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無隔水管鉆井U型管效應(yīng)研究

2019-04-25 01:46江文龍樊洪海紀(jì)榮藝馬鴻彥鄭權(quán)寶
鉆采工藝 2019年2期
關(guān)鍵詞:鉆柱型管流性

江文龍, 樊洪海, 紀(jì)榮藝, 馬鴻彥, 鄭權(quán)寶, 彭 興

(1中國石油大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院·北京 2中石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 3中石油塔里木油田分公司 4中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司)

無隔水管鉆井技術(shù)(以下簡稱RMR)適用于海洋深水淺表層鉆井,能夠減小“三淺”地質(zhì)危害[1],且鉆井液由海底泵舉升至鉆井平臺,不直接排到海床,有利于保護(hù)環(huán)境[2-5]。深水淺表層鉆井時,尚未安裝井口、防噴器和隔水管,RMR依靠環(huán)空頂部吸入模塊、海底泵模塊和返回管線將鉆井液舉升至鉆井平臺。該技術(shù)通過控制海底泵入口壓力與海水段靜壓力相當(dāng),模擬雙梯度效應(yīng),在淺表層鉆井時能夠使用加重抑制性鉆井液,維持窄密度窗口地層井筒壓力平衡,能夠及時地發(fā)現(xiàn)并控制淺層氣侵[6-9]。

RMR與傳統(tǒng)鉆井不同,在無鉆柱閥或鉆柱閥失效的情況下接單根或起下鉆會發(fā)生U型管效應(yīng)[10-12]。鉆柱內(nèi)鉆井液靜壓與環(huán)空內(nèi)靜壓不平衡,停泵后鉆井液會在靜壓差驅(qū)動下繼續(xù)流動,鉆井平臺仍有鉆井液返出,此現(xiàn)象即為U型管效應(yīng)。目前,國內(nèi)外對RMR鉆井U型管效應(yīng)的研究還很少。Choe Jonggeun采用流體動平衡方程研究了RMR的U型管效應(yīng)[4]。王顯誠采用歐拉方程推導(dǎo)的計算模型分析了注水泥U型管效應(yīng)[13]。殷志明和李基偉采用了王顯誠的計算模型,研究了雙梯度鉆井的U型管效應(yīng)[12,14]。李基偉針對海底舉升系統(tǒng)U型管效應(yīng),采用可形變控制體的雷諾輸運(yùn)定理,推導(dǎo)了環(huán)空流體的運(yùn)動方程[11]。葛瑞一采用總流的非恒定流伯努利方程研究了RMR的U型管效應(yīng)[15-16],總體上對RMR鉆井U型管效應(yīng)的分析模型還很少,同時已有研究鮮有報道使RMR鉆井零立壓排量概念,因此,對于RMR鉆井U型管效應(yīng)還需進(jìn)一步研究。本文首先推導(dǎo)了零立壓排量計算公式,在平臺泵排量大于零立壓排量的工況下,采用不可壓縮流體一元不穩(wěn)定流總流的能量方程研究了U型管效應(yīng)的流動規(guī)律。

一、零立壓排量

RMR鉆井示意圖見圖1。RMR與傳統(tǒng)鉆井的一個顯著不同之處在于:平臺泵排量較小時,鉆柱內(nèi)會呈現(xiàn)未充滿狀態(tài),立壓表讀數(shù)為0。只有在平臺泵排量較大時,鉆柱內(nèi)才能充滿鉆井液,本文把這種鉆柱剛好充滿鉆井液的臨界狀態(tài)下的平臺泵排量定義為零立壓排量。

圖1 無隔水管鉆井系統(tǒng)U型管流動分析

在平臺泵排量較大保證鉆柱內(nèi)充滿鉆井液的工況下,推導(dǎo)的無隔水管鉆井的立管壓力為:

ps=Δpfd+Δpfa+Δpbit+pinlet-ρmgDw

(1)

其中,pinlet為海水段靜壓,代入式(1)得到:

ps=(Δpfd+Δpfa+Δpbit)-(ρm-ρw)gDw

(2)

