王冬平 黃靖富 趙士林 蔡文濤 王 偉 何彥希

(重慶科技學院石油與天然氣工程學院， 重慶 401331)

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微流量檢測實驗裝置設計

王冬平 黃靖富 趙士林 蔡文濤 王 偉 何彥希

(重慶科技學院石油與天然氣工程學院， 重慶 401331)

微流量檢測可實時檢測出井筒模型進出口處的流量、壓力、密度和溫度等參數。通過分析這些參數的變化，準確判斷井底是否發(fā)生了溢流或漏失，并計算井底壓力的大小，確定地層壓力。從微流量檢測技術原理著手，設計了一套微流量檢測實驗裝置。

微流量控壓； 井底壓力； 地層壓力

微流量控制壓力鉆井技術與其他控壓鉆井技術相比較，具有能更早監(jiān)測到井下微小溢流或漏失并及時進行反饋控制的優(yōu)勢。該技術通過精確監(jiān)測井筒進、出口流量等參數來獲知井筒內壓力變化情況，并及時進行反饋控制，使井筒內壓力在可控范圍內，整個過程可實現自動監(jiān)測、自動控制，準確性高[1-2]。

微流量檢測實驗裝置，是在以研究微流量控壓鉆井裝備及技術為目的的基礎上設計的一套室內裝置。設計的實驗裝置能夠實時對井筒進出口的流量、壓力、密度和溫度等數據進行檢測及計算。通過給定一個微小溢流，設備能夠馬上檢測出溢流流量，并計算出此時的井底壓力，計算發(fā)生微小溢流時的地層壓力，從而達到檢測地層壓力的目的。

1 微流量檢測原理

微流量檢測實驗裝置使用的循環(huán)流體為不可壓縮流體，井底的一個微小壓力變化將很快在地面檢測設備上反映出來。循環(huán)流體不可壓縮是微流量檢測裝置能夠早期檢測到溢流的理論基礎[3-4]。

在溢流和漏失未發(fā)生的情況下，裝置模擬鉆井液循環(huán)過程，將測得的井筒進出口流量、壓力和井底處壓力等數據作為期望值數據存入計算機檢測系統(tǒng)。在需要進行微流量檢測時，通過傳感器采集流量、壓力等數據并傳入計算機檢測系統(tǒng)，并將其與相應的期望值進行對比。系統(tǒng)首先判斷是否有溢流，如有溢流，可確定地層破裂壓力；如有漏失，可確定地層孔隙壓力[5-7]。圖1為微流量檢測流程圖。

圖1 微流量檢測流程圖

2 實驗裝置水力參數設計

現場井深大都在幾千米以上，而實驗裝置的井筒模型長度需控制在一定范圍內，故需要基于一定的相似準則將原型縮小。設計的實驗裝置由于受場地高度的限制，在沿裝置循環(huán)流體流動的軸線方向選擇變態(tài)模型。根據雷諾數相似準則，需滿足原型與模型的雷諾數相等，即：

(1)

式中：ρ1，ρ2—— 分別為原型與模型的流體密度，gcm3；

v1，v2—— 分別為原型與模型的流體平均流速，ms；

d1,d2—— 分別為原型與模型的管道內徑，cm；

μ1,μ2—— 分別為原型與模型的流體動力黏度，mPa·s。

(2)

(3)

設：作用在流體上的合外力為F，流體的加速度為a，流體的質量為m。根據牛頓第二定律F=ma，得力的比尺λF為：

(4)

壓強比尺為：

(5)

設：裝置鉆桿尺寸內徑為50 mm。根據式(1) — (5)計算出裝置設計所需的參數值(見表1)。

表1 裝置與原型各參數對比表

3 實驗裝置設備及管路設計

微流量檢測實驗裝置可實現鉆井液在安全密度窗口內的循環(huán)。實驗裝置以清水代替鉆井液。清水經過螺桿泵加壓后進入井筒入流管路，然后進入井筒，循環(huán)至井底后上返，由井筒出口流出，進入地面循環(huán)管路，最后返回至泥漿池。該裝置還要實現井筒內有溢流或漏失情況下的循環(huán)。當需要產生溢流時，由溢流管路上的螺桿泵提供指定流量和壓力的鉆井液進入井筒，從而在井筒進出口處產生流量差；當需要產生漏失時，開啟漏失管路上的閥門，清水則從井筒側底部的開孔流入漏失管路。

在實驗裝置的循環(huán)系統(tǒng)中，選用螺桿泵作為流體循環(huán)動力源。其可以在額定流量和壓力范圍內輸出指定流量和壓力的流體，并且輸出的流量連續(xù)均勻、工作平穩(wěn)、脈動小。為使該裝置能夠精確捕捉井底微小的壓力變化，選用帶有單晶硅諧振式傳感器技術的恒河EJA系列的壓力變送器。單晶硅對于壓力或溫度的變化不存在滯后現象，是非常理想的材料。

