風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型

黃 勇，殷 琨，朱麗紅

(1.吉林大學建設工程學院，吉林長春 130026;2.吉林大學國土資源部復雜條件鉆進技術開放研究實驗室，吉林長春 130026;3.吉林大學國土資源部地球探測技術與儀器重點實驗室，吉林長春 130026;4.中國石油大學 石油工程學院，山東 青島 266555)

風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型

黃 勇1，2，3，殷 琨1，2，3，朱麗紅4

(1.吉林大學建設工程學院，吉林長春 130026;2.吉林大學國土資源部復雜條件鉆進技術開放研究實驗室，吉林長春 130026;3.吉林大學國土資源部地球探測技術與儀器重點實驗室，吉林長春 130026;4.中國石油大學 石油工程學院，山東 青島 266555)

根據(jù)風動潛孔錘反循環(huán)鉆進技術的特點，借鑒最小動能法推導出風動潛孔錘反循環(huán)鉆井滿足攜屑能力的最小注氣量和中心通道內最低井底壓力，二者耦合得出風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型，結合GQ-320型潛孔錘工程算例，計算出不同機械鉆速下最小注氣量，并將模型計算結果與現(xiàn)場實測氣量值進行比較。結果表明：在地層條件完整或漏失不嚴重的情況下，風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量計算值與現(xiàn)場實測值吻合較好;實例井上返巖屑的速度分析與現(xiàn)場未洗井情況一致，驗證了模型的可靠性。

氣體鉆井;潛孔錘;反循環(huán);注氣量

風動潛孔錘反循環(huán)鉆井技術是氣體鉆井技術的重要分支，集潛孔錘沖擊碎巖、流體介質全孔反循環(huán)、連續(xù)上返巖礦心三項鉆進工藝于一體，兼有空氣鉆井、沖擊回轉鉆井和反循環(huán)鉆井的優(yōu)勢。鉆井過程中，循環(huán)的氣體體積流量要保證井底清潔，巖屑及時順暢排出和潛孔錘在孔底做功的需要。但是，空氣的壓縮性使實際體積流量隨井深的增加而逐漸減小，造成孔底潛孔錘工作不正常、巖屑重復破碎、鉆孔效率下降。為保證鉆進順利進行應隨井深調節(jié)地面最小注氣量，而關于反循環(huán)鉆井地面最小注氣量調節(jié)的可供經(jīng)驗并不多，還缺乏用于實際的理論方法和計算公式。若地面注氣量過小，井內巖屑不能及時順暢排出并逐漸聚集在井底，會導致重復破碎，同時潛孔錘在孔底不能正常工作，最后氣量持續(xù)降低，井口壓力持續(xù)升高，直到上返巖屑量越來越少，形成阻塞發(fā)生井下事故［1-3］。筆者借鑒最小動能法基本思想推導滿足攜屑能力的最小注氣量計算公式，結合反循環(huán)鉆頭貫通孔結構和反循環(huán)鉆井工藝的特殊性推導中心通道內最低井底壓力計算公式，二者耦合得出風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型。

1 模型推導

風動潛孔錘反循環(huán)鉆具的主要特征是雙通道，即環(huán)狀間隙和中心通道。受鉆具結構和幾何尺寸的限制，雙通道過流斷面固定且值很小。風動潛孔錘反循環(huán)鉆進技術采用壓縮空氣作為鉆井循環(huán)介質，流體介質上返速度高，巖屑顆粒之間、巖屑顆粒與壓縮空氣之間的相互作用較弱。風動潛孔錘反循環(huán)鉆井技術當前主要用于鉆直井，因此假設［4-10］：①直井鉆進;②忽略巖屑顆粒和設備器壁的端末效應影響;③鉆進中循環(huán)的氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程;④氣體和巖屑顆粒的混合物為具有相同密度和流速的均一流體;⑤中心通道和環(huán)狀間隙內均處于紊流完全粗糙區(qū)。

風動潛孔錘反循環(huán)鉆井中壓縮氣體流動過程如圖1所示。

圖1 反循環(huán)流動示意圖Fig.1 Schematic diagram of reverse circulation flow

壓縮空氣沿雙壁鉆具的環(huán)狀間隙進入孔底，驅動潛孔錘做功后攜帶反循環(huán)鉆頭鉆進產(chǎn)生的巖屑沿中心通道上返至地表。結合反循環(huán)鉆頭鉆取巖屑的不規(guī)則形狀和反循環(huán)鉆井工藝的特殊性，推導風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型。

1.1 最小攜巖能力

為保持井底清潔，避免重復破碎，應將反循環(huán)鉆頭鉆進產(chǎn)生的巖屑及時順暢地排至地表。假設井眼內某一井深處的流體具有標準狀態(tài)下空氣的最小攜巖能力，根據(jù)動能定理則有

式中，γgo為標準狀態(tài)下氣體的重度，N/m3;vgo為標準狀態(tài)下所需最小氣體流速，m/s;γg為計算井深處氣體重度，N/m3;vg為計算井深處氣體流速，m/s。

