周勁輝,張 勇,高德利,浦世雄,王睿博,韋幫偉

(石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

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水文·工程·環(huán)境

泵注反循環(huán)巖屑粒徑對(duì)最低排量的影響實(shí)驗(yàn)

周勁輝,張 勇,高德利,浦世雄,王睿博,韋幫偉

(石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

介紹了泵注反循環(huán)鉆井的基本原理和特點(diǎn)。利用泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)裝置，以清水為循環(huán)介質(zhì)，對(duì)6種不同粒徑的巖屑上返所需要的最低排量(流速)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。探討了最低排量和循環(huán)壓耗隨巖屑粒徑的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：巖屑上返的最低排量和循環(huán)壓耗隨巖屑粒徑的增大呈現(xiàn)非線性的增加，當(dāng)巖屑粒徑超過(guò)4.75mm后，循環(huán)壓耗的增幅加大；巖屑在水平段運(yùn)移所需的最低排量小于在彎曲段和直井段運(yùn)移所需的最低排量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為泵注反循環(huán)鉆井方法的應(yīng)用和水力參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

泵注反循環(huán) 巖屑粒徑 巖屑運(yùn)移 最低排量 循環(huán)壓耗

Zhou Jin-hui,Zhang Yong,Gao De-li,Pu Shi-xiong,Wang Rui-bo,Wei Bang-wei.An experiment for the effect of cutting diameter on the minimum pump rate in Pump-injected reverse circulation drilling[J].Geology and Exploration, 2016, 52(1):0159-0164

1 前言

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)(沈忠厚等，2009)。以水平井為特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井有利于降低油氣勘探開(kāi)發(fā)成本，但因井斜角較大、水平段較長(zhǎng)，巖屑床容易形成。因井眼凈化不充分，鉆進(jìn)時(shí)摩阻和扭矩過(guò)大、套管磨損嚴(yán)重和巖屑重復(fù)破碎等也將導(dǎo)致機(jī)械鉆速低、鉆井成本高和鉆井風(fēng)險(xiǎn)大(周風(fēng)山等，1998；趙江印等，1999；魏文忠等，2006；宋洵成等，2009；牟艷宇等，2010；姜洪閣，2011；鄭強(qiáng)等，2012)。針對(duì)大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井所面臨的井眼凈化問(wèn)題，主要解決方法有提高鉆井液返速法、改善泥漿性能法、機(jī)械清除法和工具清除法(張洪泉等，1999；石曉兵，2000；黃麗萍，2002； Dave Rodmanetal.，2003；吳仲華等，2006；王智鋒，2009；陳鋒等，2012)。在受地層、鉆井設(shè)備以及鉆具條件限制的情況下，完全靠大排量的方法來(lái)提高泥漿的攜巖能力一般難于實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)及應(yīng)用特種鉆井液需要投入大量的費(fèi)用，增加鉆井成本。機(jī)械清除法短時(shí)間內(nèi)必須起下鉆，雖能起到清屑效果，卻要花費(fèi)很多時(shí)間在起下鉆上，影響了鉆井的效率，同樣達(dá)不到快速、 優(yōu)質(zhì)鉆井的目的。工具清除法需每隔一定長(zhǎng)度下入一個(gè)工具短節(jié)，增加了鉆柱的螺紋連接，因此增加了安全隱患。總之，井筒凈化問(wèn)題仍然沒(méi)有得到有效的解決。

反循環(huán)鉆井與正循環(huán)鉆井相比，具有保持井眼清潔、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)(Reuben L Grahametal.，1993；孫丙倫，2007)，在樁基工程、水文水井勘察、地?zé)峥碧健\層氣勘探和洗井中得到成功的應(yīng)用(李?yuàn)^強(qiáng)等，2006；王運(yùn)美等，2007；陳怡，2009；Jeff Lietal.，2010；Amy Sarah Hodson-Clarkeetal.，2013；李雪峰，2013；王建平等，2013)。根據(jù)產(chǎn)生反循環(huán)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)。泵注反循環(huán)鉆井克服了泵吸反循環(huán)鉆井壓差小(廖光華，2000；尹飛等，2008)和氣舉反循環(huán)鉆井雙壁鉆具強(qiáng)度受到限制的弱點(diǎn)，理論上具有鉆進(jìn)深度更深、鉆井成本更低和實(shí)現(xiàn)更容易的特點(diǎn)，在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)條件下(張慧等，2007)，只需改變鉆井液的泵入線路即可實(shí)現(xiàn)。巖屑運(yùn)移和循環(huán)壓耗是泵注反循環(huán)鉆井能否成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，而巖屑運(yùn)移所需的最低排量又是巖屑運(yùn)移和循環(huán)壓耗的控制因素。因此，開(kāi)展泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移最低排量的研究對(duì)于此鉆井工藝方法用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井而實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)和高效鉆井具有重要意義。

