吸液式降當量循環(huán)密度工具及降壓機理研究

摘要：

為進一步控制當量循環(huán)密度（Equivalent Circulating Density，簡稱ECD）值，設計了一套高溫高壓井新型環(huán)空降壓井下工具——吸液式降ECD工具。利用該工具可以實現(xiàn)當量循環(huán)鉆井液的井底壓力接近其靜水壓力，進而實現(xiàn)更深的鉆井深度。該工具主要由渦輪馬達、葉片、環(huán)空密封、鉆柱組成。其工作原理為：利用其吸液作用及由渦輪提取循環(huán)流體液壓能量，將能量轉化為機械能，進而產生抽吸力來提高井底環(huán)空內的鉆井液流動能量，降低當量循環(huán)密度?；赟olidWorks flow simulation分析模擬了不同鉆井液密度、排量、工具尺寸下壓降特征變化。模擬結果表明，鉆井液密度為1.2 g/cm3時，其降壓效果達到了1.95 MPa；鉆井液密度為1.5 g/cm3時，降壓大約1.8 MPa；鉆井液密度為1.8 g/cm3時，降壓大約2.39 MPa。鉆井液排量為1 500～2 500 L/min時，最高可降壓3.06 MPa。對2種不同工具尺寸（φ90.5、φ215.9 mm），鉆井液流經吸液式降ECD工具時，壓降幾乎沒有變化，尺寸增大其壓降效果略有降低，但對壓降影響不大，且主要受等排量下流速的影響。研究結果可為高溫高壓鉆井提供技術參考。

關鍵詞：

當量循環(huán)密度（ECD）；環(huán)空降壓；降壓工具；吸液式降ECD工具；高溫高壓

中圖分類號：TE254

文獻標識碼：A

202401078

Suction-Type ECD Reduction Tool and Its Depressurization Mechanism

Dou Liangbin1，2，3 Cheng Xuebin1，3 Peng Xianbo1，3 Wang Ting1，3 Chen Jingyang1，3 Fang Yong1，3

（1.College of Petroleum Engineering，Xi’an Shiyou University；2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum （Beijing）；3.Engineering Research Center of Development and Management for Low to Ultra-Low Permeability Oil amp; Gas Reservoirs in West China，Ministry of Education）

To further control the equivalent circulating density （ECD） value，a new type of downhole tool for annulus depressurization in high-temperature and high-pressure （HTHP） wells，i.e.，a suction-type ECD reduction tool，was designed.This tool can be used to allow the bottomhole pressure of the equivalent circulating drilling fluid to approach its hydrostatic pressure，thereby achieving deeper penetration.It mainly consists of turbo motor，blades，annular seal and drill string.It reduces the ECD by using the suction action of the tool to drive the turbine to extract the hydraulic energy of circulating fluid and convert it to mechanical energy，which can generate a suction force to improve the flow energy of the drilling fluid in the bottomhole annulus.Based on the SolidWorks flow simulation，the depressurization behaviors under different drilling fluid densities，displacements and tool sizes were analyzed.According to the simulation results，when the drilling fluid density is 1.2 g/cm3，the pressure drop is 1.95 MPa；when the drilling fluid density is 1.5 g/cm3，the pressure drop is about 2 MPa；when the drilling fluid density is 1.8 g/cm3，the pressure drop is about 2.39 MPa.When the drilling fluid displacement is 1 500 to 2 500 L/min，the maximum pressure drop can be 3 MPa.At two different tool sizes （φ90.5 mm，φ215.9 mm），when the drilling fluid flows through the suction-type ECD reduction tool，almost no change is observed in depressurization.Increasing the tool size just slightly reduces the pressure，and it has little impact on depressurization.The depressurization is mainly affected by the flow rate at the same displacement.The research results provide reference for HTHP drilling.

ECD；annulus depressurization；depressurization tool；suction-type ECD reduction tool；HTHP

0 引 言

隨著世界鉆井水平的不斷研究完善，對于深部油氣藏的鉆探與研究技術得到了大幅度的提高，國內外對于高溫高壓鉆井技術的研究越來越多，但大多數(shù)高溫高壓井鉆井研究理論均來源于陸地鉆井的延伸對比。