式中:ps、Δpfd、Δpfa—分別表示立壓、鉆柱內(nèi)壓耗、環(huán)空壓耗,MPa;ρm、ρw—分別表示鉆井液密度和海水密度,kg/m3;Dw—水深,m。

由于循環(huán)壓耗隨平臺泵排量增大而增大,分析式(2)知存在某個最大排量使得立壓等于零,即零立壓排量,此時鉆井液剛好充滿鉆柱。小于零立壓排量則鉆柱內(nèi)不能充滿鉆井液,鉆井無立壓顯示。只有平臺泵排量大于零立壓排量才能保證RMR鉆井正常進(jìn)行。

二、U型管效應(yīng)計算模型

1. 基本假設(shè)

(1)正常鉆進(jìn)時鉆柱內(nèi)充滿鉆井液。

(2)鉆井液是不可壓縮流體。

(3)鉆柱居中,不考慮偏心效應(yīng)。

(4)無漏失或溢流等復(fù)雜情況發(fā)生。

(5)鉆井泵關(guān)泵瞬間完成且不考慮水擊效應(yīng)。

2. 數(shù)學(xué)模型

當(dāng)平臺泵停泵后,鉆井液會繼續(xù)流動發(fā)生U型管效應(yīng)。U型管效應(yīng)的驅(qū)動力由鉆柱內(nèi)與環(huán)空鉆井液的靜壓差提供。隨著鉆柱內(nèi)液面高度的不斷下降,井口返出排量也在不斷變化,屬于不穩(wěn)定流動。因此,本文采用一元不穩(wěn)定流總流的能量方程來描述U型管效應(yīng)的動態(tài)過程。

不可壓縮流體一元不穩(wěn)定流總流的能量方程為[17]:

(3)

(4)

在等直徑的管路中,斷面面積A為常數(shù),v僅為時間t的函數(shù),則慣性水頭可寫為:

(5)

式中:ρ—流體密度,kg/m3;A—過水?dāng)嗝?,m2;v、v1、v2—流速,m/s;a—加速度,m2/s;z—總流斷面的平均高程,m;z1、z2—位置水頭,m;p、p1、p2—總流斷面的平均壓強(qiáng),Pa;γ—重度,N/m3;hw—損失水頭,m;hi—慣性水頭,m;g—重力加速度,m/s2;s—?dú)W拉變量,空間點(diǎn)位置,m;t—?dú)W拉變量,時間,s。

式(4)表示的能量方程分析RMR鉆井的U型管效應(yīng)。求解該數(shù)學(xué)模型首先需要確定任意時刻的損失水頭hw,再以海底為基準(zhǔn)面,計算出慣性水頭hi,從而可得到流動系統(tǒng)的加速度。任一時刻,不可壓縮流體流動體積流量Q沿流道保持不變,結(jié)合式(6)和式(7)可求得不同流道的加速度。

(6)

Aiai=Ajaj

(7)

式中:hfp、hfa—鉆柱內(nèi)和環(huán)空段慣性水頭,m;Δpbit—鉆頭壓降,Pa;Li—不同流道的鉆井液占據(jù)長度,m;ai、aj—不同流道的流動加速度,m2/s;Ai、Aj—不同流道面積,m2。

式(6)中損失水頭的計算需要確定任一時刻循環(huán)系統(tǒng)的壓耗,即鉆柱內(nèi)外壓耗和鉆頭壓降,計算方法見[18]。

U型管效應(yīng)的初始條件為鉆井時平臺泵排量,終止條件為海水段鉆桿內(nèi)鉆井液柱高度產(chǎn)生的靜壓等于海底舉升泵入口壓力,此時達(dá)到了最大下降高度,可用式(8)表示:

(8)

三、算例分析

本文模擬計算RMR鉆井U型管效應(yīng)的基本參數(shù)為:鉆井液密度為1.75 g/cm3,鉆井液為冪律流體,稠度系數(shù)為0.756 5 Pa·sn,流性指數(shù)為0.588 5,海水密度為1.03 g/cm3,水深為3 000 m,井深為8 000 m,套管下深為7 700 m,鉆鋌長度為91 m,鉆鋌尺寸為?177.8 mm×76.2 mm,鉆桿尺寸為?127 mm×108.6 mm,裸眼井徑為222.25 mm,回流管線內(nèi)徑為152.4 mm,鉆頭有3個噴嘴,直徑均為18 mm,井斜角為0°,鉆井液停泵前排量為35 L/s。

