泡沫鉆井與井筒多相流動試驗(yàn)裝置研制

劉宗恩，韓兵奇，高旺熙

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠，山東東營257061）

試驗(yàn)研究

泡沫鉆井與井筒多相流動試驗(yàn)裝置研制

劉宗恩，韓兵奇，高旺熙

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠，山東東營257061）

泡沫鉆井在欠平衡鉆井工藝中占有重要地位，能解決低壓、低滲、易漏地層的鉆井難題。研制了泡沫鉆井與井筒多相流動試驗(yàn)裝置，該裝置由井筒模擬系統(tǒng)、起升裝置、供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等組成。模擬井筒采用透明有機(jī)玻璃材料，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程可視化。對裝置流體進(jìn)行實(shí)時壓力、流量檢測，進(jìn)行泡沫鉆井試驗(yàn)定性和定量分析。試驗(yàn)表明，該裝置能清晰觀察泡沫攜帶鉆屑及鉆鋌處流體對井壁的沖蝕過程，實(shí)時檢測鉆井液的黏度、流速、密度、剪切力等參數(shù)，定量分析鉆井液對鉆進(jìn)過程的影響特性。

泡沫鉆井；多相流；試驗(yàn)裝置

泡沫鉆井液具有密度低、黏度大、攜砂能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效解決低壓、低滲、易漏地層的鉆井難題，減少鉆井液對地層的傷害，提高油氣井采收率，在欠平衡鉆井工藝中占有重要地位。目前，我國對泡沫鉆井液技術(shù)研究仍不充分，在現(xiàn)場應(yīng)用中暴露出諸多技術(shù)問題［1］。鑒于此，研制了泡沫鉆井與井筒多相流動試驗(yàn)裝置。

1　結(jié)構(gòu)

泡沫鉆井與井筒多相流動試驗(yàn)裝置主要由井筒模擬系統(tǒng)、起升裝置、供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等組成（如圖1）。

圖1　泡沫鉆井與井筒多相流試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成

1.1井筒模擬系統(tǒng)

井筒模擬系統(tǒng)由支架、有機(jī)玻璃井筒、模擬鉆桿、模擬鉆鋌、密封套、聯(lián)接法蘭、液體沖蝕巖心測試組件、井底液體補(bǔ)充組件、加砂系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)、起升系統(tǒng)等組成［2-5］（如圖2）。

圖2　井筒模擬系統(tǒng)

為有效模擬各種工況，井筒及模擬鉆桿由3部分組成，即水平段、彎曲段、垂直段，其中彎曲段和垂直段安裝在一個垂直框架內(nèi)，水平段安裝在一個獨(dú)立的框架上。根據(jù)試驗(yàn)需要，兩部分可組合在一起，也可單獨(dú)使用水平段，在起升系統(tǒng)的控制下進(jìn)行水平井、垂直井及斜井試驗(yàn)。

水平段井筒由3段透明有機(jī)玻璃井筒通過法蘭連接而成，與起升系統(tǒng)配合使用，可調(diào)節(jié)井筒與地面的傾斜角度，進(jìn)行各角度定向井試驗(yàn)。其配備有鉆桿旋轉(zhuǎn)裝置，可直觀觀察旋轉(zhuǎn)鉆桿、鉆頭擾動作用下巖屑的運(yùn)動情況。

水平段井筒的末節(jié)法蘭處設(shè)有液體沖蝕巖心測試組件，可安裝不同種類的巖心，以測試鉆鋌處的流體對井壁的沖蝕作用。

在水平段井筒末端設(shè)有井底液體補(bǔ)充組件，其與井筒組成射流結(jié)構(gòu)，以向井底補(bǔ)充氣體或液體等流體，模擬鉆井過程中地層的出液情況，通過更改鉆井液與地層產(chǎn)液、產(chǎn)氣的壓力關(guān)系，模擬井漏、井噴等各種鉆進(jìn)事故。

加砂系統(tǒng)用于模擬鉆井液攜帶鉆屑的效果，以電機(jī)帶動螺旋推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)巖屑的連續(xù)帶壓輸送，輸送速度可以設(shè)定并有數(shù)字顯示。

1.2起升裝置

起升裝置主要由液壓堆高車、水平井起升定位組件等組成。水平井的出入口端的起升輪軸裝入起升定位組件并確保聯(lián)接可靠，起升液壓堆高車的叉腳，水平井的出入口端可沿液壓堆高車導(dǎo)軌上升，井筒傾斜，按試驗(yàn)要求進(jìn)行各種角度的斜井試驗(yàn)。當(dāng)水平井完全直立后，即可進(jìn)行垂直井試驗(yàn)。

1.3供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)主要由螺桿式空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、減壓器、單向閥及相應(yīng)的管線流程等組成，為氣體鉆井或泡沫鉆井的泡沫提供氣體，通過減壓器可調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)氣體的流量及壓力。

1.4供液系統(tǒng)