2008年，鄭鋒輝等［1］采用研制的射流式水力降壓模擬工具及其相應的試驗臺架，對一種在常規(guī)鉆井方式下能有效降低井底壓力的射流式水力降壓方式進行了試驗研究。2012年，袁光宇［2］詳細介紹了環(huán)空射流泵、射流降壓短節(jié)和射流泵鉆頭等射流泵降壓工具的結構特點、降壓效果和研究應用現(xiàn)狀。2013年，朱海燕等［3］根據(jù)射流式水力降壓技術原理，提出一種新型的環(huán)形射流泵結構。2016年，V.DOKHANI等［4］開發(fā)了一種模擬器，用于計算循環(huán)和靜態(tài)條件下的井筒溫度和壓力，建立了海上斜井剖面的傳熱數(shù)學模型，并進行了驗證。2016年，O.ERGE等［5］提出了一個精確估算有內管旋轉和無內管旋轉時環(huán)空摩擦壓力損失的數(shù)值模型，并利用CFD軟件對數(shù)值模型進行了驗證。2019年，Z.K.ABDELGAWAD等［6］研發(fā)了人工神經網絡（ANN）和自適應神經模糊推理系統(tǒng)（ANFIS），建立了ANN和ANFIS模型計算當量循環(huán)密度（Equivalent Circulating Density，簡稱ECD）。2019年，黃熠等［7］以地層壓力和ECD的概率分布為基礎，應用廣義應力與強度干涉可靠度理論推導了風險評價模型，計算結果與現(xiàn)場實際發(fā)生風險相符合。2021年，陳雨微等［8］利用瞬態(tài)巖屑運移模型模擬巖屑在井筒中的瞬態(tài)運移過程，并結合實際鉆井數(shù)據(jù)分析巖屑對ECD的影響。2021年，黃瑋［9］展開了長寧頁巖氣水平井井筒ECD計算方法研究，探究了不同溫度壓力條件下鉆井液的當量靜態(tài)密度與當量循環(huán)密度計算方法。2022年，段洪志［10］對新疆油田常用油基鉆井液開展了高溫高壓密度試驗，建立精確的井底ECD計算模型。2022年，F(xiàn).BADROUCHI等［11］提出了一個新的模型來預測直井和斜井中的ECD，該模型預測了直井和斜井中的巖屑質量分數(shù)和等效循環(huán)密度。2022年，高永德等［12］針對深水高溫高壓井ECD預測難的問題，建立了海底增壓的井筒溫度場模型。2022年，韋小奇等［13］對高溫高壓井校核與控制技術進行論述，結合當前現(xiàn)狀探討了其發(fā)展趨勢，總結了ECD校核與控制技術的各類要點內容。2023年，李文拓等［14］為了提高ECD計算精度，通過耦合鉆井液密度和流變參數(shù)回歸模型與井筒傳熱模型，建立高溫高壓小井眼水平井環(huán)空ECD綜合計算模型。2023年，F(xiàn).I.S.OKONKWO等［15］優(yōu)化了4種誤差指標，即相關系數(shù)（R2）、均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對百分比誤差（AAPE），優(yōu)化后的ECD模型具有較高的預測精度。2023年，M.AL-RUBAII等［16］研發(fā)了2個新的模型ECDeffc.m和MWeffc.m，提高了ECD的計算精度。

本文通過設計一種新的降壓工具——吸液式降ECD工具，來實現(xiàn)降低井筒內ECD大小。對吸液式降壓工具采用SolidWorks軟件建立物理模型，并基于SolidWorks flow simulation分析不同參數(shù)下壓降特征。

1 吸液式降ECD工具結構

1.1 工具結構及降壓原理

傳統(tǒng)的降壓方式是通過降低鉆井液密度實現(xiàn)的，但是在窄密度窗口情況下，可能會引起井涌等復雜情況的發(fā)生。由此本文設計了一種新型降ECD工具——吸液式降ECD工具。該工具能夠在不降低鉆井液密度的情況下降低井底當量循環(huán)密度，保證窄密度窗口下操作安全。

該工具主要利用吸液作用，由渦輪提取循環(huán)流體液壓能量，將能量轉化為機械能，進而產生抽吸力來提高井底環(huán)空內的鉆井液流動能量，降低當量循環(huán)密度。結構原理如圖1所示，工具主要由渦輪馬達、葉片、環(huán)空密封、鉆柱等組成。

該工具的頂部是一個渦輪馬達，它能夠轉化循環(huán)流體產生的液壓能，并將液壓能轉化為機械能，進而渦輪驅動葉片轉動，返排液補充能量，在環(huán)空內產生所需的壓差。一般情況下，渦輪與葉片相匹配，因此不需要進行速度調節(jié)。吸液式降ECD工具下段由環(huán)形密封組成，可保證所有返排液和巖屑通過泵。環(huán)空密封與套管始終保持接觸，支承在軸承上，使環(huán)空密封在鉆柱旋轉時不發(fā)生相對于套管的旋轉。

