井下固控裝置的研究及應(yīng)用

萬(wàn)夫磊 李春山 徐依吉 吳 琪 李 翔

（1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東東營(yíng) 257061；2.勝利油田石油開發(fā)中心有限公司，山東東營(yíng) 257000）

井下固控裝置的研究及應(yīng)用

萬(wàn)夫磊1李春山1徐依吉1吳 琪1李 翔2

（1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東東營(yíng) 257061；2.勝利油田石油開發(fā)中心有限公司，山東東營(yíng) 257000）

在鉆井過(guò)程中，為保障鉆井安全需在鉆井液中加入大量固相顆粒，鉆井液中固相顆粒對(duì)機(jī)械鉆速的影響較大，研制了一種安裝在鉆頭上方的井下固控裝置，該裝置通過(guò)水力旋流分離原理將鉆井液中大部分固相顆粒與鉆井液分離并甩入環(huán)空區(qū)域，使通過(guò)鉆頭的鉆井液固相含量大大減少。本裝置設(shè)計(jì)的排固噴嘴有反向噴射作用，可以實(shí)現(xiàn)高效清洗井底，提高機(jī)械鉆速。通過(guò)室內(nèi)分離效果試驗(yàn)確定了裝置的錐體角度和最優(yōu)排量。在勝利油田、勝利海洋鉆井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了該裝置安裝方便，工作可靠，有明顯的提速效果，可降低鉆井液中的固相含量并有利于提高機(jī)械鉆速。

井下固控；水力旋流；機(jī)械鉆速；鉆井液；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

石油天然氣鉆井時(shí)，鉆井液中固相顆粒的含量會(huì)隨著井深的增加而增大，而當(dāng)遇到異常高地層壓力時(shí)，為保障鉆井安全需在鉆井液中加入大量重晶石等固相顆粒，固相顆粒在鉆井液中的存在是不可避免的。鉆井液中固相含量每增加1%，機(jī)械鉆速會(huì)降低8%左右［1］；固相含量的增加會(huì)加劇鉆頭噴嘴的磨損，導(dǎo)致鉆頭重復(fù)破碎，也會(huì)影響鉆井液的攜巖性能，造成壓持效應(yīng)加劇［2］。為此筆者研制了一種安裝在鉆頭上方的井下固控裝置，該裝置通過(guò)水力旋流分離鉆井液中的固液兩相［3］，大幅度地減少了通過(guò)鉆頭的鉆井液固相含量，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高效清洗井底，提高機(jī)械鉆速。該裝置在勝利油田、勝利海洋鉆井進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提高機(jī)械鉆速效果明顯。

1 設(shè)計(jì)和室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下固控裝置主要分為上部接頭、外筒、錐體、旋流器、溢流管、下部接頭等。其工作方式為：裝置安裝在鉆頭上方，由鉆鋌進(jìn)入該裝置的鉆井液經(jīng)過(guò)分離處理，絕大部分固相含量通過(guò)流道直接排入環(huán)空區(qū)域上返，處理后的低固相優(yōu)質(zhì)鉆井液進(jìn)入鉆頭噴射鉆井。井下固控裝置的工作原理為：鉆井液通過(guò)上部外筒的流道進(jìn)入裝置后分成兩部分：一部分鉆井液通過(guò)導(dǎo)流槽和旋流器進(jìn)入錐體內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因離心力的作用大部分固相顆粒逐漸被甩入錐體上方，從排固流道進(jìn)入環(huán)空區(qū)域，大部分低固相優(yōu)質(zhì)鉆井液從錐體下方的溢流口進(jìn)入鉆頭噴射鉆井［4-5］；只有小部分鉆井液通過(guò)分流槽進(jìn)入底流口由鉆頭噴出，以防止憋壓。

1.2 特性分析

井下固控裝置改變了鉆井液在鉆柱里的循環(huán)方式，利用水力旋流原理，將大部分鉆井液中的固相顆粒分離出來(lái)并排入環(huán)空區(qū)域，既保持了環(huán)空井筒內(nèi)的鉆井液密度，又能使通過(guò)鉆頭噴嘴的鉆井液更加清潔，減輕了鉆頭和噴嘴的磨損，延長(zhǎng)了鉆頭壽命，同時(shí)還可減輕地面固控設(shè)備工作壓力［6-7］。

