高温高压环境下井下钻井液过滤装置设计

袁科杰，王　文，崔学广，吴宝影

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018)



高温高压环境下井下钻井液过滤装置设计

袁科杰，王文，崔学广，吴宝影

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018)

摘要：针对随钻气体测试仪器需要在井下高温高压(温度可达120 ℃、压力可达60 MPa)的恶劣环境中对钻井液实现固液分离的技术难题，设计了一种圆柱状过滤装置，详细阐述了其结构特点和工作原理，建立了其三维分析模型，通过Fluent流体仿真软件，研究了过滤装置内钻井液的压力场、速度场分布特征，探讨了螺杆在不同转速下的输送性能，从理论上论证了该装置在井下完成过滤功能的可行性.最后加工了过滤装置原型并进行了试验，结果表明，该过滤装置可实现有效过滤钻井液和清洁滤网的功能.

关键词：随钻测井；钻井液；井下过滤装置；螺旋挤压

0引言

传统气测录井技术通过检测钻井液携带的油气信息，达到发现和评价油气层的目的[1].因对从井下上行到地面后的钻井液进行处理与检测，所以存在信息滞后、油气定量分析困难等问题.斯伦贝谢(Schlumberger)、哈利伯顿(Halliburton)、贝克休斯(Baker Hughes)等几大国外油田技术服务公司均开展了井下随钻气体检测技术的相关研究，目标是研制出随钻气体测试仪器，便于在数千米的井下完成对钻井液中油气信息的检测[2-4].为了在井下能检测到油气信息，仪器需要将钻井液抽至其内部的检测系统.然而，钻井液内含有大量固相颗粒(岩屑、沙粒、泥土等)，如果钻井液直接进入检测系统，其中的固相颗粒将会堵塞检测系统内的流体管路，并引起流体阀、密封装置以及传感器等零部件的损坏.为了保证仪器正常工作，必须对钻井液进行固液分离，使足够“清洁”的钻井液进入检测系统.

井下温度可达120 ℃、压力可达60 MPa，且空间狭小，传统固液分离装置难以满足要求，因此如何在井下有效实现固液分离成为国内外油田技术领域研究的热点问题之一.通过文献调研可知，目前的井下随钻仪器主要对地层流体进行固液分离，且采用过滤分离的方式，实现去除流体中固相颗粒的目的，例如：CARROLL J F等[5-6]将滤网布置在流体入口，阻止固相颗粒进入仪器内部；NOLD R V等[7-8]在采用滤网的基础上，增加了活塞机构，通过活塞的移动刮除滤网上堆积的固相颗粒，以延长滤网的有效工作时间.

由于钻井液与地层流体相比，钻井液中的固体颗粒比地层流体中的固相颗粒多很多，上述这些装置难以满足钻井液的过滤要求，为此本文提出一种基于螺杆压滤原理的井下过滤装置，阐述其结构特点与工作原理，仿真分析其内部钻井液的压力场、速度场分布特征，探讨螺杆在不同转速下的输送性能，加工过滤装置原型并进行试验，论证了本装置在井下完成过滤功能的可行性.

1井下钻井液过滤原理与装置结构设计

1.1结构特点与工作原理

在井下，随钻气体测试仪器串接在两根钻铤之间.为了不影响正常钻井，要求井下过滤部分的外径不能大于钻铤的外径.在钻井工程中，常选用外径为177.8 mm的标准钻铤，其中心留有供钻井液下行的水眼.因此本文设计的圆柱状过滤装置布置在仪器中心，如图1所示，其与壳体形成环形空间，以保证钻井液正常下行，该布置形式最大效率地利用了仪器内部空间.

过滤装置主要由螺杆、筒状滤网、耐压壳和接头等部件组成.其中，螺杆为等螺距变直径式[9]，从下端至上端方向，螺杆与筒状滤网内表面所构成的滤室容积逐渐减小.当耐高温的无刷直流电机通过联轴器驱动螺杆旋转时，下接头入口处将形成低压区，环空中的上行钻井液则被吸入过滤装置内.同时，螺杆的叶片对吸入的钻井液施加向上推进的挤压力，使钻井液从过滤装置的入口处向上接头的出口处移动.在此过程中，由于钻井液逐渐被压缩导致其压力逐渐增加.当筒状滤网内表面侧的钻井液压力高于外表面侧时，钻井液中的液相将从筒状滤网的间隙通过，而大颗粒被滤网阻留在螺杆内.筒状滤网内、外表面的压差与常规承压情况相同，因此选用耐高温的不锈钢材料，即可满足井下高压、强腐蚀条件.