由理想氣體狀態(tài)方程可得任意計算井深處氣體的重度為

式中，Sd為氣體的相對密度;pgo為標準狀態(tài)下氣體壓力，Pa;Tgo為標準狀態(tài)下氣體的絕對溫度，K;p為計算井深處的壓力，Pa;T為計算井深處的絕對溫度，K。

任意計算井深處氣體的體積流量Qg為

式中，Qgo為標準狀態(tài)下的氣體體積流量，m3/s。

由式(3)可推出計算井深處氣體的流動速度vg為

式中，A為計算井深處的過流斷面面積，m2。

將式(2)和式(4)代入式(1)中整理得

井內壓縮空氣若要具有標準狀態(tài)下流速為vgo的氣體攜巖能力，則注氣量與中心通道內井底壓力須滿足式(5)。

1.2 中心通道井底壓力

由于反循環(huán)鉆井工藝的特殊性，巖屑顆粒、壓縮空氣、地層流體構成中心通道內向上流動的三相流。在距地表一定井深處取一微元段dz，該微元段內壓力梯度dp隨井深z的變化而變化：一部分是由多相流運動產(chǎn)生的壓力，一部分是由多相流自身重力產(chǎn)生的壓力。根據(jù)圓形直管阻力損失范寧公式和伯努利方程，推導出微元段內多相流的壓力變化dp與井深z的關系為

式中，γm為中心通道內混合均勻流重度，N/m3;Dc為中心通道直徑，m;g為重力加速度;f為范寧摩擦系數(shù);v為中心通道內氣體上返流速，m/s。

中心通道內壓縮空氣、固體巖屑和液態(tài)地層流體混合物的重度γm為

式中，wg、wl、ws分別為氣體、液體、固體的重力流量，N/s;Qg、Ql、Qs分別為氣體、液體、固體的體積流量，m3/s。

在風動潛孔錘反循環(huán)鉆井循環(huán)系統(tǒng)中，中心通道內液流和巖屑的體積分數(shù)都很小，故只考慮氣體體積流量的影響。然而，壓縮空氣的體積流量是井深的函數(shù)，根據(jù)質量守恒定律推出井內任意點壓縮空氣的重力流量、重度和體積流量之間的關系為

根據(jù)理想氣體狀體方程整理式(8)后得到任意一點壓縮空氣的體積流量為

忽略固體巖屑體積和液流體積的影響，將式(9)代入式(7)得到風動潛孔錘反循環(huán)鉆井系統(tǒng)中心通道內任一點的重度為

式中，Sl為液相地層流體相對清水的相對密度;ρs、ρg和ρair分別為巖屑密度、氣體密度和標準狀態(tài)下空氣密度，kg/m3;ρw為清水密度，kg/m3;Mair為空氣摩爾質量，g/mol;Dbit為鉆頭外徑，m;vm為機械鉆速，m/s。

在計算井深處，中心通道內氣體上返流速為

式中，Ac為中心通道過流斷面面積，m2。

假定中心通道內壓縮空氣上返流速約為三相流體上返速度，將式(11)和式(12)代入式(6)中得

給定邊界條件：在地表出口(z=0)處壓力為ps，在井深z處壓力為pcz，對式(13)進行積分得

令中心通道井底壓力與最小攜巖能力滿足的壓力相等，將式(14)代入式(5)整理得

式(15)即為風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型，求解該方程可得到不同井深條件下所需的最小注氣量。

1.3 模型校正

式(15)計算的最小注氣量是標準狀態(tài)下所需的空氣量，不能直接用于指導地面注氣量的調節(jié)，須根據(jù)現(xiàn)場壓力、溫度和濕度進行校正。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程將現(xiàn)場壓力和溫度校正為

式中，pa為現(xiàn)場大氣壓，Pa;Ta為現(xiàn)場溫度，K;Qa為校正后的注氣量，m3/h。

考慮壓縮機的除水效率，空氣濕度校正［11］為

式中，Qh為濕氣體的體積流量，m3/h;fw為除水效率;φ為相對濕度;pw為水蒸氣的飽和壓力，kPa。

2 算例分析

2.1 算例數(shù)據(jù)

結合GQ-320型油氣勘探用風動潛孔錘反循環(huán)鉆井系統(tǒng)及其在四川某井鉆進的地層條件給出模型計算基礎數(shù)據(jù)：中心通道出口壓力ps為101.325 kPa，標準狀態(tài)下壓力 pgo為101.325 kPa，氣體相對密度Sd為1，管壁粗糙度 Ra為3.81 μm，固相巖屑密度ρs為2700 kg/m3，井深z為2 km，除水效率fw為0.95，鉆頭直徑Dbit為0.45 m，環(huán)狀間隙外徑Do為0.105 m，環(huán)狀間隙內徑Di為0.089 m，中心通道直徑Dc為0.08 m，空氣絕熱指數(shù)k為1.4，空氣摩爾質量Mair為0.029 kg/mol，相對濕度φ為0.8。