該裝置設(shè)計(jì)的排固槽和排固噴嘴具有反向噴射的作用，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加反向噴射后，在排量及泵壓相同的情況下，機(jī)械鉆速可提高15%以上［1］。該設(shè)計(jì)的反向噴射形成了對(duì)環(huán)空區(qū)域巖屑上返的向上沖擊力，更加利于巖屑上返，這種設(shè)計(jì)也可降低環(huán)空液柱對(duì)井底的壓力，減小對(duì)井底的壓持效應(yīng)，高效清洗井底，有利于提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

1.3 室內(nèi)分離效果實(shí)驗(yàn)

為了達(dá)到最佳的固相分離效果，確定井下固控裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行了室內(nèi)分離效果實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)用鉆井液選用勝利油田常用鉆井液，密度為1.16 g/cm3，固相含量小于5%，固相顆粒的粒徑約為 6.16 μm。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，錐體角度、流量與分離效果密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，當(dāng)錐體角度由5～20°逐漸增加時(shí)，分離效果呈先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)錐角為15°左右時(shí)，分離效果最好；當(dāng)錐角再增大時(shí)，錐體內(nèi)部的流體完成旋轉(zhuǎn)的時(shí)間加長(zhǎng)，所受阻力增大，導(dǎo)致分離效率下降。流經(jīng)裝置的排量對(duì)分離效率的影響規(guī)律是隨著流量的增加，分離效率增加，但當(dāng)入口流量增大到一定值時(shí)，分離效率開始下降。這是因?yàn)楫?dāng)入口流量增大到一定值后高速流體使流場(chǎng)紊流加劇，被分離的顆粒又被返混入內(nèi)旋流，因此分離效率會(huì)下降，同時(shí)，裝置的壓降也會(huì)隨著流量的增加而增大［8］。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)流量在30～40 L/s時(shí)，流量既能保證較高的分離效率，壓降又不至于太大。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

井下固控裝置樣機(jī)研制完成后，首先在勝利油田永938井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，地層為S4上段，巖性以細(xì)礫巖為主，伴有深灰色泥巖，試驗(yàn)井段為3 573～3 695 m。鉆具組合為：?215.9 mmHJT517G鉆頭+井下固控裝置+?165 mmDC+FM195防磨接頭+?127 mmDP，鉆井參數(shù)為：鉆壓 140～160 kN，排量30～33 L/s，泵壓 12～13 MPa，轉(zhuǎn)速 55～60 r/min；鉆井液密度 1.17 g/cm3，黏度 46～66 s。純鉆進(jìn) 66.3 h，進(jìn)尺122 m，與同井上部地層相比，機(jī)械鉆速平均提高45%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 永938井機(jī)械鉆速對(duì)比

井下固控裝置在永938井試驗(yàn)成功后，又在勝利海洋鉆井KD89井進(jìn)行了2次試驗(yàn)，第1次為1 309～2 039 m，地層為館陶組，巖性主要為棕紅色、灰綠色泥巖、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖與灰綠色、灰白色、灰黃色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖呈不等厚互層。鉆具結(jié)構(gòu)：?241.3 mmHJT517G牙輪鉆頭+井下固控裝置+?177.8 mmNMDC+?238 mm 扶正器+?177.8mm+?127mmDP。鉆井參數(shù)：鉆壓 60～100 kN，轉(zhuǎn)速 60 r/min，排量 40～45 L/s，泵壓 14～19 MPa；鉆井液密度1.08～1.11 g/cm3。此次試驗(yàn)該裝置井下工作51 h，純鉆進(jìn)時(shí)間39.12 h，鉆井進(jìn)尺730 m。與鄰井同地層常規(guī)機(jī)械鉆速進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示使用該裝置后平均機(jī)械鉆速提高了34.53%，見表2。

第2次為2 059～2 263 m，地層為館陶組下段至東營(yíng)組，地層為館下段和東營(yíng)組，館下段巖性以灰白色塊狀含礫砂巖、粗砂巖夾薄層灰綠、淺灰色泥巖為主。東營(yíng)組上部以灰白色含礫砂巖、砂巖為主夾薄層灰色泥巖；下部以灰色泥巖為主夾薄層粉砂巖。鉆具結(jié)構(gòu)：?241.3 mmDF1905PDC鉆頭+井下固控裝置+?196.8 mm 動(dòng)力鉆具+浮閥+擋板接頭+?177.8 mmNMDC+?238 mm 扶 正 器+?177.8 mmDC+?127 mmDP。鉆井參數(shù)：鉆壓 50～90 kN，轉(zhuǎn)速 60 r/min，排量 40～45 L/s，泵壓 15～18 MPa；鉆井液密度1.11～1.12 g/cm3。本裝置井下工作33.17 h，純鉆進(jìn)時(shí)間22.8 h，鉆井進(jìn)尺204 m，與鄰井同地層常規(guī)機(jī)械鉆速進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示使用該裝置后平均機(jī)械鉆速提高了22.16%。見表3?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該裝置工作安全可靠，安裝使用方便，不影響現(xiàn)有的鉆井方式，同時(shí)又有明顯的提速效果。

