泵送鉆井巖屑的流動形態(tài)及壓力損失計算研究

劉峰，余涵，王棟森，張羽臣，關(guān)彥磊，劉小年，王超

泵送鉆井巖屑的流動形態(tài)及壓力損失計算研究

劉峰1，余涵1，王棟森1，張羽臣1，關(guān)彥磊2，劉小年2，王超2

（1. 中海石油（中國）有限天津分公司，天津 300452； 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

在渤海海域全面實施零排放的背景下，基于液壓原理的密閉傳輸技術(shù)已成為鉆井巖屑回收的重要方法。分析泵送鉆井巖屑的流動形態(tài)以及準確地計算泵送鉆井巖屑的壓力損失，對于提升鉆井巖屑的輸送效率顯得尤為重要。通過研究泵送鉆井巖屑的流動形態(tài)，借鑒泵送混凝土壓力損失的計算方法，采用3種方法分別計算出泵送鉆井巖屑的全程壓力損失，將其與現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，提出適用于密閉傳輸泵泵送鉆井巖屑壓力損失的計算方法，對鉆井巖屑輸送工藝設(shè)計、管線鋪設(shè)、泵體選型具有一定的指導(dǎo)意義。

密閉傳輸；鉆井巖屑；流動形態(tài)；壓力損失

隨著海洋石油鉆井規(guī)模不斷擴大，鉆完井廢棄物對環(huán)境的影響越來越嚴重，渤海海域已全面實施零排放，在此背景下鉆井廢棄物的回收總量激增，受海洋鉆井平臺空間限制，需要對鉆井廢棄物及時轉(zhuǎn)移和處理[1-2]，當前主要使用的螺旋輸送器存在搭接過長、收集占用空間大和勞動強度大等問題，為保障渤海油田勘探開發(fā)的順利實施，基于液壓原理的密閉傳輸技術(shù)已成為鉆井巖屑回收的重要方法。因此提升鉆井巖屑的可泵性以及輸送效率十分重要，亟需解決的關(guān)鍵問題是如何準確地計算泵送鉆井巖屑的壓力損失[3]。

泵送過程的壓力損失主要包含3部分：鉆井巖屑在水平泵管內(nèi)流動產(chǎn)生的摩擦阻力損失；鉆井巖屑在通過彎管、錐形管、橡膠軟管時產(chǎn)生的阻力損失；鉆井巖屑在垂直管內(nèi)流動的壓力損失[4]。目前針對泵送鉆井巖屑壓力損失的研究較少，鑒于鉆井巖屑的流變性和泵送性與混凝土相似，因此本文借鑒泵送混凝土壓力損失的計算方法展開計算。國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土泵送壓力損失做了許多研究，已經(jīng)形成了相關(guān)技術(shù)規(guī)程和計算方法，常使用的計算方法為《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》計算方法[5-6]。汪東坡和劉拓在《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》的基礎(chǔ)上，考慮了垂直管道內(nèi)的受重力作用的壓力損失，將泵送壓力損失分為水平管、彎頭、垂直管3部分分別計算，最后計算出總壓力損失[7-8]。李悅等利用FLUENT軟件進行混凝土在泵管內(nèi)流動的數(shù)值模擬計算，將混凝土設(shè)為主相為水泥砂漿、次相為粗集料的兩相流，得出混凝土在泵管內(nèi)的沿程壓力分布以及水平直管、彎管的壓力損失[9]。

因此，本文通過研究泵送鉆井巖屑的流動形態(tài)，借鑒泵送混凝土的壓力損失的計算方法，采用3種方法分別計算出泵送鉆井巖屑的全程壓力損失，將其與現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，提出適用于密閉傳輸泵泵送鉆井巖屑壓力損失的計算方法，為密閉傳輸技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 現(xiàn)場泵送鉆井巖屑作業(yè)概況

某海洋平臺泵送鉆井巖屑的管道布置包括水平無縫鋼管50 m，半徑1 m的90°彎頭7個，平臺到工作船的泵送采用的垂直橡膠軟管29 m，工作船上泵送鉆井巖屑的水平橡膠軟管15 m，全程泵管直徑為100 mm，采用密閉傳輸泵進行泵送鉆井巖屑作業(yè)，密閉傳輸泵的流量為30 m3·h-1，即流速=1.06 m·s-1， 現(xiàn)場使用壓力傳感器監(jiān)測泵口處壓力為4.34 MPa。

2 泵送鉆井巖屑的流動形態(tài)

