車　陽， 周勁輝， 吳　寒， 程家麒

(中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249)

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泵注反循環(huán)鉆井循環(huán)壓耗實驗研究

車陽， 周勁輝， 吳寒， 程家麒

(中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249)

泵注反循環(huán)鉆井是一種新型鉆井方式，在鉆復雜結構井時具有井眼清潔、機械鉆速高等優(yōu)點。循環(huán)壓耗是泵注反循環(huán)鉆井能否實現的關鍵問題。利用自行設計的泵注反循環(huán)模擬實驗裝置，進行了不同水眼個數、水眼布局以及鉆井液參數下的循環(huán)壓耗試驗，根據試驗結果對影響反循環(huán)循環(huán)壓耗的主要因素進行分析。結果表明，最佳鉆頭水眼總面積為鉆桿內截面積的50%，最佳鉆頭水眼布局方式為沿鉆頭邊緣布局。同時，鉆井液密度越高,循環(huán)壓耗越大，但鉆井液密度對最佳水眼面積和水眼的布局方式影響很小。研究結果為泵注反循環(huán)鉆井鉆頭水眼優(yōu)化設計提供了依據。

泵注反循環(huán)鉆井；循環(huán)壓耗；鉆頭水力參數；實驗研究；最優(yōu)化

反循環(huán)鉆井具有保持井眼清潔、提高鉆井速度、保護儲層、利于防塌和防漏、減少套管磨損、降低摩阻扭矩等優(yōu)點，在水平井、大位移井等復雜結構井的運用效果更加顯著[1-6]。與泵吸反循環(huán)鉆井和氣舉反循環(huán)鉆井相比，泵注反循環(huán)鉆井具有設備簡單、成本低和理論鉆井深度大等優(yōu)點。

循環(huán)壓耗是制約泵注反循環(huán)鉆井的關鍵因素，循環(huán)壓耗過大，所需的泵壓也將增加，導致井口裝置承壓增加，對井口裝置的要求更高，增加成本的同時也增加鉆井的風險；循環(huán)壓耗過小，鉆井液破巖及攜帶巖屑的效果將下降，導致鉆井進尺小，增加鉆井的成本投入。

在循環(huán)壓耗研究方面，國內外學者做了大量的理論研究，考慮不同的鉆井液流變性能對壓耗的影響[7-13]。由于鉆井液流型的復雜性，鉆井工程理論上近似認為是賓漢流體，這種理論研究的實際應用效果不理想，存在較大的偏差。

在鉆頭設計方面，正循環(huán)鉆井主要考慮鉆頭與地層的關系，通過鉆頭流場模擬研究，要求水眼布局最有利于鉆頭破巖，不考慮水眼布局對循環(huán)壓耗的影響[14-16]。但是，反循環(huán)鉆井中液流沒有輔助破巖的作用，需要從循環(huán)壓耗的角度，考慮最佳的水眼大小和布局。本文通過模擬實驗研究，最優(yōu)化分析，確定泵注反循環(huán)的循環(huán)壓耗的影響因素，探索泵注反循環(huán)循環(huán)壓耗的分布規(guī)律，為實現泵注反循環(huán)鉆井提速的可行性提供參考。

1　實驗部分

1.1實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，該裝置主體包括動力系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)3個部分。配好的泥漿放置在泥漿池中，由泥漿泵泵入管線中，壓力和流量傳感器可測量泵壓和排量，泥漿經過循環(huán)管線流入環(huán)空，通過鉆頭水眼進入鉆柱并上返到井口，回流到泥漿池，構成一個完整的反循環(huán)過程。圖2為實驗裝置實物圖。

圖1　實驗裝置原理圖

實驗制作了兩種不同水眼結構的鉆頭，鉆頭剖面如圖3所示，鉆頭1設計有大小不同的6個水眼(反循環(huán)流通通道)(中部水眼d=25 mm，邊部5個水眼d=20 mm)，鉆頭2設計有大小相同的12水眼(d=16 mm)，各水眼可用螺紋堵頭控制開閉。