2.2 計算求解

風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型中各系數(shù)均是氣量的函數(shù)，需要迭代求解。計算流程如圖2所示。輸入基本參數(shù)后給定計算初值，以允許誤差er作為判斷收斂標準，采用Newton迭代法進行計算，給定機械鉆速即可得到不同井深條件下的最小注氣量變化曲線。

圖2 計算流程Fig.2 Calculation flow chart

不同機械鉆速下計算得到的最小注氣量隨井深的變化曲線如圖3所示。隨著井深的增加，最小注氣量增大，且機械鉆速越大，相同井深處所需最小注氣量越大。

2.3 結果對比

在四川某井應用風動潛孔錘反循環(huán)鉆進技術，從開孔到600 m平均機械鉆速為5 m/h，現(xiàn)場應用的實際氣量如圖4所示。井深0～550 m實際鉆井所需氣量與利用風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型計算的氣量接近，到600 m時實際鉆井所需氣量劇增，這是因為550 m開始地層條件復雜，漏失嚴重。通過對比可知，在地層條件完整或漏失不嚴重的情況下，風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型

圖3 最小注氣量變化曲線Fig.3 Variation of the minimum gas volume flow rate

可以用來指導現(xiàn)場實際作業(yè)。

圖4 實際注氣量變化曲線Fig.4 Variation of actual gas volume flow rate

另外，比較Cray公式［12］計算實際鉆進獲取巖屑的最小上返速度與最小注氣量模型計算巖屑的最小上返速度，進一步驗證最小注氣量模型。現(xiàn)場實際鉆進獲取的巖屑并非規(guī)整的球形顆粒，而是不規(guī)則形狀。圖5所示為風動潛孔錘反循環(huán)鉆井上返的巖屑，不同編號的巖屑對應不同井深。將6塊巖屑基于體積的當量球直徑換算成當量球體，采用Cray公式計算攜帶巖屑至地表所需的最小氣體上返速度。以1號巖屑為例，半徑15.74 mm，最大高度22 mm，等效球體直徑為34.87 mm，流道水力直徑DH為76 mm，阻力系數(shù)CD為0.85，顆粒球形度ψ為1，最小上返速度為

圖5 反循環(huán)鉆頭鉆取的巖屑Fig.5 Cuttings drilled by reverse circulation drilling

同樣采用Cray公式計算出其他5塊巖屑的最小上返速度，再通過式(12)計算出機械鉆速5 m/h條件下采用最小注氣量模型時中心通道內壓縮空氣的上返流速，二者對比如圖6所示。

通過上返流速對比可知，采用風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型計算的中心通道內氣體上返流速大于采用Cray公式計算實際鉆進獲取巖屑的上返速度，不會產(chǎn)生巖屑堆積問題。這一結論與該井作業(yè)過程中未出現(xiàn)清洗情況相一致，進一步表明該模型可以用于分析和指導現(xiàn)場作業(yè)。

圖6 上返流速對比曲線Fig.6 Comparison curve of up return flow rate

3 結論

(1)隨著井深的增加，最小注氣量逐漸增大，但并非簡單的線性增加。

(2)在地層條件完整或漏失不嚴重的情況下，通過風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型計算得到的注氣量與實例井的現(xiàn)場注氣量接近，說明該模型可以指導現(xiàn)場作業(yè)。

(3)采用風動潛孔錘反循環(huán)鉆井最小注氣量模型計算的巖屑最小上返速度不會產(chǎn)生巖屑堆積問題，與現(xiàn)場未洗井情況一致，驗證了模型的可靠性。

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The minimum gas injection volume model of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling

HUANG Yong1，2，3，YIN Kun1，2，3，ZHU Li-hong4
(1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China;2.Laboratory of Technology for Drilling under Complex Condition of Ministry of Land and Resources，Jilin University，Changchun 130026，China;3.Key Laboratory of Geodetection Technology ＆ Instrumentation of Ministry of Land Resources，Jilin University，Changchun 130026，China;4.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

According to the characteristics of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling technology，the minimum gas volume flow rate satisfying the minimum capacity of carrying scrap and the minimum bottom hole pressure within the central channel of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling were deduced using the kinetic energy method.Then，the model of the minimum gas volume flow rate of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling was established.Combined with the GQ-320 type DTH hammer practical work，the minimum gas volume flow rates under different penetration rates were obtained and compared with the measured values.The results show that under the condition of formation complete or the loss being not serious，the calculation values of the gas volume flow rate of the pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling agree well with the field values.The upward cutting velocity analysis agrees well with the field data，which verifies the reliability of the model.

gas drilling;DTH hammer;reverse circulation;gas injection volume

TE 242.6

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.05.012

1673-5005(2011)05-0065-05

2011－02－22

中國地質調查局項目(1212010816018);四川石油鉆井工藝技術研究院項目(2006220100003435);山東省自然科學基金項目(ZR2011EEQ012)

黃勇(1981－)，男(漢族)，吉林永吉人，博士研究生，主要從事工藝沖擊回轉鉆進技術研究。

(編輯 李志芬)