泡沫钻井与井筒多相流动试验装置研制

刘宗恩，韩兵奇，高旺熙

（中国石油大学（华东）机电装备教学实习总厂，山东东营257061）

试验研究

泡沫钻井与井筒多相流动试验装置研制

刘宗恩，韩兵奇，高旺熙

（中国石油大学（华东）机电装备教学实习总厂，山东东营257061）

泡沫钻井在欠平衡钻井工艺中占有重要地位，能解决低压、低渗、易漏地层的钻井难题。研制了泡沫钻井与井筒多相流动试验装置，该装置由井筒模拟系统、起升装置、供液系统、供气系统、采集系统等组成。模拟井筒采用透明有机玻璃材料，实现了试验过程可视化。对装置流体进行实时压力、流量检测，进行泡沫钻井试验定性和定量分析。试验表明，该装置能清晰观察泡沫携带钻屑及钻铤处流体对井壁的冲蚀过程，实时检测钻井液的黏度、流速、密度、剪切力等参数，定量分析钻井液对钻进过程的影响特性。

泡沫钻井；多相流；试验装置

泡沫钻井液具有密度低、黏度大、携砂能力强等特点，能有效解决低压、低渗、易漏地层的钻井难题，减少钻井液对地层的伤害，提高油气井采收率，在欠平衡钻井工艺中占有重要地位。目前，我国对泡沫钻井液技术研究仍不充分，在现场应用中暴露出诸多技术问题［1］。鉴于此，研制了泡沫钻井与井筒多相流动试验装置。

1　结构

泡沫钻井与井筒多相流动试验装置主要由井筒模拟系统、起升装置、供液系统、供气系统、采集系统等组成（如图1）。

图1　泡沫钻井与井筒多相流试验装置结构组成

1.1井筒模拟系统

井筒模拟系统由支架、有机玻璃井筒、模拟钻杆、模拟钻铤、密封套、联接法兰、液体冲蚀岩心测试组件、井底液体补充组件、加砂系统、旋转驱动系统、起升系统等组成［2-5］（如图2）。

图2　井筒模拟系统

为有效模拟各种工况，井筒及模拟钻杆由3部分组成，即水平段、弯曲段、垂直段，其中弯曲段和垂直段安装在一个垂直框架内，水平段安装在一个独立的框架上。根据试验需要，两部分可组合在一起，也可单独使用水平段，在起升系统的控制下进行水平井、垂直井及斜井试验。

水平段井筒由3段透明有机玻璃井筒通过法兰连接而成，与起升系统配合使用，可调节井筒与地面的倾斜角度，进行各角度定向井试验。其配备有钻杆旋转装置，可直观观察旋转钻杆、钻头扰动作用下岩屑的运动情况。

水平段井筒的末节法兰处设有液体冲蚀岩心测试组件，可安装不同种类的岩心，以测试钻铤处的流体对井壁的冲蚀作用。

在水平段井筒末端设有井底液体补充组件，其与井筒组成射流结构，以向井底补充气体或液体等流体，模拟钻井过程中地层的出液情况，通过更改钻井液与地层产液、产气的压力关系，模拟井漏、井喷等各种钻进事故。

加砂系统用于模拟钻井液携带钻屑的效果，以电机带动螺旋推进装置实现岩屑的连续带压输送，输送速度可以设定并有数字显示。

1.2起升装置

起升装置主要由液压堆高车、水平井起升定位组件等组成。水平井的出入口端的起升轮轴装入起升定位组件并确保联接可靠，起升液压堆高车的叉脚，水平井的出入口端可沿液压堆高车导轨上升，井筒倾斜，按试验要求进行各种角度的斜井试验。当水平井完全直立后，即可进行垂直井试验。

1.3供气系统

供气系统主要由螺杆式空气压缩机、储气罐、减压器、单向阀及相应的管线流程等组成，为气体钻井或泡沫钻井的泡沫提供气体，通过减压器可调节系统内气体的流量及压力。

1.4供液系统

供液系统主要由水箱、多级离心泵、过滤水箱及相应的管线流程等组成，为泡沫钻井所需的泡沫提供水基，并可模拟钻井过程中地层的出液。

1.5采集系统

采集系统由压力传感器、气体涡轮流量传感器、液体涡轮流量传感器、采集板卡、计算机等组成，将系统的压力、气体流量、液体流量等传送给计算机并进行处理和显示。

2　工作原理

供液系统提供的水（可添加起泡剂，若无水则可视为空气钻井）与供气系统提供的气混合，由钻杆送达井底，携带由加砂系统加入的岩屑（包含地层出液或气侵气）经环空返回地面。在井底单独注入水可模拟溢流、井涌等复杂钻井工况；单独注入气体可模拟气侵；水、气单独或一起加入的量较大时可模拟井喷。在井底设有液体冲蚀岩心测试组件，可安装不同种类的岩心，以测试钻铤处的流体对井壁的冲蚀作用。

3　主要技术参数

3.1透明有机玻璃井筒

工作压力0.8 MPa

工作温度室温

井筒尺寸内径65 mm，壁厚10 mm，长度3 m

配套不锈钢模拟钻杆

内径20 mm，壁厚3.5 mm，长度3 m

3.2螺杆式空压机

排量2 m3／min

最高压力0.8 MPa

功率15 k W

4　创新点

1） 使用软弹性材料制成弯曲段钻杆，实现了试验室内钻杆弯曲段旋转可视化，可直接观察有无钻杆扰动情况下弯曲段钻屑的分布及运移情况。

2） 井筒透明，可直观观察岩屑在井筒内的运移情况。

3） 配合摄像记录设备，可定性定量的进行岩屑在不同井斜角下的运移机理，岩屑颗粒的启动机理——岩屑颗粒是以滚动起动为主，还是以上升起动为主。

4） 可直观模拟井漏、气侵、井喷等各种钻井事故。

5） 通过安装不同种类的岩心，可测试钻铤处的流体对井壁的冲蚀作用。

5　结论

1） 试验表明，该装置能清晰观察钻屑在井筒内的分布及由井底到地面的上升过程，充分展示泡沫携带岩屑的能力，并通过各传感器实时检测钻井液的黏度、流速、密度、剪切力等参数，定量的分析钻井液特性对岩屑携带能力的影响。

2） 在旋转钻进过程中，钻杆对环空钻屑的扰动与钻杆静止时的泡沫携带钻屑形成鲜明对比。

3） 通过更换井底岩心，透过有机玻璃井筒能清晰观察钻铤处流体对井壁的冲蚀作用，并能通过计算机采集数据，定量分析岩性影响。

4） 通过改变通入水量和气量的大小，观察溢流、井涌、井漏、井喷等事故的形成过程，分析其原因。

［1］平立秋，汪志明，魏建光.欠平衡钻井多相流模型评价分析［J］.西南石油大学学报，2007，29（1）：75-78.

［2］陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术［M］.东营：石油大学出版社，2000.

［3］刘希圣.钻井工艺原理［M］.北京：石油工业出版社，1981.

［4］代锋，孙凯，厉爽，等.欠平衡钻井井筒多相流技术研究［J］.石油矿场机械，2009，38（1）：5-8.

［5］刘伟，李丽.通南巴深井优快钻井技术［J］.石油矿场机械，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

刘宗恩（1972-），男，山东莱阳人，高级工程师，硕士，现从事石油机械产品开发研究工作，E-mail：13854690363＠163.com。