鉆頭水眼主要針對不同的鉆頭類型和結構特點來進行設計，牙輪鉆頭設計的水眼較大，布局較稀疏；PDC鉆頭設計的水眼較小，布局較密；水眼的總面積差別不大。根據模擬鉆柱內徑和模擬鉆頭的尺寸，水眼總體面積設計極限為鉆柱內截面積，水眼直徑能夠通過粒徑為10 mm的巖屑，水眼個數越多，單個水眼的直徑越小。為了研究水眼布置的位置對循環(huán)壓耗的影響，實驗中水眼在鉆頭中間和邊緣都進行了布局，水眼個數越多，水眼總面積控制越精確，實驗中采用6水眼和12水眼的模擬鉆頭分別模擬了牙輪鉆頭和PDC鉆頭的實際工況，通過水眼的不同組合實現對水眼總面積的控制。

圖2　實驗裝置實物圖

圖3　鉆頭剖面結構(數字為水眼代號)

1.2實驗方法

實驗研究的主要方法是控制變量法。在鉆進過程中，總循環(huán)壓耗等于泥漿泵的泵壓。而反循環(huán)鉆井的總循環(huán)壓耗包括地面管匯壓耗、環(huán)空壓耗、鉆頭壓耗和內鉆柱壓耗4個部分。由管路壓耗計算的基本理論，計算紊流壓耗的基本公式是“范寧——達西公式”[17]。對管內流動ΔpL=0.2fρdLv2/di；對環(huán)空流有ΔpL=0.2fρdLv2/(dh-dp)。

式中:ΔpL為壓力損耗，MPa；f為管路的水力摩阻系數，無因次；ρd為鉆井液密度，g/cm3；L為管路長度，m；v為鉆井液在管路的平均流速，m/s；di為管路內徑，cm；dh為井眼直徑，cm；dp為鉆柱外徑，cm。

依據龍芝輝等[18]的鉆井循環(huán)壓耗修正系數方法及應用，鉆井循環(huán)壓耗的影響因素如下：① 井眼和鉆具的幾何尺寸；② 管路中的流量；③ 鉆井液的性能參數；④ 試驗系數。在本實驗中，主控因素是鉆頭水眼和鉆井液的性能參數。

2　結果與討論

2.1不同水眼面積對循環(huán)壓耗的影響

根據鉆頭的現實工況，水眼主要是分布在鉆頭外圍，在進行模擬實驗時，首先要考慮外圍的水眼，因而實驗中在打開外圍水眼情況下的測點較多。圖4分別為清水條件下，鉆頭1和鉆頭2根據水眼數目變化測得的排量-泵壓曲線。

圖4排量-泵壓變化曲線

Fig.4Output volume-pump pressure curve

由圖4可知，其他條件保持不變，當鉆頭水眼面積增加時，循環(huán)壓耗逐漸降低。而根據上文提到的計算循環(huán)壓耗的理論公式可知，鉆頭水眼越大，鉆井液上返流速越小，總循環(huán)壓耗就越小，實驗結果與理論計算結果相穩(wěn)合。

觀察圖4，曲線在排量近似為8.0 m3/h時呈現不同的變化趨勢，所以排量8.0 m3/h是本實驗研究中的循環(huán)壓耗變化的臨界值，臨界排量兩邊壓耗呈現不同的變化情況。當排量在8.0 m3/h以下，泵壓與排量之間呈明顯的線性關系，可引入一個循環(huán)壓耗系數K，得近似公式：

p=KQ+C

式中：K、C是隨水眼變化的系數，(h·MPa)/cm3、MPa；Q為排量，cm3/h；p為泵壓，MPa。

當排量超過8.0 m3/h，循環(huán)壓耗系數變小，總循環(huán)壓耗趨于不變。圖5是鉆頭2在3個水眼情況下，排量與泵壓的關系，圖5中兩曲線之間縱向距離為同一排量下的鉆頭壓降。根據現有理論，鉆頭壓降要盡可能的大，以提高鉆頭水功率[16]。在模擬實驗條件下，泵注反循環(huán)鉆頭水功率的臨界排量是8.0 m3/h，與循環(huán)壓耗變化的臨界排量一致。