2 泵注反循環(huán)鉆井原理

泵注反循環(huán)鉆井原理如圖1所示，通過(guò)地面泥漿泵向密閉的環(huán)空泵入有一定壓力的鉆井液，迫使鉆井液流向井底攜帶巖屑進(jìn)入鉆頭水眼并經(jīng)鉆柱內(nèi)部上返出地表。

圖1 泵注反循環(huán)鉆井原理

3 泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置

泵注反循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖2所示，實(shí)物如圖3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)管線和測(cè)試儀表等，可以靈活實(shí)現(xiàn)鉆井液正、反循環(huán)切換。

圖2 泵注反循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

該模擬實(shí)驗(yàn)裝置在模擬鉆柱不旋轉(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)移和循環(huán)壓耗的模擬實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置的主要組成部件如下：

(1) 泥漿泵：BW-250型(地質(zhì)勘探常用泵);

(2) 泥漿池：不銹鋼桶，共3個(gè)，每個(gè)體積1.2m3;

(3) 循環(huán)管線：高壓膠管;

(4) 模擬井筒：有機(jī)玻璃管，外徑110mm，內(nèi)徑100mm，用不銹鋼法蘭連接;

(5) 模擬鉆柱：不銹鋼管，外徑63mm，內(nèi)徑60mm;

(6) 模擬鉆頭：不銹鋼材料做成;

(7) 測(cè)試儀表：壓力表、流量表。

3.2 泵注反循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)研究

3.2.1 實(shí)驗(yàn)條件

對(duì)6種不同粒徑的石英砂進(jìn)行了最低排量和循環(huán)壓耗的模擬實(shí)驗(yàn)。

① 巖屑粒徑：8目、6目、5目、4目、2.5目、<2.5目，粒徑均小于10mm，如圖4;

② 鉆井液類(lèi)型：清水;

③ 溫壓條件：室內(nèi)常溫、常壓;

④ 實(shí)驗(yàn)次數(shù)：每組巖樣各實(shí)驗(yàn)3次實(shí)驗(yàn)，共計(jì)18組實(shí)驗(yàn);

⑤ 井筒條件：井筒總長(zhǎng)18m，其中水平段長(zhǎng)14.5m，垂直高度4.5m。

圖3 泵注反循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)裝置物實(shí)物圖

3.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

① 最低排量與巖屑粒徑的關(guān)系

巖屑上返的最低排量與粒徑的關(guān)系如圖5所示，從圖中可以看出，巖屑上返的最低排量與巖屑粒徑幾乎成正比，用二次多項(xiàng)式擬合更精確。在實(shí)驗(yàn)中，透過(guò)有機(jī)玻璃井筒(鉆頭與模擬鉆柱之間接有一根1m長(zhǎng)的透明管)可以觀察到：巖屑進(jìn)入鉆頭水眼和在模擬鉆柱內(nèi)水平段運(yùn)移所需的最低排量明顯低于巖屑返出井筒的最低排量，表明反循環(huán)時(shí)，水平段巖屑運(yùn)移比較容易，對(duì)大斜度井、大位移井的井眼凈化有利。

圖4 實(shí)驗(yàn)中的部分照片

表1 不同粒徑巖屑最低排量和循環(huán)壓耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

水平井段巖屑運(yùn)移可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：正循環(huán)時(shí)水平段巖屑容易在井筒下邊堆積形成巖屑床，攜巖相對(duì)困難。

圖5 巖屑最低排量與巖屑粒徑的關(guān)系圖

② 循環(huán)壓耗與巖屑粒徑的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中循環(huán)壓耗的模擬實(shí)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)量泵入端、鉆頭底部和返出端的壓力進(jìn)行分析，因所需泵壓太低，泥漿泵的泵壓表指針幾乎沒(méi)有變化，因此將泵入端測(cè)量的壓力視為泵壓。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，隨著巖屑粒徑的增加，泵壓也相應(yīng)增加，表明循環(huán)壓耗也相應(yīng)增加。