鉆井巖屑一般認為是泥漿與巖屑固體顆粒組成的流固兩相流，由于固體顆粒間的相互作用，流體內(nèi)部質(zhì)點間或流層間因相對運動而產(chǎn)生剪切應(yīng)力，流體黏度和流體性質(zhì)也會發(fā)生變化，呈現(xiàn)出塑性流形態(tài)，鉆井巖屑為非牛頓流體，一般認為屬于賓漢姆流體[10-11]，其流變方程為：

—流體的黏度系數(shù)。

由賓漢姆流變方程可以看出，只有當剪切應(yīng)力大于屈服剪切應(yīng)力時，鉆井巖屑才開始流動，而某一處的剪切應(yīng)力小于或等于屈服剪切應(yīng)力時，則會發(fā)生堵管現(xiàn)象。

圓管內(nèi)鉆井巖屑在壓力作用下的流速分布有如下兩種狀態(tài)：

圖1（a）是巖屑與管壁間作用的剪切應(yīng)力大于附著力，鉆井巖屑因而產(chǎn)生滑移，稱之為有滑移的賓漢姆流體，常見的鉆井巖屑的流動屬于這種流動。其形成原因是泵送壓力與管壁間的附著力共同作用使鉆井巖屑內(nèi)部形成不均勻的剪切力場，剪切力場由圓心處逐漸增大至泵管界面處的最大值，鉆井巖屑內(nèi)的泥漿在壓力作用下擠向外圍，而巖屑顆粒受剪切力作用運移至剪切力較小處，造成管壁處的泥漿量增大形成潤滑層，而泥漿的屈服應(yīng)力小于鉆井巖屑的屈服應(yīng)力，則更有利于泵送，因此在開始泵送作業(yè)之前，可先壓送一定量的泥漿或巖屑沉降后的上層離析漿體，這樣能夠潤滑管壁，大大降低堵管事故的發(fā)生。

圖1（b）代表的是不飽和的固體黏塑性體的流動，當鉆井巖屑的含水較低時，其抗剪強度比剪切應(yīng)力大，巖屑沿管壁像塞子一樣被擠出，其內(nèi)部無相對運動，屬于半固體流動，這時泵送鉆井巖屑所需的泵送壓力較高，不易泵送。

圖1 圓管內(nèi)鉆井巖屑流動狀態(tài)

3 泵送鉆井巖屑壓力損失計算方法

本文采用3種壓力損失計算方法計算上述泵送鉆井巖屑管路的全程壓力損失，通過對比研究得出適用于泵送鉆井巖屑壓力損失的計算方法。

3.1 《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》計算方法

該種方法的原理是將彎管和軟管的長度換算成水平輸送長度，由《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》計算出鉆井巖屑在水平輸送泵管內(nèi)流動時每米產(chǎn)生的壓力損失△H，進而求出鉆井巖屑通過整個泵管內(nèi)的總壓力損失1。泵管水平長度換算如表1所示。

表1 泵管水平長度換算

截止閥和分配閥的壓力損失采用《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》中的數(shù)值。取單個截止閥 Δ3=0.05 MPa，單個分配閥 Δ4=0.2 MPa。

—水平輸送泵管及系統(tǒng)附件的總壓力損失，Mpa；

—泵管半徑，m；

—輸送管水平換算長度，m。

=0.017 8×248.5+2×（0.2+0.05）=4.93 MPa。（6）

3.2 基于《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》的改進方法

該方法是將泵送鉆井巖屑的全程壓力損失劃分為3部分：水平管的壓力損失1、附件壓力損失2、垂直管壓力損失3。

3.2.1 水平管壓力損失

參照《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》計算方法，同時將水平軟管換算成水平管長度，其中為換算后的水平管長度，計算求得：

1=0.017 8×（50+20/6.5×29）=2.48 MPa。（8）

3.2.2 系統(tǒng)附件壓力損失

系統(tǒng)附件壓力損失包括彎管、分配閥、截止閥的壓力損失，按照《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》將彎管換算成水平管，分配閥、截止閥的壓力損失分別為0.2 MPa和0.05 MPa，求得：

2=0.0178×7×9+2×（0.2+0.05）=1.62 MPa。（9）

3.2.3 垂直管壓力損失

在垂直管壓力損失的計算上，海洋平臺泵送鉆井巖屑與泵送混凝土不同，全程不存在向上垂直泵送，在向下垂直泵送時，壓力損失主要包括兩部分，一是管道內(nèi)壁的摩擦損失31，二是鉆屑向下泵送時自身的重力勢能會轉(zhuǎn)變成動能做功32。