供液系統(tǒng)主要由水箱、多級離心泵、過濾水箱及相應(yīng)的管線流程等組成，為泡沫鉆井所需的泡沫提供水基，并可模擬鉆井過程中地層的出液。

1.5采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)由壓力傳感器、氣體渦輪流量傳感器、液體渦輪流量傳感器、采集板卡、計(jì)算機(jī)等組成，將系統(tǒng)的壓力、氣體流量、液體流量等傳送給計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理和顯示。

2　工作原理

供液系統(tǒng)提供的水（可添加起泡劑，若無水則可視為空氣鉆井）與供氣系統(tǒng)提供的氣混合，由鉆桿送達(dá)井底，攜帶由加砂系統(tǒng)加入的巖屑（包含地層出液或氣侵氣）經(jīng)環(huán)空返回地面。在井底單獨(dú)注入水可模擬溢流、井涌等復(fù)雜鉆井工況；單獨(dú)注入氣體可模擬氣侵；水、氣單獨(dú)或一起加入的量較大時可模擬井噴。在井底設(shè)有液體沖蝕巖心測試組件，可安裝不同種類的巖心，以測試鉆鋌處的流體對井壁的沖蝕作用。

3　主要技術(shù)參數(shù)

3.1透明有機(jī)玻璃井筒

工作壓力0.8 MPa

工作溫度室溫

井筒尺寸內(nèi)徑65 mm，壁厚10 mm，長度3 m

配套不銹鋼模擬鉆桿

內(nèi)徑20 mm，壁厚3.5 mm，長度3 m

3.2螺桿式空壓機(jī)

排量2 m3／min

最高壓力0.8 MPa

功率15 k W

4　創(chuàng)新點(diǎn)

1） 使用軟彈性材料制成彎曲段鉆桿，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)室內(nèi)鉆桿彎曲段旋轉(zhuǎn)可視化，可直接觀察有無鉆桿擾動情況下彎曲段鉆屑的分布及運(yùn)移情況。

2） 井筒透明，可直觀觀察巖屑在井筒內(nèi)的運(yùn)移情況。

3） 配合攝像記錄設(shè)備，可定性定量的進(jìn)行巖屑在不同井斜角下的運(yùn)移機(jī)理，巖屑顆粒的啟動機(jī)理——巖屑顆粒是以滾動起動為主，還是以上升起動為主。

4） 可直觀模擬井漏、氣侵、井噴等各種鉆井事故。

5） 通過安裝不同種類的巖心，可測試鉆鋌處的流體對井壁的沖蝕作用。

5　結(jié)論

1） 試驗(yàn)表明，該裝置能清晰觀察鉆屑在井筒內(nèi)的分布及由井底到地面的上升過程，充分展示泡沫攜帶巖屑的能力，并通過各傳感器實(shí)時檢測鉆井液的黏度、流速、密度、剪切力等參數(shù)，定量的分析鉆井液特性對巖屑攜帶能力的影響。

2） 在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，鉆桿對環(huán)空鉆屑的擾動與鉆桿靜止時的泡沫攜帶鉆屑形成鮮明對比。

3） 通過更換井底巖心，透過有機(jī)玻璃井筒能清晰觀察鉆鋌處流體對井壁的沖蝕作用，并能通過計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，定量分析巖性影響。

4） 通過改變通入水量和氣量的大小，觀察溢流、井涌、井漏、井噴等事故的形成過程，分析其原因。

［1］平立秋，汪志明，魏建光.欠平衡鉆井多相流模型評價分析［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（1）：75-78.

［2］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2000.

［3］劉希圣.鉆井工藝原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1981.

［4］代鋒，孫凱，厲爽，等.欠平衡鉆井井筒多相流技術(shù)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（1）：5-8.

［5］劉偉，李麗.通南巴深井優(yōu)快鉆井技術(shù)［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（9）：78-82.

Development of Experimental Unit about Foam Drilling and Multiphase Flowing in Well

LIU Zonen，HAN Bingqi，GAOWangxi
（Mechanical&Electrical Plant Factory，China University of Petroleum（Huadong），Dongying 257061，China）

It is important for foam drilling to drill in drilling technology，and it can solve problems such as drilling in low-pressure，low permeability，leaky layer，and it must be researched deeply. Therefore，an experimental unit about foam drilling and multiphase flowing in well was devel-oped.It is made up of simulation wellbore system，hoisting units，liquid system，gas system，data acquisition system，etc.The transparent Polymethyl methacrylate was used in simulation well-bore，and visualization was achieved.The pressure and flow discharge of the fluid in units was mo-nitored in line，and the qualitative and quantitative analysis was achieved.Tests showed that it was clearly to see the course of the foam drilling fluid carrying cuttings and the fluid eroding well-bore in drill collar，and the parameters of the drilling fluid had been monitored in line，such as vis-cosity，flow rate，density，shearing force，etc.and could analysis the performance of drilling fluid influencing on drilling quantitatively.

foam drilling；multiphase flowing；testing equipment

TE92

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.11.013

1001-3482（2015）11-0056-03

2015-05-04

劉宗恩（1972-），男，山東萊陽人，高級工程師，碩士，現(xiàn)從事石油機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)研究工作，E-mail：13854690363＠163.com。