射流式水力降压钻井机理与参数研究.pdf

第 3 1 卷 第 2期 2 0 0 9年 4月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHN0L OGY V0 1 ． 31 No ． 2 Ap r ．2 0 09 文章编号 1 0 0 0～7 3 9 3 2 0 0 9 0 20 0 1 1 0 4 射流式水 力 降压钻 井机理 与参数 研究 于 水杰 李 根生 罗 洪 斌 黄中 伟 1 ． 中国石 油大学油气资源与探测 国家重点实验 室， 北京1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中国石化 国际石 油勘探 开发公 司， 北京1 0 0 1 9 1 摘要窄密度窗口是钻井工程设计 中的一个难点。为解决这一问题， 提出了一种射流式水力降压原理， 利用高速射流产生 的抽吸 力降低 井底压力 循 环 当量 密度 ， 并介 绍 了工具设计 的基 本思路 。射 流式水力 降压 工具 由主 副流道 组成 ， 副流道流体 在喷嘴处的高速低压区对环空产生抽吸作用。通过计算， 降压效果随无量纲面积比、 排量和啧嘴直径的增大而增大， 随钻井速 度的增大而降低。在分流量 5 ％、 钻井液密度 1 ．2 5 g ／ c m 时， 最大能降低井底压力 1 ． 5 MP a 。该研究为射流式水力降压钻井应用 打下 了基础 。 关键词 射流式； 水力降压 ； 循环当量密度； 钻井机理； 参数计算 中图分类号 T E 2 4 8 文献标 识码 A Me c h a n i s m a n d p a r a me t e r s t u d y o f j e t h y d r a u l i c d r i l l i n g f o r d e c r e a s i n g b o t t o mh o l e p r e s s u r e Y U S h u ij ie lz , L I G e n s h e n g ， L U 0 H 0 n g b in ， H U A N G Z h 0 n g w e i 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fP e t r o l e u m R e s o u r c e a n d P r o s p e c t i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o fP e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2S in o p e c I n t e r n a t io n a l P e t r o l e u mE x p l o r a t i o na n dP r o d u c t i o nC o r p o r a t i o n ， Be o i n g1 0 0 1 9 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Na o w wi n d o w b e t we e n f r a c t u r e a n d p o r e p r e s s u r e b ri n g s h u g e d i ffi c u l t y t o d r i l l i n g e n g i n e e r i n g ． T o s o l v e t h e p r o b l e m， a n e w j e t h y dra u l i c p ri n c i p l e t o d e c r e a s e b o t t o mh o l e p r e s s u r e i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r , i ． e ． ， u s i n g t h e s u c t i o n p o we r r e s u l t e d f r o m h i g h s p e e d j e t t o d e c r e a s e b o t t o mh o l e p r e s s u r e e q u i v a l e n t c i r c u l a t i o n d e n s i ty ． An d t h e b a s i c i d e a o f d r i l l i n g t o o l d e s i g n i s i n t r o d u c e d ． T h e j e t h y dra u l i c b o t t o mh o l e p r e s s u r e d e c r e a s i n g t o o l i n c l u d e s ma i n a n d s e c o n d a r y fl o w p a t h ． Dril l i n g fl u i d f l o wi n g t h r o u g h t h e s e c o n d a ry p a t h e x e r t s s u c k i n g e ffe c t o n a n n u l a r a t t h e h Jig h v e l o c i ty and l o w p r e s s u r e p a r t o f t h e n o z z l e ． Ca