同時從實驗結果也可以得到這樣的結論：鉆頭水眼面積越大，泵注反循環(huán)的循環(huán)壓耗越小。當鉆頭總水眼面積超過鉆桿內截面的50%時，其循環(huán)壓耗不再發(fā)生明顯改變，這在鉆頭2(圖4(b))表現更為明顯。因此，循環(huán)壓耗變化的水眼總面積與鉆桿內截面的臨界面積比為1∶2。在泵注反循環(huán)鉆井的鉆頭水眼的設計上，如考慮最大程度地保持流道暢通，應該保證總水眼大小占鉆柱內截面的50%左右。

圖5鉆頭2(打開4#、7#、10#水眼)的排量-泵壓、底部壓力關系

Fig.5No 2 bit (opening 4#,7#,10#nozzles) output volume-pump pressure, bottom pressure curve

2.2不同水眼布局對循環(huán)壓耗的影響

此組實驗使用清水鉆井液，檢測鉆頭2在不同水眼布局下的排量-泵壓變化。根據實驗結果，得到圖6排量-泵壓變化曲線。由圖6可知，水眼布局對循環(huán)壓耗的影響比水眼數目的影響要小得多，且在水眼數目較少時，水眼布局對壓耗的影響較??；水眼數目較多時，水眼布局對壓耗的影響變大，且水眼在鉆頭邊緣均勻分布的壓耗小于水眼在鉆頭中間分布的壓耗。

圖6鉆頭2不同水眼布局排量-泵壓變化曲線

Fig.6No 2 bit’s output volume-pump pressure curve with different nozzles layout

在相同的水眼大小和數目下，相同的排量測點的鉆井液的流速是一定的，此時環(huán)空、鉆柱內面積和流體流速不變，因而壓耗一定。當總壓耗存在差異，壓耗變化的來源為鉆頭壓降。而鉆頭的壓降來源于兩部分：鉆井液通過水眼的壓降和鉆井液通過鉆頭臺階處的壓降。水眼數目較少時，鉆井液流速較高，總壓耗主要由管線及鉆桿內外環(huán)空的壓耗決定，因而鉆頭水眼布局對總壓耗的影響不明顯；水眼數目變多，鉆井液流速放緩，鉆頭壓降對總壓耗的影響變大，此時水眼布局對總壓耗的影響較大。

水眼邊緣均布時，主要的壓降為鉆頭臺階處的壓耗，而水眼在中間分布時，壓降的主體來源于水眼，通過水眼的水流之間的相互阻礙產生較大壓耗，因此，在設計反循環(huán)鉆頭水眼時考慮水眼布局，盡量在鉆頭邊緣多布水眼，中部少布水眼，減少壓耗損失。

2.3不同鉆井液對循環(huán)壓耗的影響

圖7是鉆頭2情況下，在清水鉆井液中加入一定量的膨潤土(CMC)之后測量得到的排量-泵壓數據曲線。從圖7中可以看出，加不同質量的膨潤土，總循環(huán)壓耗有明顯的變化。在打開6個水眼邊緣均布情況下，不同的膨潤土的加量，總循環(huán)壓耗曲線的上移量與膨潤土加量呈現明顯的正線性相關。

圖7鉆頭2不同鉆井液參數排量-泵壓變化曲線

Fig.7No 2 bit’s output volume-pump pressure curve with different mud propertied

對比同種水眼數目和水眼布局時的壓耗曲線，加膨潤土得到的結果與清水鉆井液的結果相似。同樣地，在鉆井液中加膨潤土仍存在循環(huán)壓耗變化的臨界面積比和臨界排量，此時的鉆頭水眼臨界面積比仍為1∶2。但此時的臨界排量減小，在膨潤土加入質量為109 kg時，臨界排量減小到7.5 m3/h；在膨潤土加入質量為223 kg時，臨界排量減小到7 m3/h。