圖6 循環(huán)壓耗與巖屑粒徑的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)循環(huán)前后壓力的變化可以看出：鉆井液不循環(huán)時(shí)，井底壓力與井口壓力相差0～0.43MPa，剛好為垂直井筒的靜水壓力;鉆井液循環(huán)后，井底壓力開(kāi)始下降，循環(huán)穩(wěn)定后，井底壓力與井口壓力相差無(wú)幾。巖屑粒徑大于4目(4.75mm)后，井底壓力與泵壓之差才明顯增大，可能存在一個(gè)臨界巖屑粒徑，它對(duì)循環(huán)壓耗影響較大。臨界巖屑粒徑在不同的井筒條件和鉆井液性能條件下可能不同，需要進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)巖屑粒徑為2.5目(9.50mm)時(shí)，最低排量2.104L/s，對(duì)應(yīng)的上返流速為0.774m/s。實(shí)際反循環(huán)鉆井中，當(dāng)井筒直徑為215.9mm、鉆桿外徑為127mm、鉆桿內(nèi)徑為108mm、鉆桿不旋轉(zhuǎn)時(shí)，同樣粒徑的巖屑所需的理論最低排量為6.82L/s，對(duì)應(yīng)正循環(huán)鉆井需要的理論最低排量為17.68L/s(是反循環(huán)排量的2.59倍)。

4 結(jié)論

(1) 實(shí)驗(yàn)觀察表明：巖屑進(jìn)入鉆頭水眼和在模擬鉆柱內(nèi)水平段運(yùn)移所需的最低排量明顯低于其返出井筒所需的最低排量，表明泵注反循環(huán)時(shí)，水平段巖屑運(yùn)移比較容易，而在彎曲段和直井段運(yùn)移相對(duì)困難。

(2) 巖屑粒徑是影響泵注反循環(huán)巖屑運(yùn)移的重要因素，巖屑上返所需的最低排量隨粒徑的增大呈現(xiàn)非線性增加的規(guī)律;同等粒徑的巖屑反循環(huán)時(shí)上返所需最低排量比正循環(huán)所需的最低排量小很多,反循環(huán)有利于巖屑的運(yùn)移。

(3) 泵注反循環(huán)時(shí)，循環(huán)壓耗隨巖屑粒徑的增大呈現(xiàn)非線性增加的規(guī)律，當(dāng)粒徑增加到一定程度，循環(huán)壓耗增幅加大。

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[附中文參考文獻(xiàn)]

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An Experiment for the Effect of Cutting Diameter on the Minimum Pump Rate in Pump-injected Reverse Circulation Drilling

ZHOU Jin-hui,ZHANG Yong,GAO De-li,PU Shi-xiong,WANG Rui-bo,WEI Bang-wei

(MOEKeyLabofPetroleumEngineering.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249)

This paper presents the basic principles and characteristics of the reverse circulation drilling technology with pump-injected reverse circulation.Using the simulation experiment device of cutting transportation in this drilling,with clean water as the circulation medium,we have carried out tests of the minimum pump rates (velocity of fluid) for six kinds of cuttings with different particle diameters.Then we studied the regulations of changes of the minimum pump rates and circulation pressure loss with the particle diameters of the cuttings.The results show that both the minimum pump rate and circulation pressure loss are nonlinearly increased with the particle diameter of the cutting increase.The circulation pressure loss rises more sharply when the particle diameter of the cuttings is large than 4.75mm,and the minimum pump rate of cuttings transported in the horizontal well section is lower than that transported in the bending well section and vertical well section.The experiments results provide a basis for the application of the pump-injected reverse circulation drilling technology as well as for the hydraulic parameter optimization.

pump-injected reserve circulation,cutting diameter,cutting transportation,minimum pump rate,circulation pressure loss

2014-06-11；

2015-12-08；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目( 51221003)、國(guó)家863主題項(xiàng)目“致密氣藏高效鉆井技術(shù)研究”(2013AA064803)和聯(lián)合基金項(xiàng)目“頁(yè)巖氣鉆探中的井壁穩(wěn)定及高效鉆完井基礎(chǔ)研究”(U1262201)聯(lián)合資助。

周勁輝(1971年-)，男，2002年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，獲博士學(xué)位，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事井下力學(xué)/信息與控制工程理論與實(shí)驗(yàn)研究。E-mail：ezhoujinhui@126.com。

TE242

A

0495-5331(2016)01-0159-06