1. 流動規(guī)律

圖2是U型管效應(yīng)返出流量變化曲線。由圖2可知,在停泵后第4 s返出流量快速地下降到27.61 L/s,即零立壓排量。隨后返出流量近似線性下降,經(jīng)過紊流向?qū)恿鬟^渡后,返出流量近似以指數(shù)形式下降,最后停止流動,整個U型管效應(yīng)持續(xù)總時間約為38 min。

圖2 U型管效應(yīng)返出流量變化曲線

圖3是鉆桿內(nèi)液面下降及泥漿池增量曲線。由圖3可知,整個過程中液面總下降高度為1 216.7 m。鉆桿內(nèi)液面在前25 min下降較快,下降了1 195.2 m。相應(yīng)地,泥漿池增量在前25 min增加較快,至U型管效應(yīng)結(jié)束泥漿池增量為11.3 m3。

圖3 鉆桿內(nèi)液面下降高度及泥漿池增量變化情況

圖4是停泵后井底壓力變化曲線。經(jīng)計算正常鉆進(jìn)時的井底壓力是118.88 MPa,由圖4可知,停泵后井底壓力瞬間減小,然后快速增加,在第6 s達(dá)到最大,但仍小于鉆進(jìn)時的井底壓力。隨后井底壓力不斷平穩(wěn)下降,與返出流量變化趨勢類似。井底壓力在停泵后瞬間相較于正常鉆進(jìn)時減少了1.62 MPa,然后迅速增加,隨后逐漸減少,U型管效應(yīng)結(jié)束時井底壓力為最低值116.23 MPa,比正常鉆進(jìn)時減少了2.65 MPa。

圖4 井底壓力變化情況

2. 參數(shù)分析

2.1 持續(xù)時間

對平臺泵排量、噴嘴直徑和鉆井液物性參數(shù)(密度、稠度系數(shù)K和流性指數(shù)n)這5個參數(shù)的敏感性分析表明,顯著影響U型管效應(yīng)持續(xù)時間的參數(shù)有K和n,由圖5、圖6可知,U型管效應(yīng)持續(xù)時間都隨n和K的增大而增加。因此,可通過減小冪律流體的流性指數(shù)和稠度系數(shù)減小U型管效應(yīng)的持續(xù)時間。

圖5 流性指數(shù)對持續(xù)時間影響曲線

圖6 稠度系數(shù)對持續(xù)時間影響曲線

2.2 井底壓力變化

同樣對以上5個參數(shù)的敏感性分析表明,顯著影響U型管效應(yīng)井底壓力變化的參數(shù)有排量和n。不同排量和n對井底壓力的影響規(guī)律相同,都隨排量和n的增大而增加初始壓差和終止壓差,如圖7、圖8。由圖8為例,井底壓力隨流性指數(shù)的增大而增大,且終止壓差始終大于初始壓差。

圖7 排量對井底壓力變化影響曲線

圖8 流性指數(shù)對井底壓力變化影響曲線

四、結(jié)論

(1)存在零立壓排量。當(dāng)平臺泵排量大于零立壓排量,則U型管效應(yīng)發(fā)生時返出流量都迅速下降到零立壓排量。

(2)顯著影響U型管效應(yīng)持續(xù)時間的因素是鉆井液稠度系數(shù)和流性指數(shù),且都隨它們增大而增加持續(xù)時間。RMR鉆井應(yīng)適當(dāng)減小這兩個參數(shù),減少U型管效應(yīng)持續(xù)時間,從而減小非生產(chǎn)作業(yè)時間。

(3)井底壓力變化規(guī)律是:停泵后瞬間井底壓力減少初始壓差,接著快速增加,但最大值不會達(dá)到鉆進(jìn)時的井底壓力,隨后井底壓力不斷降低。顯著影響井底壓力的因素是排量和流性指數(shù),且都隨它們增大而增大井底壓力,因此,需適當(dāng)減小平臺泵排量和流性指數(shù)。

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