因此，膨潤土加量會同時增大鉆井液密度和黏度，從而增大循環(huán)壓耗，呈現負線性影響。膨潤土加量對鉆頭設計臨界面積比無影響，但會降低臨界排量。同時，在膨潤土加量相同的情況下，這組實驗所得的結果與上兩節(jié)結果相似，可再次論證前面結論的正確性。

3　結論

(1) 在反循環(huán)鉆井中，最優(yōu)的水眼面積是鉆桿內截面積的50%。

(2) 在反循環(huán)鉆井中，水眼應盡量布局在鉆頭邊緣。

(3) 在反循環(huán)鉆井中，膨潤土的加量對壓耗影響顯著，臨界排量隨膨潤土加量的增加而變小。

[1]Graham R L, Foster J M, Amick P C,et al. Reverse circulation air drilling can reduce well bore damage [J]. Oil &Gas Journal, 1993,22:89-94.

[2]Paul MacKay,徐合獻.反循環(huán)鉆井避免損害低壓氣層[J].國外油田工程,2003,19(9):19-20.

Paul MacKay, Xu Hexian. Reverse circulation air drilling can reduce low pressure air layer damage [J].Foreign Oilfield Engineering, 2003,19(9):19-20.

[3]Paul A M. Reverse circulation drilling avoids damage to low-pressure gas reservoirs[J]. World Oil, 2003(3):71-72.

[4]李樹德,柯?？?洪常久.氣舉反循環(huán)鉆探技術在復雜地層應用中的探討[J]. 煤炭技術,2007, 26(11): 137-138.

Li Shude,Ke Fukui,Hong Changjiu. Discussion of application of gas upgrading of reverse circulation drilling technology[J]. Coal Technology, 2007, 26(11): 137-138.

[5]孫寶江,公培斌,劉震,等. 雙通道鉆桿反循環(huán)鉆井方法在深水鉆井中應用的可行性探討[J].中國海上油氣,2013,25(1):49-53.

Sun Baojiang, Gong Peibin,Liu Zhen, et al. Feasibility study of the reverse circulation drilling method with dual concentric drill pipe in deep water [J]. China Offshore Oil and Gas, 2013, 25(1):49-53.

[6]王建平,鞏建雨.氣舉反循環(huán)鉆進工藝在水井施工中的應用[J].西部探礦工程,2013(5): 55-57.

Wang Jianpin, Gong Jianyu. Applications of gas-lift reverse circulation drilling technology to water-well construction [J]. West-China Exploration Engineering, 2013(5): 55-57.

[7]《鉆井手冊(甲方)》編寫組.鉆井手冊(甲方) [M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1990:591-595.

[8]龍芝輝,汪志明,郭曉樂.鉆井循環(huán)壓耗計算修正系數方法及應用[J].天然氣工業(yè),2005,25(7):66-68.

Long Zhihui, Wang Zhiming, Guo Xiaole.Carrection coefficient method of drilling circulating pressure loss calculation and its application [J].Natural Gas Industry,2005, 25(7):66-68.

[9]Marken C D. The influence of drilling conditions on annular pressure losses [R].SPE 23598，1992.

[10]Rodriguez O M H, Bannwart A C, de Carvalho C H M. Pressure loss in core-annular flow: Modeling, experimental investigation and full-scale experiments [J].Journal of Petroleum Science and Engineering, 2009，65(1):67-75.

[11]宋洵成,王根成,管志川,等.小井眼環(huán)空循環(huán)壓耗預測系統(tǒng)方法[J].石油鉆探技術,2004,32(6):11-12.

Song Xuncheng, Wang Gencheng, Guan Zhichuan, et al. A method for computing the circulating pressure loss in slim hole annulus [J]. Petroleum Drilling Techniques, 2004, 32(6):11-12.

[12]馬東軍,李根生,黃中偉,等.連續(xù)油管側鉆徑向水平井循環(huán)系統(tǒng)壓耗計算模型[J].石油勘探與開發(fā),2012,39(4):494-499.