31=0.017 8×（20/6.5×15）=0.82 MPa； （10）

32=ρgh=1 600×10×29×10-6=0.46 MPa； （11）

3=31-32=0.82-0.46=0.36 MPa。 （12）

由此可得總壓力損失：

=1+2+3=2.48+1.62+0.36=4.46 MPa。（13）

3.3 基于FLUENT的數(shù)值模擬方法

Fluent數(shù)值模擬流程圖如圖2所示。

圖2 Fluent 數(shù)值模擬流程圖

計算思路是將鉆井巖屑視為主相為泥漿、次相為巖屑顆粒的流固兩相流，采用歐拉多相流模型，湍流模型選用標準的模型，同時考慮重力作用。主要計算步驟：建立模型→劃分網(wǎng)格→模型導(dǎo)入Fluent設(shè)置求解參數(shù)→迭代計算→計算結(jié)果后處理分析。

按照某平臺的實際管線鋪設(shè)情況建立模型，劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入Fluent數(shù)值模擬軟件，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，將入口邊界速度設(shè)為1.06 m·s-1，出口邊界定義為壓力出口，靜壓為0 MPa，模型初始化后開始求解計算，待計算完成后將計算結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post進行后處理，查看靜壓力分布云圖。其次，在進出口、彎管及垂直管路的進出口等位置分別設(shè)置截面，求取各截面的壓力以及全程壓力損失。各截面示意圖如圖3所示，壓力分布云圖如圖4所示。

圖3 各截面示意圖

圖4 壓力分布云圖

由全程壓力云圖可以看出，當泵口流速為 1.06 m·s-1，即泵口流量為30 m3·h-1時，鉆井巖屑在泵口位置其沿程壓力值最大，全程壓力損失為 4.22 MPa。通過計算各截面的平均壓力值，計算求得每米直管壓力損失為0.034 MPa，每個彎頭壓力損失為0.06 MPa，每米垂直軟管壓力損失為 0.045 4 MPa，每米水平軟管壓力損失為0.049 MPa。

4 對比分析

3種計算方法所得的壓力損失計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法計算的壓力損失結(jié)果

由表2可以看出，泵送規(guī)程改進方法是在其基礎(chǔ)上考慮了垂直向下泵送鉆井巖屑時重力勢能轉(zhuǎn)化動能的因素，對《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》的計算結(jié)果進行了優(yōu)化。數(shù)值模擬方法是將鉆井巖屑視為主相為泥漿、次相為巖屑顆粒的流固兩相流，采用歐拉多相流模型，考慮重力作用，模擬了鉆井巖屑在泵管內(nèi)的流動行為特征，流動狀態(tài)更貼近現(xiàn)場實際。

5 結(jié) 論

1）泵送鉆井巖屑的流動屬于有滑移的賓漢姆流動，近管壁處形成的潤滑層有利于鉆井巖屑泵送，作業(yè)之前可以先壓送一定量的泥漿或巖屑沉降后的上層離析漿體，這樣能夠潤滑管壁，大大降低堵管事故的發(fā)生概率。

2）對比分析了3種泵送鉆井巖屑壓力損失計算方法，泵送規(guī)程改進方法和數(shù)值模擬方法的計算結(jié)果更貼合現(xiàn)場實測值，更適用于現(xiàn)場泵送鉆井巖屑壓力損失的計算，對鉆井巖屑輸送工藝設(shè)計、管線鋪設(shè)、泵體選型具有一定的指導(dǎo)意義。

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Research on the Flow Pattern and Pressure Loss Calculation Method of Pumped Drilling Cuttings

1,1,1,12,2,2

（1. CNOOC Tianjin Branch, Tianjin 300452, China; 2. Engineering Technology Branch of CNOOC Energy Development Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

Under the background of zero emission in Bohai Sea, sealed transmission technology based on hydraulic principle has become an important way in drilling cuttings recovery. It is very important to analyze the flow pattern of drilling cuttings and accurately calculate the pressure loss of drilling cuttings for improving the efficiency of drilling cuttings transportation. In this paper, by studying the flow pattern of pumped drilling cuttings, drawing on the calculation method of pumping concrete pressure loss, three methods were used to calculate the pressure loss of pumped drilling cuttings throughout the process, and the results were compared with the actual monitoring results on site. A calculation method suitable for the pressure loss of drilling cuttings pumped by a closed transmission pump was proposed, which has certain guiding significance for the design of drilling cuttings transportation technology, pipeline laying, and pump body selection.

Closed transmission; Drilling cuttings; Flow patterns; Pressure loss

中海石油（中國）有限公司綜合科研項目，鉆完井廢棄物海上處理技術(shù)研究與應(yīng)用（項目編號：YXKY-2019-TJ-05）。

2021-07-20

劉峰（1982-），男，山東省煙臺市人，高級工程師，研究方向：鉆完井技術(shù)研究與管理。

關(guān)彥磊（1995-），男，助理工程師，碩士，研究方向：鉆完井技術(shù)研究。

TE929

A

1004-0935（2022）01-0100-04