1.2 工具參數(shù)

圖2為吸液式降ECD工具成品圖。已有現(xiàn)場應用表明，不同鉆井參數(shù)條件下其降壓幅度存在明顯差異。

吸液式降ECD工具是一種自激活工具，由循環(huán)鉆井液提供動力。當鉆井液循環(huán)時，自動啟動；當循環(huán)停止時，停止運行。該工具用來處理密度高達1.8 g/cm3的鉆井液。目前的原型機有一個，外徑208.3 mm，內徑46.0 mm，可下入φ244.5～φ339.7 mm的套管內，長度大約9.15 m，頂部及底部的連接長度為114.3 cm。其最大流體循環(huán)速度可達2.27 L/min。該工具可處理高達2.270 L/min的循環(huán)速度。

2 數(shù)值模擬分析

目前樣機在國內應用較少，本文通過數(shù)值模擬來分析吸液式降ECD工具在不同條件下產生的壓降效果。對吸液式降ECD工具采用SolidWorks物理模型構建，并基于SolidWorks flow simulation分析模擬不同參數(shù)下壓降特征。

2.1 工具模型模擬預處理

2.1.1 計算模型

鉆井液的當量循環(huán)密度（ECD）可以定義為鉆井液的當量靜態(tài)密度與鉆井液流動造成的環(huán)空壓降之和。現(xiàn)場的當量循環(huán)密度表達式如下：

ρECD=ρESD+Δp0.052h（1）

式中：ρECD為循環(huán)當量密度，g/cm3；ρESD為當量靜態(tài)密度，g/cm3；Δp為摩擦壓降，Pa；h為井深，m。

高溫高壓鉆井與井下壓力的控制密切相關，其中鉆井液密度和流變性是關鍵問題，鉆井液當量循環(huán)密度是控制井底壓力的重要參數(shù)。現(xiàn)場考慮巖屑密度情況下的當量循環(huán)密度ρECD表達式為：

ρECD=ρ（1-Ca）+ρsCa+Δp10.098 1h（2）

式中：ρ為鉆井液密度，g/cm3；ρs為巖屑密度，g/cm3；Ca為環(huán)空巖屑質量分數(shù)，無量綱；Δp1為環(huán)空壓耗，MPa。

其中環(huán)空巖屑質量分數(shù)計算公式為：

Ca=va3 600（vc-vs）1-d2od2（3）

式中：va為鉆速，m/s；do為鉆桿外徑，mm；d為井眼內徑，mm；vc為鉆井液環(huán)空返速，m/s；vs為巖屑沉降速度，m/s。

環(huán)空壓耗計算模型，當流態(tài)為紊流時，環(huán)空井段壓耗的計算公式如下：

Δp1=2.04fρv2cld-do（4）

式中：l為鉆桿長度，m；f為摩阻系數(shù)，無因次。

2.1.2 網格劃分及邊界條件設定

基于SolidWorks建模工具，構建出吸液式降ECD工具的物理模型，并對該模型進行網格劃分，以此建立工具的有限元分析模型。為保證一定的計算精度，同時又不至于因計算量過大而導致計算時間過長，對容易發(fā)生疲勞破壞的重點部位（葉片）做較為精細的網格劃分來提升計算精度，如圖3所示。

對其他結構簡單且較為穩(wěn)定的部位進行相對粗糙的網格劃分來提升計算效率，如圖4所示。

基于SolidWorks flow simulation，工具的邊界條件參數(shù)設定井深4 275 m，鉆井液排量設置為1 000～3 000 L/min，鉆井液密度設為1.2～1.8 g/cm3，內徑244.5 mm（95/8 in），井筒直徑為190.5 mm，起下鉆速度設為0.25 m/s，鉆井液黏度為0.09 Pa·s。

2.2 工具在不同密度鉆井液流動時壓降分布

基于SolidWorks flow simulation，模擬了不同鉆井液密度（1.2、1.5、1.8 g/cm3）在不同參數(shù)下流經吸液式降ECD工具時，其壓降分布特征圖（見圖5）。

分析圖5可知：鉆井液密度為1.2 g/cm3時，降壓效果達到了1.95 MPa；鉆井液密度為1.5 g/cm3時，降壓了大約1.8 MPa；鉆井液密度為1.8 g/cm3時，降壓大約2.39 MPa。由模擬結果可知，隨著鉆井液密度的增加，其壓降值會出現(xiàn)明顯波動，壓降效果也越明顯。但也要合理控制鉆井液密度，密度過高會使井筒內壓力過大，導致工具密封失效風險增大。