1-筒状滤网，2-上接头，3-耐压壳，4-下接头，5-螺杆，6-密封圈，7-O型圈，8-联轴器，9-壳体，10-1-上轴承，10-2-下轴承，11-弹性挡圈，12-端盖，13-下行钻井液管路，14-滤液管路图1　井下过滤装置示意图

L1-加料段，L2-压缩段，L3-均化段，h1-加料段的螺槽深度，h3-均化段的螺槽深度，S-螺距，e-螺棱法向宽，φ-螺纹升角度图2　螺杆结构示意图

过滤时，一部分固相颗粒会在筒状滤网内表面上堆积，形成滤饼.但是，螺杆叶片上的螺棱不断将它刮除，并使它向过滤装置的出口移动，最终滤饼在上接头出口处被排出，该过程可有效抑制滤饼的增厚.另外，下行钻井液压力高于环空中的上行钻井液压力，且固相颗粒粒径小.因此，定时使滤液腔与下行钻井液连通，下行钻井液将从筒状滤网的外表面向内表面反向流动，达到清除筒状滤网内表面上的固相颗粒的目的.当清洁完成后，滤液腔与下行钻井液隔离.

1.2螺杆的设计

螺杆是过滤装置的核心部件，决定了钻井液的输送速度和压滤比，对过滤效果有较大的影响.其主要设计参数包括：D，d，L1，L2，L3，h1，h3，φ，e，S，如图2所示.

由于过滤装置安装空间的限制，取螺杆外径D=44 mm，根据单螺杆挤出理论设计方法[10]，计算得到其它主要设计参数如表1所示.

表1　螺杆主要设计参数

2仿真分析与研究

图3　井下过滤装置简化模型剖面示意图

随着钻井深度的增加，井下环境温度和压力都升高.在温度和压力共同作用下，不同深度的钻井液物理性质(如密度、粘度、压缩性等)相差较大，导致钻井液经过筒状滤网时流动情况不同.与螺杆输送下快速流动的钻井液相比，过滤后的滤液流量较小，可以忽略其对过滤装置内钻井液流动特性的影响.此外，滤网堵塞规律十分复杂，其不仅与滤网的形状有关，还与钻井液中固相颗粒的大小、含量有着紧密的联系.精确模拟不同情况下过滤装置的过滤过程难度较大，需根据实际工况进行结构优化.

为了验证过滤装置工作原理的可行性，本文通过研究不同螺杆转速下过滤装置内钻井液的压力场、速度场分布特征，来确定钻井液是否按预期路径流动.在流场仿真中，选择水为流体介质，忽略过滤和反冲洗过程，将滤网当作封闭圆筒，简化后的模型如图3所示.

取井壁D1=250 mm，壳体外径d2=177 mm，壳体内径(筒状滤网内径)D3=47 mm，则螺杆与壳体间隙为1.5 mm.根据设计参数，利用SolidWorks三维软件对螺杆、壳体和井壁建模后导入到ICEM网格划分软件，生成钻井液运动区域和静止区域网格，如图4所示.

图4　过滤装置简化后的流体计算网格模型剖视

设定入口边界条件(模型的下端面)：速度入口，1 m/s[11]；出口边界条件(模型的上端面)：自由出流.为了模拟螺杆旋转对过滤装置内钻井液流动情况的影响，采用动参考系(MRF)模型，即设定螺杆内钻井液运动区域的转动速度，静止区域通过两者的交界面获取、传递数据.

1)速度场分析

螺杆的横截面积一定，速度及表征流量，流速越大，螺杆的输送能力越强，实际过滤分离的钻井液也越多.图5显示了螺杆在500 rpm转速下过滤装置内钻井液的整体速度分布，以及入口处、螺杆内、出口处的速度分布.可以看出，环空中的上行钻井液从入口流入装置内部，且速度逐渐减小.在螺杆旋转作用下，螺杆内钻井液被强制作螺旋状向上运动，最后从出口流出.环空中的钻井液速度较大，装置内钻井液由于螺杆的阻碍，其速度小于环空处.

2)压力场分析

过滤装置内部钻井液的压力场分布如图6所示，可以看出，环空中的钻井液压力分布对称，且压差较小，而螺杆内钻井液压力变化较大.在螺杆的径向方向上，钻井液压力随半径的减小而降低，螺杆半径最小处的钻井液压力低于环空中的钻井液压力，则装置入口处形成低压区，促使环空中的上行钻井液流入装置内腔；在螺杆的轴向方向上，钻井液压力由入口到出口逐渐增大，并且在出口处高于环空中的钻井液压力，可使滤饼和未过滤的钻井液顺利排至环空.