選用能夠精確測量流量、密度和溫度的E+H質量流量計。該流量計除可以直接測量質量流量且測量精確度高外，還可同時測量流體體積流量、密度和溫度等。

管路中流體壓力最大為0.3 MPa。井筒采用透明的有機玻璃管，可滿足承壓能力和可視性的要求。管路采用內壁光滑、抗壓抗腐蝕的PPR管。大閉環(huán)管路如圖2所示。

在鉆井過程中，溢流或漏失通常發(fā)生在離井眼底部有一定距離的裸眼井段中。因此本次實驗設定裝置的溢流和漏失口在離井底0.2 m處。

國外的微流量檢測技術在累計溢流不超過0.159 m3時就能檢測到溢流[2-3]。因此以此數據為參考，由相似原理中的幾何相似計算出裝置能檢測到溢流的累計溢流量為15.6 L。選擇輸出流量連續(xù)均勻、工作平穩(wěn)、脈動小的螺桿泵作為井底液體溢流用泵。選定內徑為25 mm的不銹鋼管作為液體溢流管道[6-7]。為檢測螺桿泵輸出流體的流量，在螺桿泵出口安裝轉子流量計。

4 井筒內流動分析及數模結果

模擬裝置設置了2個流體入口，1個流體出口。流體分別從井筒底部和底部右側溢流口流入，然后沿著井筒上返，從井筒上部的井口流出。設計的模擬井筒為對稱結構，取其中的一半進行模擬分析。進行網格劃分后，設定2個入口都為速度入口，出口為壓力出口。模擬時為重力操作環(huán)境，出口與大氣相通。

從流體剖面速度云圖可以看出，流體剛開始進入環(huán)空時，入口處速度增加，形成一定的渦流(圖3a)；隨著流體向環(huán)空上返，流體速度逐漸減小，在出口處速度增加(圖3b)。通過模擬井筒內流體的流動情況可以看出，設定的溢流可以穩(wěn)定注入井筒，與井底入口流體一同在環(huán)空內混合并上返。模擬不同數值的邊界條件，對比井底入口流量與井口流量。發(fā)現當兩者出現差值時，井底壓力也會發(fā)生變化。

圖2 微流量檢測實驗裝置設計圖

5 結 語

依據微流量檢測技術原理，提出了微流量檢測室內實驗裝置的設計方案。通過建立裝置的水力學模型，根據相似準則及變態(tài)模型理論確定裝置的基本技術參數，并對裝置的大閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)和溢流與漏失系統(tǒng)進行了設計。模擬結果表明：微流量檢測實驗裝置可以準確檢測井底壓力變化，在現場應用中可以為窄安全密度窗口井段的精細控壓提供數據參考。

[1] 姜英鍵,周應操,楊甘生,等.井底恒壓式與微流量式控壓鉆井系統(tǒng)控制機理差異分析[J].探礦工程,2014,41(5):6-9.[2] SANTOS H, LEUCHTENBERG C, SHAYEGI S.The Next Generation in Drilling Process[G].SPE 81183,2003.

[3] SANTOS H,CATAK E,KINDER J,et al.First Field Applications of MicroFlux Control Show Very Positive Surprises [G].IADCSPE 108333-MS,2007.

[4] 張奎林,夏柏如.微流量控制鉆井自動節(jié)流管匯的設計及應用[J].石油鉆采工藝,2012,34(6):53-56.

[5] 孔祥偉,林元華,邱伊婕.微流量控壓鉆井中節(jié)流閥動作對環(huán)空壓力的影響[J].石油鉆探技術,2014,42(3):22-27.

[6] 尹明,陳若銘,蘭祖權,等.控壓鉆井系統(tǒng)研究[J].石油鉆采工藝,2010,32(增刊1):69-72.

[7] BARBATO T,CENBERLITAS S，GALAD M.Enabling Technology Optimizes Dynamic Mud Weight Management and Reduce Well Cost Associated with Drilling Operation [G]. IADCSPE 140375-MS,2011.

The Schematic Design of a Micro Flux Detection Device

WANGDongpingHUANGJingfuZHAOShilinCAIWentaoWANGWeiHEYanxi

(School of Petroleum Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

The micro flux detection device can timely monitor flow rate, pressure, density and temperature in and out of the well bore model, and through these parameters we can judge influxes and losses in borehole accurately, calculate the bottom hole pressure value and determine the formation pressure. This paper designed a set of micro flux measurement experiment device based on the concept of micro-flux detection.

micro flux pressure control; bottom hole pressure; formation pressure

2016-03-20

“863”重大專項子課題“深水表層關鍵技術及裝備研究”(2007AA09A103-01)；重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新項目“微流量檢測實驗裝置研制”(YKJCX2014022)

王冬平(1987 — )，男，湖北襄陽人，重慶科技學院在讀碩士研究生，研究方向為油氣井工程。

TP274

A

1673-1980(2016)05-0117-03