3種不同密度流體流動分布特征如圖6所示。由圖6可以直觀地看出流體的壓降分布特征以及流動方向；不同密度對應不同壓降分布，密度越大，壓降效果越明顯。

2.3 工具在不同排量時壓降分布

基于SolidWorks flow simulation，模擬了不同鉆井液排量（1 500、2 000、2 500 L/min）下流經吸液式降ECD工具時，其壓降分布特征如圖7所示。

分析圖7可知：鉆井液排量為1 500 L/min時，壓降約2.19 MPa；鉆井液排量為2 000 L/min時，壓降約3.06 MPa；鉆井液排量為2 500 L/min時，壓降約2.01 MPa。由此可知，隨著鉆井液排量的增加，其壓降值會出現(xiàn)明顯的波動，壓降效果越明顯，且排量較小時工具降壓效果和分流效果不明顯。

吸液式工具在不同鉆井液排量時壓降分布如圖8所示。模擬結果表明，吸液式壓降工具對局部降壓效果更為明顯。

2.4 不同尺寸工具壓降分布

基于SolidWorks flow simulation，模擬了工具尺寸分別為φ190.5 mm（71/2 in）、φ215.9 mm（81/2 in）時鉆井液流經吸液式降ECD工具時其壓降分布特征，如圖9所示。

分析圖9可知，工具尺寸φ190.5 mm（71/2 in）時，壓降約1.49 MPa；工具尺寸為φ215.9 mm（81/2 in）時，壓降約1.41 MPa。2種工況壓降幾乎沒有變化，表明工具尺寸對壓降影響不大，尺寸增大其壓降效果略有降低，且主要受等排量下流速的影響。

3 現(xiàn)場試驗

基于江蘇草舍油田草8井現(xiàn)場數(shù)據(jù)［8］，于2023年下半年在現(xiàn)場進行測試。其中測量井深最深到達2 600 m，鉆頭采用φ165.1 mm（61/2 in）PDC鉆頭，鉆井液排量1 000～3 000 L/min，套管外徑244.5 mm（95/8 in），鉆桿段長度10 m，井筒直徑260.5 mm，起下鉆速度0.25 m/s，鉆井液黏度0.09 Pa·s，摩擦因數(shù)0.029，地表溫度288.15 K，地溫梯度0.03 K/m。

試驗工具選取內徑190.5 mm，外徑244.5 mm套管內作業(yè)，鉆井液密度1.5 g/cm3，工具安裝在距離井口800 m處。經過現(xiàn)場測試，該工具的壓降為2 MPa左右，達到其目標降壓數(shù)值。含降壓工具壓力變化表見表1。

由表1可以看出，在井筒中含有降壓工具的情況下，其壓力值有明顯的波動，壓降在2 MPa左右，符合現(xiàn)場施工降壓要求。

4 結 論

（1）傳統(tǒng)方法已經很難解決窄密度窗口等復雜情況井的高效快速鉆進問題，必須依靠裝備和鉆井方式的改變來解決鉆井過程中出現(xiàn)的復雜情況。

（2）隨著鉆井液密度的增加（1.2～1.8 g/cm3），其壓降效果逐漸增強，壓降值最高可達2.39 MPa；但也要合理地控制鉆井液密度，密度過高會使井筒內壓力過大，進而導致工具密封失效風險增大。

（3）隨著鉆井液排量逐漸增加（1 500～2 500 L/in），其壓降值會出現(xiàn)明顯波動，壓降最高可達3.06 MPa。隨鉆井液排量增大其降壓效果會增強，且排量較小時工具降壓效果和分流效果不明顯。

（4）工具尺寸選取φ190.5和φ215.9 mm時，2種工況壓降幾乎沒有變化，吸液式工具尺寸對壓降影響不大，尺寸增大其壓降效果略有降低，但主要受等排量下不同流速的影響。

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第一竇亮彬，教授，生于1986年，2013年畢業(yè)于中國石油大學（北京）石油與天然氣工程專業(yè)，現(xiàn)為西安石油大學教授，研究方向為非常規(guī)儲層改造與增產、井筒復雜多相流動。地址：（710065）陜西省西安市。電話：（029）88382682。email：doulb@xsyu.edu.cn。2024-01-222024-05-24