ZM－2鉆井液密度調節(jié)混合裝置的研制與應用

雷宗明 榮準 孔松濤

重慶科技學院石油與天然氣工程學院

與陸地和淺水鉆井相比，深水鉆井有著更為復雜的海況條件，面臨著更多的難題，主要表現在泥線不穩(wěn)固、淺層地質災害、窄密度窗口問題和氣體水合物的危害等幾個方面，增加了鉆井作業(yè)的風險和成本。

為了控制淺層水流（Shallow Water Flow，SWF）等危害，需要利用動態(tài)壓井系統(tǒng)來實現鉆井液密度的快速轉變，來調節(jié)環(huán)空鉆井液當量循環(huán)密度，從而精確控制井眼環(huán)空壓力。鉆井液密度混合裝置是動態(tài)壓井鉆井技術的關鍵裝備，它的工作原理與固井作業(yè)中的自動混漿原理相似，根據作業(yè)需要，可隨時將預先配置好的重漿與正常鉆進時的低密度鉆井液或海水，通過混漿裝置快速調節(jié)到壓井液所需的密度，實現連續(xù)不斷地向井內泵送鉆井液。從而能夠有效地控制地層流體進入井筒，減少井涌、井漏等鉆井復雜情況，提高鉆井效率和鉆井安全性，真正意義上實現邊作業(yè)邊加重的動態(tài)壓井鉆井作業(yè)［1－4］。

1 ZM－2鉆井液密度調節(jié)混合裝置的工作原理及特點

1.1 工作原理

ZM－2鉆井液密度調節(jié)混合裝置有海水和重漿兩個入口，當需要進行壓井作業(yè)時，可以通過入口處的節(jié)流閥來分別調節(jié)海水和重漿的排量。通過不同分支管路，經電磁流量計測得所需參數后，海水和重漿經過啞鈴狀噴嘴噴射進入混合器內，在一定的剪切混合作用下，保證出口處的壓井液達到良好的混合效果［5］。出口管路可直接供泥漿泵向井內連續(xù)泵送壓井液，代替常規(guī)的海水鉆進和重漿替入的方法。

在鉆進作業(yè)期間，通過監(jiān)測到的地層壓力，便可及時調節(jié)入口處節(jié)流閥的開度來改變海水和重漿的排量，該裝置出口處就可泵送出所需要的壓井液，使得井眼壓力保持在地層空隙壓力和破裂壓力之間［6］。基本工藝流程如圖1所示。

圖1 ZM－2鉆井液密度調節(jié)混合裝置工藝流程圖

在進行動態(tài)壓井鉆井時，井內的壓井液流動循環(huán)摩阻力加液柱壓力應略大于地層孔隙壓力而小于地層破裂壓力。當鉆遇淺層流時，壓井液要按照預測時計算好的密度與排量迅速泵入環(huán)空進行壓井。

根據海上鉆井的特殊條件，壓井液密度應該由淺層流地層壓力、地層破裂壓力及井筒循環(huán)摩阻等因素動態(tài)確定。重漿與海水的混配比用如下公式進行計算。

式中ρ0為重漿密度，g／cm3；ρ1為動態(tài)壓井鉆井時的鉆井液密度，g／cm3；ρsw為海水密度，g／cm3；Q 為所需壓井液排量，L／s；Q1為重漿排量，L／s；Q2為海水排量，L／s。

在所需壓井液排量已知的情況下，由上式即可得到需要重漿的排量以及海水排量。最終壓井液的最小排量應滿足攜巖要求，最大排量應滿足井壁穩(wěn)定性條件，且不能壓漏薄弱地層［5－6］。

1.2 結構組成

ZM－2鉆井液密度調節(jié)混合裝置主要由連接管路、節(jié)流閥、高精度電磁流量計、混合器、啞鈴狀噴嘴等組成，其作用是實現鉆井液密度的快速轉變。ZM－2鉆井液密度調節(jié)混合裝置包括一管狀的混合器，其周向分別通過一接口連接一重漿入口和一海水入口，另一端設置有混合液出口，兩接口的中心分別通過一喉部安裝一橫截面呈啞鈴狀并相互錯開90°的噴嘴；兩接口的軸線重合，且噴嘴射流方向與混合器本體的軸線方向垂直［7－8］?；旌掀髦行妮S一端還預留了一添加劑入口，需要時可進行海水、重漿及添加劑的三相混合。