3)螺杆转速对速度场的影响

为了研究不同螺杆转速下过滤装置内钻井液速度场分布，选取了两种不同转速(500 rpm，1 000 rpm)进行仿真，结果分别如图7(a)、(b)所示，可以看出螺杆转速的变化对装置内钻井液的流速影响明显.当螺杆转速为500 rpm时，螺杆内钻井液平均流速约为0.5 m/s，最大流速约为1 m/s；而当螺杆转速为1 000 rpm时，平均流速约为1 m/s，最大流速约为2 m/s.由此可见，随着转速的增加，螺杆内钻井液的流速增大，这表明螺杆的输送能力随着螺杆转速的增加而提高.

图5　螺杆转速500 rpm时，钻井液的速度分布

图6　　　螺杆转速500 rpm时，　　　钻井液的压力分布

图7　不同螺杆转速下钻井液的速度分布

3实验验证

为了考察过滤装置的实际过滤效果，加工了螺杆、筒状滤网(过滤精度为25 μm)和接头等主要部件，并进行了装配，如图8所示.试验时，采用混有泥沙的泥浆作为试验流体，并在室内常温下将过滤装置竖直置于泥浆池中，入口低于液面，而滤液腔通过管路与滤液收集容器连通.

图8　过滤试验展示

启动电机，螺杆开始旋转，调整电机转速(0～1 500 rpm)，在过滤装置入口、出口和滤液收集容器内，可分别观察到泥浆和滤液流速变化情况，如图8(d)所示.收集一定量滤液后，电机断电，将反冲洗装置与滤液腔室连通，然后打开反冲洗装置，对筒状滤网进行反冲洗.

得到如下实验结果：

1)泥浆从装置入口流入，出口流出.出口处泥浆流速和滤液流速都随螺杆转速的增加而增大；

2)收集1 500 mL滤液后，滤液流速未明显减小.将滤液与泥浆进行对比，经过过滤后，固相颗粒明显减少，但部分细小颗粒通过筒状滤网.滤液中的颗粒大小由筒状滤网的筛条缝隙决定，根据仪器过滤精度要求可更换相应的规格；

3)反冲洗1 min后，拆解出筒状滤网，堵住滤网缝隙的颗粒较少；

4)多次重复获取滤液和反冲洗过程，滤网未被堵塞.

4结束语

本文针对井下高温、高压、狭小空间等特殊环境，设计了一种钻井液过滤装置.采用螺杆挤压原理使过滤装置的入口、出口处产生压力差，实现吸入、排出钻井液的功能；通过增加螺杆的转速，提高螺杆的输送能力；利用螺杆上的螺棱抑制滤饼的增厚，且采用反冲洗的方式清洁滤网，从而降低滤网被完全堵塞的机率.仿真和实验测试结果表明，本装置可以实现对钻井液中固相颗粒的有效过滤，工作一段时间后也未发生较明显的堵塞现象，为研制井下高温高压环境下的钻井液固液分离装置提供了一种解决思路.

参考文献

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Design of a Downhole Drilling Fluid Filter in High Pressure and High Temperature

YUAN Kejie, WANG Wen, CUI Xueguang, WU Baoying

(SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：To realize solid-liquid separation of drilling fluid is a key technique for gas with drilling(GWD) tester, especially under extremely harsh conditions in downhole such as high pressure and high temperature even as high as 120 ℃ and 60 MPa. A novel cylindrical drilling fluid filter was presented, and its structural features and operating principle was firstly introduced. Then, the three-dimensional model of the proposed filter was established. Through the fluid simulation software Fluent, the distribution of the pressure field and velocity field of drilling fluid inside the filter were respectively investigated. What’s more, the working performances of the screw shaft under different rotational speeds was analyzed, the feasibility of the filter was verified theoretically. Finally, the filter prototype was machined and used in a simple test rig. The results show that the proposed device has a good function of filtering for the drilling fluid and cleaning filter screen.

Key words：logging while drilling; drilling fluid; filtering in downhole; screw squeeze

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.02.015

收稿日期：2015-09-16

基金项目：杭州电子科技大学研究生优秀学位论文培育基金资助项目(yxlw015001)

作者简介：袁科杰(1989-)，男，浙江宁波人，硕士研究生，机电液一体化.通信作者：王文教授，E-mail：wangwn@hdu.edu.cn.

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)02-0072-05