Ma Dongjun, Li Gensheng, Huang Zhongwei, et al. A model of calculating the circulating pressure loss in coiled tubing ultra-short radius radial drilling [J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(4):494-499.

[13]劉強.空氣反循環(huán)鉆頭設計與數值分析[J].石油礦場機械,2012,41(10):49-53.

Liu Qiang. Design and numerical analysis of air reverse circulation bits[J]. Oil Field Equipment, 2012, 41(10):49-53.

[14]孟英峰,練章華,唐波,等.反循環(huán)鉆頭井底流場研究及其新產品開發(fā)[J].天然氣工業(yè),2004,24(9):51-53.

Meng Yingfeng, Lian Zhanghua, Tang Bo, et al. Research on the bottom-hole flow field of reverse circulation bit and its product development[J].Natural Gas Industry, 2004, 24(9):51-53.

[15]練章華,孟英峰,唐波,等.反循環(huán)空氣鉆井鉆頭結構設計及其流場分析[J].石油機械,2003,31(增刊):15-17.

Lian Zhanghua, Meng Yingfeng, Tang Bo, et al. Structure design and flow field analysis of reverse circulation air drilling bit[J]. China Petroleum Machinery, 2003, 31(z1):15-17.

[16]劉希圣,朱國新,丁崗.井底流場模擬實驗的示蹤方法[J].石油鉆采工藝,1989(3):1-5.

Liu Xisheng,Zhu Guoxin,Ding Gang. Tracer method for simulating experiment of bottom hole flow[J].Oil Drilling & Production Technology,1989(3):1-5.

[17]陳庭根,管志川.鉆井工程理論與技術[M].東營：中國石油大學出版社,2005:142-164.

[18]龍芝輝,張向前,王倩.求算鉆井循環(huán)系統(tǒng)壓耗的“反分析”方法[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2006,8(3):1-3.

Long Zhihui,Zhang Xiangqian,Wang Qian. "Reverse Analysis" calculating the pressure consumption of drilling circulatory system [J]. Journal of Chongqing University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2006, 8(3):1-3.

(編輯宋官龍)

Experimental Study on the Cyclic Pressure Loss of Pump-Injected Reverse Circulation Drilling

Che Yang, Zhou Jinhui, Wu Han, Cheng Jiaqi

(CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China)

Pump-injected reverse circulation drilling is a new drilling method. It has lots of advantages (such as cleaned hole and high ROP) compared with previous method, which can be used in drilling complex structural well. As we all know, cyclic pressure loss is one of the most important topics in drilling. The laws of cyclic pressure loss in different nozzles or mud parameters are studied experimentally in lab. The paper analyses the major factors affected cyclic pressure loss, according to results of the simulated experiment. It comes to the conclusions that the area of the bit nozzles should be a half of the drilling stem. And the edge of the bit is the best position to place the bit nozzles. At the same time, the cyclic pressure loss can be higher while the density of drilling fluid increases. However, the density doesn’t seem to affect the best arrangement of bit nozzles. Theoretical basis is provided for optimized design of pump-injected reverse drilling bit nozzles.

Pump-injected reverse circulation drilling; Cyclic pressure loss; Bit hydraulic parameters; Experiment; Optimization

1006-396X(2016)02-0027-05

投稿網址：http://journal.lnpu.edu.cn

2015-09-30

2015-11-27

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目(51221003)；國家863主題項目“致密氣藏高效鉆井技術研究”(2013AA064803)；聯(lián)合基金項目“頁巖氣鉆探中的井壁穩(wěn)定及高效鉆完井基礎研究”(U1262201)。

車陽(1993-)，男，本科生，石油工程專業(yè)，從事油氣井流體力學與工程理論與實驗研究；E-mail：Cupcheyang@163.com。

周勁輝(1971-)，男，博士，高級工程師，從事井下力學、信息與控制工程理論與實驗研究；E-mail：ezhoujinhui@126.com。

TE242

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.02.006