位移井的井眼凈化問(wèn)題。反循環(huán)鉆井與正循環(huán)鉆井相比，具有井眼凈化好、鉆進(jìn)效率高、利于識(shí)別地層和保護(hù)儲(chǔ)層、成本低、利于防塌和防漏、減少套管磨損、降低摩阻扭矩等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，在樁基工程、水文/水井勘察、地?zé)峥碧?、淺層氣勘探、洗井和固井中得到成功的應(yīng)用。按照產(chǎn)生反循環(huán)的動(dòng)力來(lái)源，有泵吸反循環(huán)、氣舉反循環(huán)和泵注反循環(huán)之分。泵吸反循環(huán)理論鉆井深度有限[6-7]，鉆進(jìn)過(guò)程中存在循環(huán)中斷、鉆進(jìn)效率隨鉆進(jìn)深度下降等問(wèn)題[8-9]；氣舉反循環(huán)受雙壁鉆桿強(qiáng)度的限制[10]，反循環(huán)鉆井深度受到限制，且需要配備專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，如雙壁鉆桿、空壓機(jī)等，增加設(shè)備成本；泵注反循環(huán)克服了泵吸反循環(huán)和氣舉反循環(huán)的弱點(diǎn)，具有更深的理論可鉆進(jìn)深度、更低的鉆井成本和更容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制的意義

在現(xiàn)有井口設(shè)備條件下(旋轉(zhuǎn)防噴器耐壓能力)，循環(huán)壓耗是影響泵注反循環(huán)鉆井順利實(shí)施的關(guān)鍵因素。在井身?xiàng)l件一定的情況下，泵排量是循環(huán)壓耗的決定因素。對(duì)泵排量的最低要求是保證巖屑能順利地運(yùn)移到地表上來(lái)。從清除巖屑角度考慮，理論上泵排量越大清除效果越好，因流速低不利于攜巖；從循環(huán)壓耗的角度考慮，排量過(guò)大勢(shì)必造成循環(huán)壓耗過(guò)大，需要的泵壓增加，可能帶來(lái)諸如井壁不穩(wěn)定、井底巖石強(qiáng)度增加等鉆井問(wèn)題，且流速高將加劇鉆桿內(nèi)壁的沖蝕與磨蝕。因此，確定最小排量是優(yōu)化泵排量的關(guān)鍵。研制泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移規(guī)律的研究，對(duì)泵注反循環(huán)的順利實(shí)施至關(guān)重要。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

在廣泛調(diào)研和深入思考的基礎(chǔ)上，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮安全性、可靠性、靈活性等四個(gè)方面。

2.1 安全性

系統(tǒng)的安全性應(yīng)被放在首位考慮，必須杜絕一切安全隱患。從主觀、客觀上講，該系統(tǒng)的安全隱患來(lái)自以下四個(gè)方面：(1)該系統(tǒng)需要三相動(dòng)力電；(2)泥漿泵的皮帶輪在泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中有潛在的危險(xiǎn)；(3)泵入口離地面高度超過(guò)5 m，如果管路發(fā)生泄漏會(huì)給電氣設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)人員帶來(lái)危險(xiǎn)；(4)操作人員大部分為學(xué)生，其安全防范意識(shí)一般比較淡薄。

為此，采取的保障措施包括：確保用電安全，選用耐壓管線(xiàn)，精選循環(huán)管路的接頭材料。

2.2 可靠性

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，泥漿泵泵入的鉆井液有一定的壓力，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)、外管必須保證密封，否則循環(huán)效果不好，難以得到正確的數(shù)據(jù)，影響分析結(jié)果。

為此，采取的保障措施包括：確保每個(gè)部件的加工質(zhì)量，選用高質(zhì)量的密封圈，精心安裝，反復(fù)測(cè)試。

2.3 靈活性

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地空間有限，不能影響其他實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)方便拆卸、搬運(yùn)和存放。

為此，采取的保障措施包括：模塊化設(shè)計(jì)，鉆井液注入端、井筒、管柱、地面管匯自成一體。具體而言，鉆井液注入端與井筒采用法蘭連接，與模擬鉆柱采用絲扣連接；單根模擬鉆柱采用絲扣連接；各節(jié)井筒采用法蘭連接，單根井筒重量不超過(guò)25 kg；測(cè)試儀表與井筒采用絲扣連接；地面管匯與專(zhuān)用接頭套接，并用卡箍卡緊。通過(guò)地面控制閥的調(diào)節(jié)，可以靈活實(shí)現(xiàn)正、反循環(huán)的切換。

2.4 實(shí)用性

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要為大學(xué)生科技創(chuàng)新服務(wù)，同時(shí)也可為研究生科學(xué)研究和大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，因此，在功能上要滿(mǎn)足不同人群的使用要求。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理及組成

泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該裝置主要包括泥漿泵、泥漿池組、正反循環(huán)控制閥組、模擬井筒、模擬鉆柱、模擬鉆頭、巖屑筒、循環(huán)管線(xiàn)和測(cè)試儀表等，可以靈活實(shí)現(xiàn)鉆井液的正、反循環(huán)切換。

1.沉淀泵；2.泥漿池；3.泵入管匯；4.泥漿泵；5.反循環(huán)泵入控制閥；6. 正循環(huán)泵入控制閥；7. 反循環(huán)回流控制閥；8.正循環(huán)回流控制閥；9.反循環(huán)泵入和正循環(huán)回流管線(xiàn)；10. 正循環(huán)泵入和反循環(huán)回流管線(xiàn)；11.井口鉆柱內(nèi)壓力表；12.井口環(huán)空壓力表；13.井底壓力表；14.模擬井筒；15.模擬鉆柱；16.模擬鉆頭；17.巖屑筒

圖1 泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要組成部件包括：(1)泥漿泵選用BW-250型(地質(zhì)勘探常用泵)；(2)泥漿池為不銹鋼桶，共3個(gè)，單個(gè)桶的體積1.2 m3；(3)循環(huán)管線(xiàn)為高壓膠管；(4)模擬井筒為有機(jī)玻璃管，外徑110 mm，內(nèi)徑100 mm，各段用不銹鋼法蘭連接；(5)模擬鉆柱為不銹鋼管，外徑63 mm，內(nèi)徑60 mm；(6)模擬鉆頭由不銹鋼材料做成；(7)測(cè)試儀表有壓力表、流量表。

4 實(shí)驗(yàn)效果

該巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在模擬鉆柱不旋轉(zhuǎn)的情況下可進(jìn)行水平井、大位移井泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)。

選用六種不同粒徑的石英砂進(jìn)行了最低排量的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如下：(1)巖屑粒徑分別有8目、6目、5目、4目、2.5目、<2.5目，均<10 mm，如圖2所示；(2)鉆井液類(lèi)型為清水；(3)溫壓條件為室內(nèi)常溫、常壓；(4)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為每組巖樣各實(shí)驗(yàn)3次，共計(jì)18組實(shí)驗(yàn)；(5)井筒條件為井筒總長(zhǎng)19m，其中水平段長(zhǎng)14.5m，垂直高度4.5m。

圖2 實(shí)驗(yàn)中的部分照片

實(shí)驗(yàn)中主要是測(cè)試泵注反循環(huán)攜帶不同粒徑的巖屑所需要的最低排量，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，所需的最低排量隨粒徑的增大而呈非線(xiàn)性增加的趨勢(shì)。這種規(guī)律比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

圖3 最低排量隨巖屑粒徑的變化規(guī)律

5 結(jié)束語(yǔ)

泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成功研制具有重要的意義。它為巖屑運(yùn)移規(guī)律的研究提供了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)條件，為大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)展奠定了硬件基礎(chǔ)，為大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)、研究生科學(xué)研究提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)通過(guò)控制閥可以實(shí)現(xiàn)正、反循環(huán)的切換，能進(jìn)行正、反循環(huán)巖屑運(yùn)移的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行可靠。該系統(tǒng)的不足之處在于其測(cè)試系統(tǒng)不夠完善，參數(shù)主要通過(guò)觀察數(shù)顯儀表讀取，參數(shù)測(cè)試有待進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和可視化。

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Development of Experiment System for Cuttings Transportationin Pump-injected Reverse Circulation

ZHOU Jinhui,PU Shixiong, WANG Ruibo, WEI Bangwei

(Faculty of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China)

Experiment system for cuttings transportation in reverse circulation of pump-injection, is designed and developed. This system includes mud pump, mud tanks, valve group controlling the circulation directions, simulate wellbore, simulate drill pipe strings, simulate bit, cuttings cylinder, circulation tubular and testing devices. Comparative experiments of normal and reverse circulation can be done using this system. Using water as drilling fluid, cuttings transportation experiments were carried out using six kinds of quartz sands with different particle sizes, the minimum pump ratio was tested respectively, and the experimental basis was provided for reverse circulation drilling of pump-injected. A good experiment platform is provided for the undergraduate students’ experiment teaching, science and technology innovation and postgraduate students’ science research.

pump-injected; reverse circulation; cuttings transportation; experiment system

2014-06-27

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金資助項(xiàng)目(51 221003)；國(guó)家863基金資助主題項(xiàng)目(2013AA0 64803)；石油化工聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U12 62201)。

周勁輝(1971-)，男，博士，講師，主要從事井下力學(xué)、信息與控制工程理論與實(shí)驗(yàn)研究工作。

TE242

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.001