泵注反循环岩屑粒径对最低排量的影响实验

周劲辉,张 勇,高德利,浦世雄,王睿博,韦帮伟

(石油工程教育部重点实验室中国石油大学(北京)，北京 102249)



水文·工程·环境

泵注反循环岩屑粒径对最低排量的影响实验

周劲辉,张 勇,高德利,浦世雄,王睿博,韦帮伟

(石油工程教育部重点实验室中国石油大学(北京)，北京 102249)

介绍了泵注反循环钻井的基本原理和特点。利用泵注反循环岩屑运移模拟实验装置，以清水为循环介质，对6种不同粒径的岩屑上返所需要的最低排量(流速)进行了实验。探讨了最低排量和循环压耗随岩屑粒径的变化规律。实验结果表明：岩屑上返的最低排量和循环压耗随岩屑粒径的增大呈现非线性的增加，当岩屑粒径超过4.75mm后，循环压耗的增幅加大；岩屑在水平段运移所需的最低排量小于在弯曲段和直井段运移所需的最低排量。实验结果为泵注反循环钻井方法的应用和水力参数的优化提供了依据。

泵注反循环 岩屑粒径 岩屑运移 最低排量 循环压耗

Zhou Jin-hui,Zhang Yong,Gao De-li,Pu Shi-xiong,Wang Rui-bo,Wei Bang-wei.An experiment for the effect of cutting diameter on the minimum pump rate in Pump-injected reverse circulation drilling[J].Geology and Exploration, 2016, 52(1):0159-0164

1 前言

降低每米钻井进尺费用和提高钻井速度是未来高度需求重点发展的钻井技术(沈忠厚等，2009)。以水平井为特征的复杂结构井有利于降低油气勘探开发成本，但因井斜角较大、水平段较长，岩屑床容易形成。因井眼净化不充分，钻进时摩阻和扭矩过大、套管磨损严重和岩屑重复破碎等也将导致机械钻速低、钻井成本高和钻井风险大(周风山等，1998；赵江印等，1999；魏文忠等，2006；宋洵成等，2009；牟艳宇等，2010；姜洪阁，2011；郑强等，2012)。针对大位移井等复杂结构井所面临的井眼净化问题，主要解决方法有提高钻井液返速法、改善泥浆性能法、机械清除法和工具清除法(张洪泉等，1999；石晓兵，2000；黄丽萍，2002； Dave Rodmanetal.，2003；吴仲华等，2006；王智锋，2009；陈锋等，2012)。在受地层、钻井设备以及钻具条件限制的情况下，完全靠大排量的方法来提高泥浆的携岩能力一般难于实现。设计及应用特种钻井液需要投入大量的费用，增加钻井成本。机械清除法短时间内必须起下钻，虽能起到清屑效果，却要花费很多时间在起下钻上，影响了钻井的效率，同样达不到快速、 优质钻井的目的。工具清除法需每隔一定长度下入一个工具短节，增加了钻柱的螺纹连接，因此增加了安全隐患。总之，井筒净化问题仍然没有得到有效的解决。

反循环钻井与正循环钻井相比，具有保持井眼清洁、钻进效率高、利于识别地层和保护储层、成本低、利于防塌和防漏、减少套管磨损、降低摩阻扭矩等优点(Reuben L Grahametal.，1993；孙丙伦，2007)，在桩基工程、水文水井勘察、地热勘探、浅层气勘探和洗井中得到成功的应用(李奋强等，2006；王运美等，2007；陈怡，2009；Jeff Lietal.，2010；Amy Sarah Hodson-Clarkeetal.，2013；李雪峰，2013；王建平等，2013)。根据产生反循环动力来源，有泵吸反循环、气举反循环和泵注反循环。泵注反循环钻井克服了泵吸反循环钻井压差小(廖光华，2000；尹飞等，2008)和气举反循环钻井双壁钻具强度受到限制的弱点，理论上具有钻进深度更深、钻井成本更低和实现更容易的特点，在现有旋转防喷器技术条件下(张慧等，2007)，只需改变钻井液的泵入线路即可实现。岩屑运移和循环压耗是泵注反循环钻井能否成功实现的关键，而岩屑运移所需的最低排量又是岩屑运移和循环压耗的控制因素。因此，开展泵注反循环岩屑运移最低排量的研究对于此钻井工艺方法用于复杂结构井而实现安全、优质和高效钻井具有重要意义。

2 泵注反循环钻井原理

泵注反循环钻井原理如图1所示，通过地面泥浆泵向密闭的环空泵入有一定压力的钻井液，迫使钻井液流向井底携带岩屑进入钻头水眼并经钻柱内部上返出地表。

图1 泵注反循环钻井原理

3 泵注反循环岩屑运移模拟实验

3.1 模拟实验装置

泵注反循环模拟实验装置原理如图2所示，实物如图3所示。该装置主要包括泥浆泵、泥浆池组、正反循环控制阀组、模拟井筒、模拟钻柱、模拟钻头、岩屑筒、循环管线和测试仪表等，可以灵活实现钻井液正、反循环切换。

图2 泵注反循环模拟实验装置原理图

该模拟实验装置在模拟钻柱不旋转的情况下可进行水平井、大位移井泵注反循环岩屑运移和循环压耗的模拟实验。该实验装置的主要组成部件如下：

(1) 泥浆泵：BW-250型(地质勘探常用泵);

(2) 泥浆池：不锈钢桶，共3个，每个体积1.2m3;

(3) 循环管线：高压胶管;

(4) 模拟井筒：有机玻璃管，外径110mm，内径100mm，用不锈钢法兰连接;

