基于氣體鉆井的反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器教學(xué)裝置研制

黃 勇， 朱麗紅， 鄒德永， 王京印

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

基于氣體鉆井的反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器教學(xué)裝置研制

黃 勇， 朱麗紅， 鄒德永， 王京印

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

反循環(huán)鉆井過程中，壓縮氣體沿雙壁鉆桿環(huán)狀間隙進(jìn)入井底，在井底借助反循環(huán)鉆頭抽吸作用形成反循環(huán)流場，而后攜帶巖屑沿中心通道上返至地面。根據(jù)氣體反循環(huán)鉆井工作原理和鉆井工具結(jié)構(gòu)特征，研制了氣體反循環(huán)鉆井井底流場模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該型實(shí)驗(yàn)裝置能夠模擬反循環(huán)鉆井中井底流體的運(yùn)動(dòng)過程，并能對井底反循環(huán)效果進(jìn)行驗(yàn)證和評價(jià)。反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器教學(xué)裝置的研制完善了氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生們深入研究反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)的興趣。

氣體鉆井； 反循環(huán)； 實(shí)驗(yàn)器； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

隨著勘探的不斷深入，常規(guī)石油天然氣資源增儲(chǔ)增產(chǎn)難度越來越大，非常規(guī)油氣資源的戰(zhàn)略地位日趨重要[1-3]。與此同時(shí)，對油氣勘探技術(shù)的要求也不斷提高，新工藝正在沖擊和淘汰著傳統(tǒng)工藝[4-7]。特別是在非常規(guī)油氣資源鉆探中，氣體反循環(huán)鉆井工藝有取代正循環(huán)鉆井工藝之趨勢[8-9]。氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)具有鉆井效率高、注氣量小、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，其在煤層氣、頁巖油氣等非常規(guī)油氣鉆探中具有廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景[10-13]。

氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)利用壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)，通過雙壁鉆桿建立一套與正循環(huán)方式相反的封閉循環(huán)系統(tǒng)[14-15]。反循環(huán)鉆井過程中，壓縮氣體沿雙壁鉆桿環(huán)狀間隙進(jìn)入井底，在井底借助反循環(huán)鉆頭抽吸形成反循環(huán)流場，而后攜帶巖屑沿中心通道上返地面。氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)的核心是促使井底形成反循環(huán)流場。目前主要借助于Fluent軟件通過數(shù)值模擬向?qū)W生們演示反循環(huán)井底流場過程，直觀性不如實(shí)驗(yàn)方法好，較抽象。因此，本文研制一種反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器，用于完善氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反循環(huán)井底流場主要由反循環(huán)鉆頭、雙臂鉆桿、井壁、孔底四部分組成。井底氣體流量的變化能夠直接反映反循環(huán)效果，因此,根據(jù)井底氣體流量分配進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1所示。系統(tǒng)主要包括：空壓機(jī)、排屑管、反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器及傳感器等?；驹硎牵嚎諌簷C(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣沿供氣管路進(jìn)入反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器，先沿內(nèi)、外管的環(huán)狀間隙到達(dá)旋流發(fā)生器，再經(jīng)旋流發(fā)生器上的旋噴孔產(chǎn)生強(qiáng)烈的抽吸作用，根據(jù)抽吸能力確定攜屑量，實(shí)現(xiàn)井底反循環(huán)流場，最后沿內(nèi)管的內(nèi)壁即中心通道排出。記錄壓力表、流量計(jì)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。抽吸能力越強(qiáng)，外環(huán)空上流量計(jì)和壓力表的讀數(shù)越小，說明井底流場反循環(huán)效果好。而抽吸能力的強(qiáng)弱可通過中心通道上的壓力表讀數(shù)來判斷。

圖1 反循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

(1) 空壓機(jī)及供氣管路。實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為2VFC-6/8電固風(fēng)冷式空氣壓縮機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)包括：鉆速980 r/min,排氣壓力0.80 MPa,容積流量6 m3/min,軸功率37 kW。