表2 KD89井1 309～2 039 m使用井下固控裝置與鄰井機(jī)械鉆速對(duì)比

表3 KD89井2 059 m～2 263 m使用井下固控裝置與鄰井機(jī)械鉆速對(duì)比

3 結(jié)論

（1）利用水力旋流分離原理設(shè)計(jì)了井下固控裝置，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定了裝置的最優(yōu)參數(shù)。

（2）井下固控裝置在井底對(duì)鉆井液的固相分離，可降低固相顆粒對(duì)噴嘴和鉆頭的磨損，延長(zhǎng)鉆頭和噴嘴壽命。

（3）通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了降低鉆井液中的固相含量有利于提高機(jī)械鉆速。使用該裝置安裝方便，工作可靠，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)無(wú)特殊要求，有明顯的提速效果，縮短了建井周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 王建年.井下固控新理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐［J］.國(guó)外鉆井技術(shù)，1990，5（1）：33-38.

［2］ 陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.山東東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006：111-115.

［3］ 郭生武. 試論水力旋流器的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)［J］.石油鉆采工藝，1985，7（5）：37-44.

［4］ 任福安，殷佩海. 船舶壓載水旋流分離裝置［A］//現(xiàn)代船機(jī)維修技術(shù)［C］. 2005：280- 284.

［5］ 蔣明虎，蔣巍，張國(guó)云，等. 細(xì)顆粒分離水力旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，29（1）：58- 60.

［6］ 趙慶國(guó)，張明賢. 水力旋流分離技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［7］ 王勝利，靳紀(jì)軍，毛麗. 利用井下水力旋流器提高井下清洗效果［J］.清洗世界，2012，28（2）：39- 45.

［8］ 李賓飛，李兆敏，李曉宏，等.旋流式井下液砂分離器的研制及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：121-124.

（修改稿收到日期 2013-05-27）

Drilling speed raising technology research and application by downhole solid control device

WAN Fulei1, LI Chunshan1, XU Yiji1, WU Qi1, LI Xiang2
（1. College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying257061,China;2. Oil Development Center Co.,LTD of Shengli Oilfield,Dongying257000,China）

In oil and gas reservoir drilling, a large number of solid particles are added into the drilling fluid to ensure the security of drilling. Statistics show that the mechanical drilling rate will decrease as the solid content in drilling fluid increases, and the solid content in drilling fluid will increase with the grow of well depth. To reduce the influence of solid content in drilling fluid on the rate of penetration, the paper proposes a downhole solid control device which is mounted above the bit. Using the hydraulic cyclone separation method, it can separate most of the solid particles and drilling fluid, and slam them into the annulus area. In this way, the solid content of the drilling fluid flowing through the bit can be greatly reduced. The solid discharge nozzle of the device has a reverse jetting effect,which can effectively clean the downhole wellbore and increase the mechanical drilling rate. The cone angle and optimal delivery capacity of the equipment are determined through separating effect laboratory experiments. The device has been tested in Shengli onland field and Shengli offshore field, verifying that reducing the solid content of the drilling fluid can help improving mechanical drilling rate. The equipment features easy installation, reliable operation, and obvious acceleration effect.

downhole solid control; hydraulic cyclone separation; rate of penetration; drilling fluid; application

萬(wàn)夫磊，李春山，徐依吉，等. 井下固控裝置的研究及應(yīng)用［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：55-57.

TE249

：A

1000–7393（2013） 04–0055–03

攻關(guān)項(xiàng)目：勝利油田鉆井工程處先導(dǎo)性試驗(yàn)重點(diǎn)項(xiàng)目“新型水力裝置提速技術(shù)研究”（編號(hào)：SL2B-PY-GZ［2010］0052）。

萬(wàn)夫磊，1985年生。2008年畢業(yè)于洛陽(yáng)師范學(xué)院信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌饩黧w力學(xué)。電話：18654664106。E-mail：wanfulei@163.com。

〔編輯 薛改珍〕