(5) 模拟钻柱：不锈钢管，外径63mm，内径60mm;

(6) 模拟钻头：不锈钢材料做成;

(7) 测试仪表：压力表、流量表。

3.2 泵注反循环模拟实验研究

3.2.1 实验条件

对6种不同粒径的石英砂进行了最低排量和循环压耗的模拟实验。

① 岩屑粒径：8目、6目、5目、4目、2.5目、<2.5目，粒径均小于10mm，如图4;

② 钻井液类型：清水;

③ 温压条件：室内常温、常压;

④ 实验次数：每组岩样各实验3次实验，共计18组实验;

⑤ 井筒条件：井筒总长18m，其中水平段长14.5m，垂直高度4.5m。

图3 泵注反循环模拟实验装置物实物图

3.2.2 实验数据

实验数据如表1所示。

3.2.3 实验结果分析

① 最低排量与岩屑粒径的关系

岩屑上返的最低排量与粒径的关系如图5所示，从图中可以看出，岩屑上返的最低排量与岩屑粒径几乎成正比，用二次多项式拟合更精确。在实验中，透过有机玻璃井筒(钻头与模拟钻柱之间接有一根1m长的透明管)可以观察到：岩屑进入钻头水眼和在模拟钻柱内水平段运移所需的最低排量明显低于岩屑返出井筒的最低排量，表明反循环时，水平段岩屑运移比较容易，对大斜度井、大位移井的井眼净化有利。

图4 实验中的部分照片

表1 不同粒径岩屑最低排量和循环压耗实验数据

水平井段岩屑运移可视化实验结果表明：正循环时水平段岩屑容易在井筒下边堆积形成岩屑床，携岩相对困难。

图5 岩屑最低排量与岩屑粒径的关系图

② 循环压耗与岩屑粒径的关系

实验中循环压耗的模拟实验是通过测量泵入端、钻头底部和返出端的压力进行分析，因所需泵压太低，泥浆泵的泵压表指针几乎没有变化，因此将泵入端测量的压力视为泵压。测试结果如图6所示，从图中可以看出，随着岩屑粒径的增加，泵压也相应增加，表明循环压耗也相应增加。

图6 循环压耗与岩屑粒径的关系

实验中通过循环前后压力的变化可以看出：钻井液不循环时，井底压力与井口压力相差0～0.43MPa，刚好为垂直井筒的静水压力;钻井液循环后，井底压力开始下降，循环稳定后，井底压力与井口压力相差无几。岩屑粒径大于4目(4.75mm)后，井底压力与泵压之差才明显增大，可能存在一个临界岩屑粒径，它对循环压耗影响较大。临界岩屑粒径在不同的井筒条件和钻井液性能条件下可能不同，需要进行进一步实验确定。

实验结果表明：当岩屑粒径为2.5目(9.50mm)时，最低排量2.104L/s，对应的上返流速为0.774m/s。实际反循环钻井中，当井筒直径为215.9mm、钻杆外径为127mm、钻杆内径为108mm、钻杆不旋转时，同样粒径的岩屑所需的理论最低排量为6.82L/s，对应正循环钻井需要的理论最低排量为17.68L/s(是反循环排量的2.59倍)。

4 结论

(1) 实验观察表明：岩屑进入钻头水眼和在模拟钻柱内水平段运移所需的最低排量明显低于其返出井筒所需的最低排量，表明泵注反循环时，水平段岩屑运移比较容易，而在弯曲段和直井段运移相对困难。

(2) 岩屑粒径是影响泵注反循环岩屑运移的重要因素，岩屑上返所需的最低排量随粒径的增大呈现非线性增加的规律;同等粒径的岩屑反循环时上返所需最低排量比正循环所需的最低排量小很多,反循环有利于岩屑的运移。

(3) 泵注反循环时，循环压耗随岩屑粒径的增大呈现非线性增加的规律，当粒径增加到一定程度，循环压耗增幅加大。

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An Experiment for the Effect of Cutting Diameter on the Minimum Pump Rate in Pump-injected Reverse Circulation Drilling

ZHOU Jin-hui,ZHANG Yong,GAO De-li,PU Shi-xiong,WANG Rui-bo,WEI Bang-wei

(MOEKeyLabofPetroleumEngineering.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249)

This paper presents the basic principles and characteristics of the reverse circulation drilling technology with pump-injected reverse circulation.Using the simulation experiment device of cutting transportation in this drilling,with clean water as the circulation medium,we have carried out tests of the minimum pump rates (velocity of fluid) for six kinds of cuttings with different particle diameters.Then we studied the regulations of changes of the minimum pump rates and circulation pressure loss with the particle diameters of the cuttings.The results show that both the minimum pump rate and circulation pressure loss are nonlinearly increased with the particle diameter of the cutting increase.The circulation pressure loss rises more sharply when the particle diameter of the cuttings is large than 4.75mm,and the minimum pump rate of cuttings transported in the horizontal well section is lower than that transported in the bending well section and vertical well section.The experiments results provide a basis for the application of the pump-injected reverse circulation drilling technology as well as for the hydraulic parameter optimization.

pump-injected reserve circulation,cutting diameter,cutting transportation,minimum pump rate,circulation pressure loss

2014-06-11；

2015-12-08；[责任编辑]陈伟军。

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)和联合基金项目“页岩气钻探中的井壁稳定及高效钻完井基础研究”(U1262201)联合资助。

周劲辉(1971年-)，男，2002年毕业于中国地质大学(武汉)，获博士学位，高级工程师，长期从事井下力学/信息与控制工程理论与实验研究。E-mail：ezhoujinhui@126.com。

TE242

A

0495-5331(2016)01-0159-06