1.3 混合機理

為了使進入混合器中三相流體混合均勻，針對鉆井液混合器，考慮黏度基漿的流動形態(tài)，可能跨越層流、過渡區(qū)和湍流各種流態(tài)，由此，必須在混合器內對層流、湍流的混合機理都要考慮，即層流時的“分割—重置移動—重新匯合”的三要素對流體進行有規(guī)則而反復的作用，以達到混合。湍流時除考慮以上三要素外，由于流體在流動的斷面方向產生劇烈的渦流，有很強的剪切力作用于流體，使流體的微細部分進一步被分割而進行混合［9－11］。

本裝置采用橫截面呈啞鈴狀的噴嘴，通過從兩噴嘴噴出的兩組高速低壓流體相互錯開，并在混合裝置本體的低速區(qū)域產生剪切混合，噴口周邊會產生劇烈的渦流，完全符合湍流的流動特征，因此可選用三維N－S方程作為控制方程，并選擇標準k－ε兩方程湍流模型建立封閉的控制方程組。即

其中k、ε、ν、ρ、μ、p和珝f分別為湍動能、湍流耗散率、速度、密度、湍流黏性系數、壓力和單位質量力，Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，σε＝1.3，σk＝1.0，Cμ＝0.09。通過有限體積法求解不同密度不可壓縮流動的三維N－S方程組，并運用數值模擬的方法以研究其混合機理［12］。

1.4 主要技術特點

1）ZM－2鉆井液密度混合裝置采用對沖方式來混合，并在連接混合器本體的入口喉部安裝一橫截面呈啞鈴狀且相互錯開90°的噴嘴，使得混合組分的粒度減小，混合精度更高。

2）混合器中心軸一端預留了一個添加劑入口，可進行海水、重漿及添加劑的三相混合，能夠快速得到壓井液的密度及流變性能，并連續(xù)向井內泵送鉆井液，使壓井液密度處于地層壓力和破裂壓力之間。

3）ZM－2鉆井液密度混合裝置不僅體積小，安裝方便，而且能夠實現大排量、高精度的混合，最大排量可達80L／s，流出混合器混合腔后0.3m左右，混合組分密度差異可以控制在0.05g／cm3。

2 流場數值模擬分析

鉆井液密度混合器內流體流動復雜多變，進行現場試驗研究具有較大的難度，成本太高。利用流體力學軟件可以比較精確地模擬出混合器內的三維紊流黏性流動的流場，從而解決實際問題。

2.1 兩相流動模擬

通過混合器周向兩入口，分別連續(xù)不斷地泵入重漿及海水，觀察其混合后的密度分布規(guī)律。

模擬兩噴嘴接口的軸線在所述混合裝置本體的截面位置上相互錯開90°，且噴嘴射流方向與所述混合裝置本體的軸線方向垂直。模擬條件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重漿密度取1.93g／cm3，海水排量取35L／s，重漿排量取15L／s。通過密度分布圖（圖2）可以看出，當兩種不同流速的流體通過噴嘴以180°對噴時，流體相互錯開，并在混合裝置本體的低速區(qū)域產生剪切混合，使得混合組分的粒度減小，混合地更加均勻。

圖2 密度分布云圖

模擬的混合器總長為1 000mm，混合液在混合器中不同位置的密度變化圖（圖3）可以發(fā)現，混合液流出混合器混合腔后300mm左右時，密度趨于平穩(wěn)，混合組分密度差異可以控制在0.05g／cm3以內。分析認為，此種設計方案較為合理。

圖3 混合液的密度變化圖

2.2 三相流動模擬

三相流動模擬時，除了重漿和海水外，在混合器中心軸另一端還增加了一入口，連續(xù)不斷地泵入添加劑。模擬條件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重漿密度取1.93g／cm3，添加劑密度取1.1g／cm3，海水排量取35L／s，重漿排量取15L／s，添加劑排量取8L／s。

