泵注反循环钻井循环压耗实验研究

车　阳， 周劲辉， 吴　寒， 程家麒

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)



泵注反循环钻井循环压耗实验研究

车阳， 周劲辉， 吴寒， 程家麒

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)

泵注反循环钻井是一种新型钻井方式，在钻复杂结构井时具有井眼清洁、机械钻速高等优点。循环压耗是泵注反循环钻井能否实现的关键问题。利用自行设计的泵注反循环模拟实验装置，进行了不同水眼个数、水眼布局以及钻井液参数下的循环压耗试验，根据试验结果对影响反循环循环压耗的主要因素进行分析。结果表明，最佳钻头水眼总面积为钻杆内截面积的50%，最佳钻头水眼布局方式为沿钻头边缘布局。同时，钻井液密度越高,循环压耗越大，但钻井液密度对最佳水眼面积和水眼的布局方式影响很小。研究结果为泵注反循环钻井钻头水眼优化设计提供了依据。

泵注反循环钻井；循环压耗；钻头水力参数；实验研究；最优化

反循环钻井具有保持井眼清洁、提高钻井速度、保护储层、利于防塌和防漏、减少套管磨损、降低摩阻扭矩等优点，在水平井、大位移井等复杂结构井的运用效果更加显著[1-6]。与泵吸反循环钻井和气举反循环钻井相比，泵注反循环钻井具有设备简单、成本低和理论钻井深度大等优点。

循环压耗是制约泵注反循环钻井的关键因素，循环压耗过大，所需的泵压也将增加，导致井口装置承压增加，对井口装置的要求更高，增加成本的同时也增加钻井的风险；循环压耗过小，钻井液破岩及携带岩屑的效果将下降，导致钻井进尺小，增加钻井的成本投入。

在循环压耗研究方面，国内外学者做了大量的理论研究，考虑不同的钻井液流变性能对压耗的影响[7-13]。由于钻井液流型的复杂性，钻井工程理论上近似认为是宾汉流体，这种理论研究的实际应用效果不理想，存在较大的偏差。

在钻头设计方面，正循环钻井主要考虑钻头与地层的关系，通过钻头流场模拟研究，要求水眼布局最有利于钻头破岩，不考虑水眼布局对循环压耗的影响[14-16]。但是，反循环钻井中液流没有辅助破岩的作用，需要从循环压耗的角度，考虑最佳的水眼大小和布局。本文通过模拟实验研究，最优化分析，确定泵注反循环的循环压耗的影响因素，探索泵注反循环循环压耗的分布规律，为实现泵注反循环钻井提速的可行性提供参考。

1　实验部分

1.1实验装置

实验装置如图1所示，该装置主体包括动力系统、循环系统、测量系统3个部分。配好的泥浆放置在泥浆池中，由泥浆泵泵入管线中，压力和流量传感器可测量泵压和排量，泥浆经过循环管线流入环空，通过钻头水眼进入钻柱并上返到井口，回流到泥浆池，构成一个完整的反循环过程。图2为实验装置实物图。

图1　实验装置原理图

实验制作了两种不同水眼结构的钻头，钻头剖面如图3所示，钻头1设计有大小不同的6个水眼(反循环流通通道)(中部水眼d=25 mm，边部5个水眼d=20 mm)，钻头2设计有大小相同的12水眼(d=16 mm)，各水眼可用螺纹堵头控制开闭。

钻头水眼主要针对不同的钻头类型和结构特点来进行设计，牙轮钻头设计的水眼较大，布局较稀疏；PDC钻头设计的水眼较小，布局较密；水眼的总面积差别不大。根据模拟钻柱内径和模拟钻头的尺寸，水眼总体面积设计极限为钻柱内截面积，水眼直径能够通过粒径为10 mm的岩屑，水眼个数越多，单个水眼的直径越小。为了研究水眼布置的位置对循环压耗的影响，实验中水眼在钻头中间和边缘都进行了布局，水眼个数越多，水眼总面积控制越精确，实验中采用6水眼和12水眼的模拟钻头分别模拟了牙轮钻头和PDC钻头的实际工况，通过水眼的不同组合实现对水眼总面积的控制。

图2　实验装置实物图

图3　钻头剖面结构(数字为水眼代号)