l c u l a t i o n s h o ws t h a t t h e p r e s s u r e d e c r e a s i n g e ffe c t g e t s b e t t e r a s t h e d i m e n s i o n l e s s n o z z l e t o t h r o a t r a t i o ， t h e flo w r a t e ， a n d t h e n o z z l e d i a me t e r i n c r e a s e ， b u t i t g e t s wo r s e a s t h e d ri l l i n g r a t e i n c r e a s e s ． T h e b o tt o mh o l e p r e s s ur e d e c r e a s e s b y 1 ． 5 M P a a t t h e mo s t i n t h e c o n d i t i o n t h a t th e fl o w r a t i o b e t we e n ma i n a n d s e c o n d a ry f l o w p a th i s 5 ％ a n d t h e mu d d e n s i ty i s 1 ． 2 5 g ／ c m ． Ke y w o r d s j e t ； h y d r a u l i c p r e s s u r e d e c r e a s e ； e q u i v a l e n t c i r c u l a t i o n d e n s i ty； d ri l l i n g me c h a n i s m； p a r a me t e r c a l c u l a t i n g 随着 油 气 开采 向着 深 部 地 层及 深 海 方 向发 展 ⋯， 在这些地 区的钻井 过程 中， 遇 到了共 同的问 题窄钻井液 密度窗 口的安全 、 快 速钻井 问题。 窄钻井液密度窗口造成的钻井问题主要是由钻井液 循环当量密度 E C D 与钻井液静止当量密度的差值 造成的。钻井液循环过程中产生的摩擦压降将会在 钻井液静止密度上产生一个附加值， 使井底压力大 于地层破裂压力 ， 造成漏失 ， 严重则会丧失循环。同 时起下钻过程中形成的抽吸及激动压力也可能造成 井涌或井漏等复杂情况出现。 针对这一情况 ， 现场应用了双梯度钻井技术 J 、 钻井液帽技术 j、 压力管理钻井技术 J 、 连续循 环系统 c c s ， 均取得 了成功。We a t h e r f o r d公司 研制成功 由涡轮马达 、 井下泵及密封系统三部 分组 基金 项 目 教 育部科技 重大项 目 No ． 3 0 6 0 0 3 和教 育部 “ 长江学者与创新 团队 ” 项 目 No ． I R T 0 4 1 1 资助。 作者简介 于水杰， 1 9 8 2 年生。中国石油大学 北京 油气井工程专业硕士研究生毕业， 现在国际石油勘探开发公司工作。E ． m a i l y u s h u ij i e 1 6 3 ．c o m。 1 2 石油钻采工艺2 0 0 9年 4月 第 3 1 卷 第 2期 成的降低 E C D工具 E C D R T 。但 由于这些技术的 设备及工艺复杂 、 成本高 ， 目前尚未在 国内取得大规 模使用。为此， 笔者提出了一种在常规钻井方式下 有效降低井底压力的射流式水力降压方式。 1 射流式水力降压钻井机理 Dr i l l i n g me c h a n i s m o f h y d r a u fi e i e t f o r d e - c r e as i ng b o t t o mh o l e pr e s s u r e 射流式水力降压工具在不降低钻井液密度 的情 况下降低井底 当量循 环密度 ， 保证在窄密度窗 口下 操作的安全性。该工具主要是利用分流作用及由射 流产生高速低压 区的抽吸力来提高井底环空 内的钻 井液的流动能量 ， 降低当量循环密度 ， 结构原理如图 1 所示 ， 在井底的钻柱 内加装分流射流装置， 工具 内 的流动空 间分为主流道和副流道 ， 流经主流道 的钻 井液流向钻头 ， 经过井底 ， 携带岩屑沿环空上返。流 人副流道 的钻井液经由射流端喷嘴 ， 在工具 内形成 一 个高速低压区， 因而形成吸入 区， 利用产生湍动扩 散作用传递能量与质量 ， 对环空钻井液产生抽 吸作 用， 降低井底压力， 提高操作安全性。同时井底压力 降低有利于减少压持效应 ， 提高井底清洗效率， 提高 钻井速度及延长钻头寿命 ， 确保在窄钻井液密度窗 口环境下安全 、 快速钻进。 l 一钻铤 钻杆 ；2 一 本体； 3 一 扩散管；4 一 喉管； 5 一 吸入 [- 1 ； 6 一喷 嘴；7 一 副流道 8 一 主流道； 9 一钻铤 钻头 图 1 射流 式水 力降压钻井工具示意图 F i g ． 1 Dr i l l i n g t o o l s k e t c h o f h y d r a u l i c j e t f o r d e c r e a s i n g b o t t o mh o l e p r e s s u r e 2 射流式水力降压参数计算 P a r a me t e r c a l c u la t in g o f h y d r a u l i c j e t f o r d e - c r e a s i n g bo t t o mh o l e p r e s s u r e 2 ． 