(2) 壓力表和流量計(jì)。氣體流量與壓力是氣體反循環(huán)鉆井井底流場的2個(gè)主要參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)裝置中采用浮子流量計(jì)測量氣體流量，采用彈性式壓力表測量氣體壓力。

(3) 反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器。反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心，如圖2所示，主要包括進(jìn)氣組件、鉆頭組件、環(huán)空組件和排氣組件。實(shí)驗(yàn)時(shí)，高壓氣體經(jīng)進(jìn)氣接頭進(jìn)入反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器，經(jīng)進(jìn)氣座、導(dǎo)流板、內(nèi)與外管間隙進(jìn)入鉆頭組件。氣體經(jīng)過流孔進(jìn)入旋流發(fā)生器，由旋噴孔噴出形成旋流，旋流沿內(nèi)管壁面上升最終經(jīng)排氣管排出。受鉆頭組件內(nèi)旋流抽吸作用，外部氣體經(jīng)外缸進(jìn)氣口，再經(jīng)環(huán)空間隙(襯套與鉆頭基體間空隙)進(jìn)入鉆頭組件。

1-排氣接頭，2-壓力表接頭，3-進(jìn)氣座，4-密封圈，5-進(jìn)氣接頭，6-導(dǎo)流板，7-內(nèi)管，8-外管，9-壓蓋，10-過流孔，11-鉆頭基體，12-襯套，13-外缸，14-密封圈，15-底板，16-旋噴孔，17-旋流發(fā)生器，18-外缸出口，19-密封圈

圖2 反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器結(jié)構(gòu)原理圖

反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器中采用的鉆頭模型是根據(jù)旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭原理設(shè)計(jì)的，包括鉆頭基體與旋流發(fā)生器兩部分。鉆頭基體的主要作用：①與襯套內(nèi)壁面配合形成環(huán)狀間隙空間；②將輸入的高壓氣體導(dǎo)入旋流發(fā)生器內(nèi)。

鉆頭基體分為上下兩部分(見圖3)。鉆頭基體上部通過與內(nèi)、外管配合，與實(shí)際鉆井中雙壁鉆桿的環(huán)狀間隙和中心通道相對應(yīng)，將反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器內(nèi)的進(jìn)、排氣通道隔離。鉆頭基體下部腔室用于容納旋流發(fā)生器。壓縮氣體經(jīng)6個(gè)分布在中心孔外側(cè)的縱向小孔進(jìn)入旋流發(fā)生器，形成上升旋流后經(jīng)中心孔進(jìn)入內(nèi)管。

圖3 鉆頭基體

旋流發(fā)生器是反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器的重要部件(見圖4)，其上設(shè)置的旋噴孔是形成井底反循環(huán)流場的核心結(jié)構(gòu)。旋噴孔的數(shù)量直接影響著反循環(huán)效果。旋流發(fā)生器上部開有環(huán)槽，與鉆頭基體上的縱向小孔配合，不需要調(diào)整角度，即可形成進(jìn)氣流道。為與下部旋噴孔相通便于輸送氣相流體，在旋流發(fā)生器軸向設(shè)有3個(gè)直孔，氣流經(jīng)旋噴孔在中心孔內(nèi)形成上升旋流，實(shí)現(xiàn)反循環(huán)井底流場模擬。

襯套(見圖5)是為改造反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器增加的輔助部件，主要作用是模擬井壁。襯套內(nèi)腔與鉆頭組件配合形成外環(huán)空間隙，模擬實(shí)際鉆井中鉆頭與井壁間的外環(huán)空間隙。同時(shí)在襯套上端面開有4個(gè)徑向橫槽，使外環(huán)空與外界大氣形成通路。襯套下端面與鉆頭基體配合，具有一定的高度差，形成底出刃。

內(nèi)管主要用于模擬進(jìn)氣通道和排氣通道，如圖6所示。內(nèi)管的內(nèi)腔與排氣接頭相連，形成反循環(huán)鉆井的排氣通道，即中心通道。內(nèi)管外壁面與進(jìn)氣接頭、外管配合，端面上設(shè)置有密封槽，形成反循環(huán)鉆井的進(jìn)氣通道，即雙壁鉆桿的環(huán)狀間隙。