1.2实验方法

实验研究的主要方法是控制变量法。在钻进过程中，总循环压耗等于泥浆泵的泵压。而反循环钻井的总循环压耗包括地面管汇压耗、环空压耗、钻头压耗和内钻柱压耗4个部分。由管路压耗计算的基本理论，计算紊流压耗的基本公式是“范宁——达西公式”[17]。对管内流动ΔpL=0.2fρdLv2/di；对环空流有ΔpL=0.2fρdLv2/(dh-dp)。

式中:ΔpL为压力损耗，MPa；f为管路的水力摩阻系数，无因次；ρd为钻井液密度，g/cm3；L为管路长度，m；v为钻井液在管路的平均流速，m/s；di为管路内径，cm；dh为井眼直径，cm；dp为钻柱外径，cm。

依据龙芝辉等[18]的钻井循环压耗修正系数方法及应用，钻井循环压耗的影响因素如下：① 井眼和钻具的几何尺寸；② 管路中的流量；③ 钻井液的性能参数；④ 试验系数。在本实验中，主控因素是钻头水眼和钻井液的性能参数。

2　结果与讨论

2.1不同水眼面积对循环压耗的影响

根据钻头的现实工况，水眼主要是分布在钻头外围，在进行模拟实验时，首先要考虑外围的水眼，因而实验中在打开外围水眼情况下的测点较多。图4分别为清水条件下，钻头1和钻头2根据水眼数目变化测得的排量-泵压曲线。

图4排量-泵压变化曲线

Fig.4Output volume-pump pressure curve

由图4可知，其他条件保持不变，当钻头水眼面积增加时，循环压耗逐渐降低。而根据上文提到的计算循环压耗的理论公式可知，钻头水眼越大，钻井液上返流速越小，总循环压耗就越小，实验结果与理论计算结果相稳合。

观察图4，曲线在排量近似为8.0 m3/h时呈现不同的变化趋势，所以排量8.0 m3/h是本实验研究中的循环压耗变化的临界值，临界排量两边压耗呈现不同的变化情况。当排量在8.0 m3/h以下，泵压与排量之间呈明显的线性关系，可引入一个循环压耗系数K，得近似公式：

p=KQ+C

式中：K、C是随水眼变化的系数，(h·MPa)/cm3、MPa；Q为排量，cm3/h；p为泵压，MPa。

当排量超过8.0 m3/h，循环压耗系数变小，总循环压耗趋于不变。图5是钻头2在3个水眼情况下，排量与泵压的关系，图5中两曲线之间纵向距离为同一排量下的钻头压降。根据现有理论，钻头压降要尽可能的大，以提高钻头水功率[16]。在模拟实验条件下，泵注反循环钻头水功率的临界排量是8.0 m3/h，与循环压耗变化的临界排量一致。

同时从实验结果也可以得到这样的结论：钻头水眼面积越大，泵注反循环的循环压耗越小。当钻头总水眼面积超过钻杆内截面的50%时，其循环压耗不再发生明显改变，这在钻头2(图4(b))表现更为明显。因此，循环压耗变化的水眼总面积与钻杆内截面的临界面积比为1∶2。在泵注反循环钻井的钻头水眼的设计上，如考虑最大程度地保持流道畅通，应该保证总水眼大小占钻柱内截面的50%左右。

图5钻头2(打开4#、7#、10#水眼)的排量-泵压、底部压力关系

Fig.5No 2 bit (opening 4#,7#,10#nozzles) output volume-pump pressure, bottom pressure curve

2.2不同水眼布局对循环压耗的影响

此组实验使用清水钻井液，检测钻头2在不同水眼布局下的排量-泵压变化。根据实验结果，得到图6排量-泵压变化曲线。由图6可知，水眼布局对循环压耗的影响比水眼数目的影响要小得多，且在水眼数目较少时，水眼布局对压耗的影响较小；水眼数目较多时，水眼布局对压耗的影响变大，且水眼在钻头边缘均匀分布的压耗小于水眼在钻头中间分布的压耗。