通過三相密度分布圖（圖4）可以看出，三相混合與兩相混合差異不大，混合都較為均勻。但從三相密度變化坐標圖（圖5）可以發(fā)現，流出混合器混合腔的流體密度直到1 500mm處才趨于平穩(wěn)，只是混合穩(wěn)定長度比二相混合增加200mm左右，并都在1 600 mm長度內混合完畢。由此可見，本裝置對于三相混合依然有良好的混合效果。

圖4 三相密度分布云圖

圖5 三相密度變化坐標圖

2.3 入口流量對混合效果的影響

模擬條件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重漿密度取1.93g／cm3。當海水和重漿分別以16～70L／s的排量進入混合器入口，通過啞鈴狀噴嘴后，在混合器腔體內充分混合，出口處鉆井液密度均方差如表1所示。

表1 出口處鉆井液密度的均方差表

由表1可知，出口處鉆井液密度的均方差一般都低于2%。在正常工作的情況下，入口排量對混合效果影響不大，完全能夠滿足工程需要。

3 混合裝置調試試驗

3.1 室內試驗

3.1.1 試驗方法

海水和重漿的流量直接影響混合密度，可以通過調節(jié)節(jié)流閥開度，觀察流量計的讀數，進而找到節(jié)流閥開度與混合密度的關系。

3.1.2 試驗結果

開泵，關上一端入口，調節(jié)節(jié)流閥的開度，觀察記錄流量計的瞬時讀數。每30s計1次，記錄累計流量（表2）。

表2 節(jié)流閥開度與流量的關系表

通過試驗可知，流量與節(jié)流閥的開度成正比，而且隨著節(jié)流閥開度的增加，流量增加的速度逐漸減小。在實際操作中，可調節(jié)海水與重漿入口節(jié)流閥的開度，進而控制出口處鉆井液的混合密度，實現動態(tài)壓井鉆井的目的。

3.2 現場試驗

為了驗證ZM－2鉆井液密度調節(jié)混合裝置的功能、穩(wěn)定性和可靠性，在“南海八號”鉆井船上進行了相關測試，結果表明，該裝置能快速、精確地調節(jié)到所需鉆井液密度，性能穩(wěn)定、可靠。

3.2.1 測試過程

提前配制好40m3密度為1.30g／cm3的鉆井液，然后用編輯好的公式計算出計劃測試排量內重漿和稀釋液各自需要的排量。排空5號池鉆井液并用海水沖洗干凈，按照計算結果，去調試動態(tài)壓井設備海水和重漿排量，混合到5號池攪拌器面之上（混合過程里儲備液池攪拌器保持開啟），不需時間等待攪拌，直接取5號池鉆井液樣測量，間隔幾分鐘后再取樣測量，得出實際測量值。

3.2.2 測試結果

通過測試數據可知，該裝置混合效果良好，混合密度誤差低于1%（表3），且壓井液密度與重漿流量呈線性關系（圖6、7）。在已知稀釋液密度和重漿密度的情況下，可通過調節(jié)重漿和稀釋液的流量來得到需要的壓井液密度。

表3 動態(tài)壓井重漿混合測試數據表

圖6 壓井液密度對比曲線圖

圖7 壓井液密度與重漿流量的關系曲線圖

4 結論

通過對鉆井液密度調節(jié)混合裝置的研究，得到以下幾點結論：

1）ZM－2鉆井液密度混合裝置能夠快速、有效地混合鉆井液，精確控制井筒內液柱壓力，從而避免了在壓井過程中，由于薄弱地層受力過大而使井眼垮塌。因此對于安全窗口比較窄的地層，壓井操作更加安全。

2）通過流場數值模擬及現場試驗可以發(fā)現，在流出混合器混合腔約0.3m的距離時，混合組分密度差異可以控制在0.05g／cm3，精度較高，能夠滿足施工要求。

3）根據隨鉆地層壓力監(jiān)測所得到的實測地層壓力，實時計算所需的鉆井液密度，泥漿泵排量。然后調節(jié)配漿池中的配漿量和配漿密度，以及控制注入鉆井液的時間等，來實現動態(tài)壓井。

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