1 计算模型 Ca l c u l a t i ng m o de l 射流部分的工作特性参数主要有无量纲压力比 。 d 一 ／P n -- P d 、 无量纲面积比 A n ／ A 、 无 量纲流量比 、 效率 M 。 。 P p f ～ 一旦 二 一 二 二 二 r 1 、 。一 一P d一 p 一P e p p P eP P P d P p 一 p 一 L p p 一 一 p J 假设 除喉管外 ， 流体在工具 内流动为不可压缩 流体 的稳定流动 ， 采用伯努利方程计算各部分压差。 由于在工具内位能项P g h E - h 与速度项和压力项 相比很小 ， 因此可以忽略。 在喉管内钻柱及环空内2 种流体互相掺混、 碰 撞 ， 不适用于伯努利方程 ， 采用动量方程计算 。 在射流端扩散管处采用伯努利方程， P d P P M V M ／ 2 一 Z X p 2 能量损失 z X p主要为摩擦损失， 可 以表示为 1 ， 则有 P d P 1 一K d V M ／ 2 3 在射流泵的吸人 口处 ， 适 当地处理喉管人 口的 形状后 ， 射流吸入区处的能量损失系数 ， 0 ， 即 p 。 一P e P f 2 ／ 2 4 在喷嘴处 P 一P 。 P p f ／ 2 △ p 5 从喷嘴射出的射流能量损失主要有 2种类型 1 喷嘴处 的压力损 失 ， 表示为 1 ， 为喷嘴处压力损失系数。 2 在射流离开喷嘴后 的压力损失 ， 即从喷嘴 口 到喉管入 口处的摩擦能量损失 ， p p - p 。 p 一 P。 P p f V n／ 2 K n P p f ／ 2 P p P 。 1 g n P pf 1， ／ 2 P 。 一 P 。 6 伯努利方程不适用于喉管 ， 在喉管内， 离开的液 体的动量减去进入的液体动量等于外力冲量。即 一 w n f 一’ ’ V lMQ P 。 一P 4 7 其中 W p f P p f V n ， W e P f A e V fMp p f V n ， W Mw f w n f 1 f P M 4V M 在式 7 中左右除以 ， 能量损失项 Q表示为 1 O 4 去 v M ， 可以 得到 P 一 P e 2 1 一 - 1 K ／ 2 p M 8 由效率方程 E Mx 。 ， 对其求偏导 O E ／ O M, 并 令 O E ／ O M O ， 得最佳流量 比方程 Mo p 一 r ／ ／ 7 7 ’∈ 一 ’ 9 其中∈ 1 1 1 Mp p f ／ p f 1 一 2 R { 1 P pfM R ／ [1 一 』，f ]} r ／ 1 一 1 ，， p f I ／ 1 - R ] ／ ∈ 1 1 p p f ／ p 2 p p ／ 一 4 p p 曲 1 一 I 于水杰等 射流式水力降压钻井机理与参数研 究 1 3 叩 一 2 1 一 K s， J ／ 1 一 ， 基 于以上方程 ， 工具的循环压耗 △ p ， 射流端压 降 △ ， 射流喷嘴与环空压差 △ ， 工具吸入点与出 口点压差 △ p分别表示为 一p o 一P o 一 1 0 。 1 1 一 一 一P 。 1 2 j 一卸 1 3 2 ． 2 参数计算结果分析 Pa r a me t e r a n a l y s e 各参数 的计算范 围为 分流量 5 ％， 钻井液密度 1 ． 2 5 g ／ c m ， 无量纲面积 比 0 ． 0 5 ～ 0 ． 8 ， 喷嘴直径 0 ． 5 ～ 2 0 m m， 排量 1 0 - -4 5 L ／ s ， 钻速 1 ～ 2 5 m／ h 。 2 ． 2 ． 1 无量纲面积比对工具的影响如图 2 、 图 3 所 示 ， 在喷嘴面积一定的情况下 ， 工具压耗随无量纲面 积 比的增大而降低， 降压效果 随无量纲面积 比的增 大而呈缓慢增加趋势。无量纲面积 比是工具 的一个 重要参数， 对工具的压耗影响较大， 但对于降压效果 影响较小。 流体经过喷嘴在吸入区形成高速低压区， 抽吸环空流体。喷嘴压耗成为工具压耗的一个重要 组成部分。喷嘴直径越小 ， 产生的压耗越大 ， 同时抽 吸力越大。 5 4 萎 s 娶z 警1 O O 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 l 无量纲面积 比 图 2无量纲面积比与射 流端压耗 关 系曲线 F i g ． 2 Cu r v e o f d i m e n s i o n l e s s n o z z l e t o t h r o a t r a t i o a n d 嵌 逝 无量纲面积 比 图 3 降压效果 与无 量纲面积 比关系曲线 F i g ． 3 C u rv e o f p r e s s u r e d i ffe r e n t i a l a n d d i me n s i o n l e s s n o z z l e t o t h r o a t r a t i o 2 ． 2 ． 2 啧嘴 直径对工具的影响从 图 4可 以看 出， 工具的降压效果随着喷嘴直径的增大而增强， 在喷 嘴直径大于9 mn l 时， 增长平缓。 当喷嘴直径过小时， 其产生的压耗将大于其产生的抽 吸力。随着喷嘴增 大 ， 在其产生的压耗降低的同时 ， 其产生 的抽 吸力也 将降低， 当喷嘴直径增大到 9 mm以后， 降压效果逐 渐变缓。 O 5 1 0 l 5 2 O 喷嘴直径／ mm 图 4喷嘴 直径与降压效果的关 系曲线 F i g ． 