图6钻头2不同水眼布局排量-泵压变化曲线

Fig.6No 2 bit’s output volume-pump pressure curve with different nozzles layout

在相同的水眼大小和数目下，相同的排量测点的钻井液的流速是一定的，此时环空、钻柱内面积和流体流速不变，因而压耗一定。当总压耗存在差异，压耗变化的来源为钻头压降。而钻头的压降来源于两部分：钻井液通过水眼的压降和钻井液通过钻头台阶处的压降。水眼数目较少时，钻井液流速较高，总压耗主要由管线及钻杆内外环空的压耗决定，因而钻头水眼布局对总压耗的影响不明显；水眼数目变多，钻井液流速放缓，钻头压降对总压耗的影响变大，此时水眼布局对总压耗的影响较大。

水眼边缘均布时，主要的压降为钻头台阶处的压耗，而水眼在中间分布时，压降的主体来源于水眼，通过水眼的水流之间的相互阻碍产生较大压耗，因此，在设计反循环钻头水眼时考虑水眼布局，尽量在钻头边缘多布水眼，中部少布水眼，减少压耗损失。

2.3不同钻井液对循环压耗的影响

图7是钻头2情况下，在清水钻井液中加入一定量的膨润土(CMC)之后测量得到的排量-泵压数据曲线。从图7中可以看出，加不同质量的膨润土，总循环压耗有明显的变化。在打开6个水眼边缘均布情况下，不同的膨润土的加量，总循环压耗曲线的上移量与膨润土加量呈现明显的正线性相关。

图7钻头2不同钻井液参数排量-泵压变化曲线

Fig.7No 2 bit’s output volume-pump pressure curve with different mud propertied

对比同种水眼数目和水眼布局时的压耗曲线，加膨润土得到的结果与清水钻井液的结果相似。同样地，在钻井液中加膨润土仍存在循环压耗变化的临界面积比和临界排量，此时的钻头水眼临界面积比仍为1∶2。但此时的临界排量减小，在膨润土加入质量为109 kg时，临界排量减小到7.5 m3/h；在膨润土加入质量为223 kg时，临界排量减小到7 m3/h。

因此，膨润土加量会同时增大钻井液密度和黏度，从而增大循环压耗，呈现负线性影响。膨润土加量对钻头设计临界面积比无影响，但会降低临界排量。同时，在膨润土加量相同的情况下，这组实验所得的结果与上两节结果相似，可再次论证前面结论的正确性。

3　结论

(1) 在反循环钻井中，最优的水眼面积是钻杆内截面积的50%。

(2) 在反循环钻井中，水眼应尽量布局在钻头边缘。

(3) 在反循环钻井中，膨润土的加量对压耗影响显著，临界排量随膨润土加量的增加而变小。

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(编辑宋官龙)

Experimental Study on the Cyclic Pressure Loss of Pump-Injected Reverse Circulation Drilling

Che Yang, Zhou Jinhui, Wu Han, Cheng Jiaqi

(CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China)

Pump-injected reverse circulation drilling is a new drilling method. It has lots of advantages (such as cleaned hole and high ROP) compared with previous method, which can be used in drilling complex structural well. As we all know, cyclic pressure loss is one of the most important topics in drilling. The laws of cyclic pressure loss in different nozzles or mud parameters are studied experimentally in lab. The paper analyses the major factors affected cyclic pressure loss, according to results of the simulated experiment. It comes to the conclusions that the area of the bit nozzles should be a half of the drilling stem. And the edge of the bit is the best position to place the bit nozzles. At the same time, the cyclic pressure loss can be higher while the density of drilling fluid increases. However, the density doesn’t seem to affect the best arrangement of bit nozzles. Theoretical basis is provided for optimized design of pump-injected reverse drilling bit nozzles.

Pump-injected reverse circulation drilling; Cyclic pressure loss; Bit hydraulic parameters; Experiment; Optimization

1006-396X(2016)02-0027-05

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2015-09-30

2015-11-27

国家自然科学基金创新研究群体项目(51221003)；国家863主题项目“致密气藏高效钻井技术研究”(2013AA064803)；联合基金项目“页岩气钻探中的井壁稳定及高效钻完井基础研究”(U1262201)。

车阳(1993-)，男，本科生，石油工程专业，从事油气井流体力学与工程理论与实验研究；E-mail：Cupcheyang@163.com。

周劲辉(1971-)，男，博士，高级工程师，从事井下力学、信息与控制工程理论与实验研究；E-mail：ezhoujinhui@126.com。

TE242

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.02.006