用底板(見圖7)模擬鉆孔底面，底板通過自身外側(cè)的6個(gè)圓孔固定于實(shí)驗(yàn)器外缸底部，底板中心位置設(shè)有3個(gè)支撐螺釘，用于固定旋流發(fā)生器。

圖5 襯套

圖6 內(nèi)管

圖7 底板

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器與氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)井底結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器的主體結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。用外缸與底板的配合體(圖8(b))模擬實(shí)際鉆孔底面。鉆頭基體與襯套的配合體(圖8(c))模擬井壁與鉆頭之間的環(huán)空間隙。鉆頭基體、旋流發(fā)生器及內(nèi)管的配合體(圖8(d))構(gòu)成旋風(fēng)反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)。襯套與旋流發(fā)生器的位置關(guān)系(圖8(e))用于模擬井壁與鉆頭的位置關(guān)系。組裝反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器，安裝流量計(jì)、壓力計(jì)等測量儀表，反循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。

旋流發(fā)生器的旋噴孔對井底反循環(huán)效果影響顯著，借助反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器可對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的旋噴孔反循環(huán)效果進(jìn)行測試。旋噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)包括: 旋噴孔直徑d、旋噴孔角度θ、旋噴孔高度h，在相同進(jìn)氣流量條件下，監(jiān)測外環(huán)空間隙入口流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，旋流發(fā)生器內(nèi)上升旋流的入射速度、上升角度、距井底的距離對反循環(huán)效果有顯著的影響。

圖8 反循環(huán)實(shí)驗(yàn)器分解圖

圖9 反循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

編號(hào)結(jié)構(gòu)參數(shù)d/mmθ/(°)h/mm流量/(m3·h-1)134040167235050148336060126455060156556040129654050179754060102876050159974060137

4 結(jié) 語

根據(jù)氣體反循環(huán)鉆井工作原理和鉆井工具結(jié)構(gòu)特征，研制的氣體反循環(huán)鉆井井底流場模擬實(shí)驗(yàn)裝置可以有效地模擬反循環(huán)鉆井中井底流體的運(yùn)動(dòng)過程，通過流場特征參數(shù)的檢測對井底反循環(huán)效果進(jìn)行評價(jià)，并可進(jìn)一步優(yōu)化反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)。反循環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置使學(xué)生們更直觀地觀察到氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程，完善氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)提高學(xué)生深入研究反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)興趣。

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Development of Reverse Circulation Experiment Teaching Device Based on Air Drilling

HUANGYong,ZHULihong,ZOUDeyong,WANGJingyin

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

In the process of reverse circulation drilling, compressed air goes through a reverse circulation experiment device to monitor the flow and pressure parameters. Then it is along the annular gap of the double wall drill pipe into the bottom of the well, through rotary injection hole of the reverse circulation bit, to form the rotating upwelling that has pumping action. Finally, cuttings are carried back to the surface along the center channel. According to the principle of reverse circulation drilling and structure of drilling tools, reverse circulation experiment device was developed. The experimental device can simulate the movement process of drilling fluid in the downhole, and verify and evaluate the effect of reverse circulation. The development of the reverse circulation experiment teaching device improved the experimental teaching of the air reverse circulation drilling technology and could stimulate the interest of the students to study the structure of the reverse circulation drilling tools.

gas drilling; reverse circulation; experiment device; experiment teaching

2016-05-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274235);山東省英才基金項(xiàng)目(ZR2015EM027);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)資質(zhì)(15CX05039A);中國石油大學(xué)(華東)校級(jí)教改項(xiàng)目(JY-B201503、JY-A201602)

黃 勇(1981-)，男，吉林永吉人，博士，講師，主要從事石油工程方面的教學(xué)與研究工作。

Tel.: 18563979479； E-mail: huangyongjlu@163.com

TE 355.3; G 642.423

A

1006-7167(2017)03-0052-03