4 Cu r v e o f p r e s s u r e d i ffe r e n t i a l a n d n o z z l e d i a me t e r 2 ． 2 - 3 钻井液排量对工具的影响从 图5 可以看出， 射流泵的降压效果 随着钻井液排量的增加 而增大。 由于当钻井液 的排量增大后 ， 主流道和副流道 的流 体流动能量都相应 的增加 ， 副流道 的流体 能量增加 后， 射流端的抽吸能力增强， 降压效果增强。 较 幽 遨 图 5 钻 井液排量与 降压效果 的关 系曲线 F i g ． 5 Cu r v e o f p r e s s u r e d i ffe r e n t i a l a n d fl o wr a t e 2 ． 2 ． 4 环空含岩屑钻 井液密度对 工具的影响 图 6 所示 ， 由于喷嘴及排量不变 ， 射流端产生的抽吸力将 不变 。 但由于在钻井过程中环空钻井液将携带岩屑 ， 造成 环空密度增加 ， 钻柱 内动力液对环空钻井 液的 抽吸能力降低 ， 降压效果降低 。 较 趟 世 图 6 环 空含 岩屑 钻井液密度 与降压效果的关 系 F i g ． 6 Cu rve o f p r e s s u r e d i ff e r e n t i a l a n d d r i l l i n g fl u i d d e n s i t y i n c l u d i n g c u t t i n g s ● O 0 0 B d 眯校 避 1 4 石油钻采工艺2 0 0 9年 4月 第 3 1 卷 第 2期 由此可见 ， 射流 降井底 E C D的效 果 既与射流 泵 的设计参数有关 ， 也与钻井施工的工作制度有关。 要取得良好的降压效果， 必须合理设计工具参数， 同 时制定相应的钻井施工工作制度。 3 结论 Co n c l u s i o n s 1 从设计原理看 ， 利用射流端的湍动扩散作用 来传递能量与质量 ， 通过 吸人 口对环空 内的钻井液 产生抽吸力来降低环空 内局部位 置的压力 ， 可以起 到降低井底的当量循环密度的作用。 2 射流端 的分流量不可以过大 ， 否则将会对清 岩效果造成影响 ， 一般选择 5 ％ 左右。 3 从计算结 果来 看 ， 喷嘴直径为 8 ～ 1 1 mm， 无 量纲面积比为 0 ． 2 ～ 0 ． 3 ， 可以降低 由于钻井液循环压 耗所产生的当量密度的附加值 ， 确保钻井操作安全。 4 在窄钻井液密度窗 口地层 ， 必须建立合理的 工作制度， 对单位时间进尺进行合理控制， 确保环空 携岩钻井液密度在合理的范 围内， 不会对 E C D造成 太大影响 ， 同时保证工具 的降压效果。 5 降低井底循环当量密度 ， 有利于降低井底压 差 ， 减小压持效应 ， 提高清岩效果 ， 提高钻头寿命及 钻速。 符号说 明 p d _ _ 一 扩算管处 压力 ， k P a ； p 一 喉管处压力 ， k P a ； p M 一 混合液 密度 ， k g ／ m ； 一 混合 液喉管 中流 动速度 ， m／ s ； 一扩散管摩擦系数； p n _ 一吸入 口处压力 ， k P a ； p 喷 嘴 出 IZ l 处压 力 ， k P a ； p f ． 环空 流体 密度 ， k 1 T I ； 1 ， f _环空流体在喉管入 口处流速 ， m／ s ； p 一喷嘴 人 口处压力 ， k P a ； P p 厂 钻柱内流体密度 ， k g ／ m ； 一 喷嘴处流体流速 ， m／ s ； A ， 一 喷嘴及喉管截 面积 ， c m 2； A 一 A ； w e ， w n f ， w M 一环空 流体 质量流量 ， 钻 杆 内流体 的质量 流量 ， 喉管混合流体的质量流量； △p 。一 副流道压降 ， k P a ， 采用 圆管 内里流体 流动压 耗方法计算； △ 主流道循环压耗， k P a ； △ 一 钻 头压耗 ， k P a ； △ 一 相应部分的环空压耗 ， k P a 。 参考文献 Re f e r e n ce s [ 1 ] 汪海阁， 郑新权 ． 中石油深井钻井技术现状与面临的挑 战 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 5 ， 2 7 2 4 ． 8 ． W ANG Ha i g e ， Z HE NG Xi n q u a n ． S t a t u s q u o a n d f a c e d c h a l l e n g e s o f d e e pw e l l d r i l l in gt e c h n i q u e s o f p e t r o c h i n a [ J ] ． O i l D r i l l ing P r o d u c t i o n T ech n o l o g y ． 2 0 0 5 ， 2 7 2 4 _ 8 ． [ 2] 陈国明， 殷志明， 许亮斌， 等 ． 深水双梯度钻井技术研究 进展 [ J ]． 石油勘探与开发， 2 0 0 7 ， 3 4 2 2 4 6 ． 2 5 1 ． CHE N Gu o mi n g ， Y1 N Z h i mi n g ， XU L i a n g b i n , e t a 1 ． Re ne w o f d e e p w a t e r d u a l g r a d i e n t d ri l l i n g t echno l o g y l J J． P e t r o - 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