贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布模型_祁宏军.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COAL GEOLOGY reverse circulation; air drilling; pressure distribution model 气体钻井技术是最早发展起来的一种欠平衡钻 井技术，利用压缩气体（空气、氮气、天然气、柴油 机尾气等）作为钻井循环介质将井底随钻头钻进产 生的岩屑携带到地表［12）。气体钻井技术在低压、低 渗、低产油气藏的高效开发和提高复杂地质构造钻 井速度等方面有着广泛的应用前景，成为钻井技术 发展的一个热点，在国内外得到了广泛应用［35］。空 气锤（也称气动潜孔锤、气动冲击器）进入油气勘探 开发领域后，形成了气体钻井新的分支技术一一空 气锤钻井技术，它具有常规气体钻井技术所不具备 的优势，能够大幅提高大尺寸井眼、硬岩地层钻进 中的机械钻进效率。 收稿日期2013四02-27 1 贯通式潜孔锤全孔反循环工作原理 贯通式潜孔锤全孔反循环钻进技术及配套装备 的应用领域不断拓展，面对的客观使用条件趋于多 样化。用于油气勘探开发气体钻井领域［6-7）时施工井 眼直径和深度大，为保证良好的反循环钻进效果， 确定合理的注气参数（包括注气体积流量QinO和气 源压力P.）至关重要［8）。 研究建立贯通式潜孔锤反循环钻进系统压力分 布模型，进行循环系统压力损耗分析，是确定合理 的注气参数的基础，也是进行高压注气设备合理选 配的重要依据。同时，对于可压缩的气体循环介质， 作者简介祁宏军（1973一），男，吉林镇资人，硕士，工程师，从事钻井技术与工程研究． ChaoXing 86 煤田地质与勘探第41卷 研究循环系统的压力分布规律也是预测循环系统内 速度场分布的前提条件［9）。 如图1所示，贯通式潜孔锤反循环气体钻井系 统的流道包含四大部分a.井内输气部分，这部分 气体流道的长度随着井深的增加而延长；b.井底做 功部分，其上产生的压力降与气源参数有关；c.反 循环钻头部分，这部分流道不随井深增加而变化； d.井内排渣部分，这部分流道随井深的增加而延长。 气i改＝＝汁中三＝ ，，，护＂；.句」『---r-11I卡T牛T」－ 严-1I I r-1 1 手吗 到坠会－鲤主 l,.－宁－比4二俨－ r;f fl 图1贯通式潜孔锤气体钻井系统 Fig. 1 Through type DTH hammer air drilling system I－排渣弯管；2一双通道气水龙头；3一排渣胶管；4一双壁钻杆； 5一双壁主动钻杆；←螺旋扶正器；7一贯通式溺于L锤；8一反循环钻头 2 基本流动方程 贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布计 算遵循“倒算法”原则，即将中心通道出口作为压力 计算的起点，依次进行中心通道内压降、钻头压降、 潜孔锤内压降、双壁钻具环状间隙内压降的计算， 直到井口为止。 贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统的流体通道 横截面以困形和圆环形为主，且流体通道的过流断 面积远小于流道的长度，故将压缩气体在双壁钻具 系统内的流动简化为一维问题进行研究，遵循如下 基本流动方程。 a.圆管通道 i f;＋石（pv 0 言（pvf b.圆环通道 ［。ρδ 一乙＋一（ρv 0 θt oz δθI ry、ρ 一（ρv）＋一（ρviP pg士｝－／4 θt oz飞I2Do -Di 、‘，J 且 , .. 、 2 3 式中ρ为气体密度，ρ＝ρ（z，。，kg/m3;P为气体 压力，PPz,t, Pa; v为气体流速，vvz，。，mis; f为摩擦阻力系数；Do为环状间隙外径，m；鸟为 环状间隙内径，m;D为圆管内径，m。 式（2）和式（4）中等号右端最后一项分别代表压 缩气体在圆管和圆环通道内流动过程所受到的摩擦 阻力，向上流动时取“＋”号，向下流动时取“－”号。 令式1←式（4）中含对时间偏导数的项为零得 一维稳态流动基本方程。 式中摩擦阻力系数f采用Guo提出的揣流状态 摩擦因子关系式计算［10-11 f I / 1 n、｜ I Dn -D,, I I 2101I一旦一－－...11.14 I I -\. Ra J I 式中Ra为流道侧壁的绝对粗糙度，m。 3 双壁钻具系统内压力分布 3.1 中心通道内压力分布控制方程 贯通式潜孔锤双壁钻具系统的中心通道是反循 环排渣通道，采用混合流体单相均匀流模型来研究 的压力分布，即假设a.可压缩的气体与不可压缩 的岩屑及可能产生的液态地层流体混合达到均匀一 致；b.岩屑大小及密度一致；c.岩屑与气体之间保 持一致的运动速度（亦即岩屑在上返过程中相对气 体无相对滑移速度）；d.同时假设这种混合单相流 体的流动遵循基本的流体力学方程。混合流体单相 流的密度为 ρ＿ Pg Qg Ps Qs ＋纠Q, - mix Qg Qs Q, 式中ρm为混合流体单相流密度，kg/m3;Pg为气 体密度，kg/m3;Ps为岩屑密度，kg/m3；纠为地层液 态流体密度，kg/m3;Qg为混合物中气体的体积流量， 旷／min;Qs为混合物中岩屑的体积流量，m3/min；白 为混合物中地层液态流体的体积流量，m3/min。 以ρmix代替式（1）和式（2）中的ρ，且式（2）中摩 擦阻力项取“＋”号（中心通道内的上升流摩擦阻力方 向与重力方向相同），并令含对时间偏导项为零，即 得中心通道内混合流体单相均匀流稳态流动时的连 续方程和动量方程。 如图2所示，在贯通式谱孔锤反循环钻进系统 的中心通道内距地表z，深处取一微元段dz，假设中 心通道内混合流体单相均匀流处于一维稳态流动状 态，且由微元段内流体介质流动速度不变，即 vConst，由式1）和式（2）得中心通道内压力分布控 ChaoXing 第4期祁宏军贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布模型 87 z, z, dz 图2中心通道内混合均匀单相流徽元模型 Fig. 2 Mixed homogenous single phase flow in center channel 制方程 P Pmix g 11 ＋立二｜由5 UUA υ I 2gDC I 式中De为中心通道直径，m。定义ρmixg为 Ymix （混合流体单相流重度，N/m勺，即 Y, ix -Pmix -”也＋wgWi -g- UUA U且AQs Qg Qi 6 式中Wg、Wi、Ws为气相、液相、固相的重量流量， N/s。计算式如下 吨＝Qspsglvm功tPsg‘IQs lvmD;it 飞＝暂且如＝誓旦叫马＝去a Wi ＝叫PwQi g lsd ＝生－ ρ町 式中sd为气体相对密度，气体介质为空气时， Sd 1; S1为液相地层流体相对清水的相对密度； ρg、ρa让为分别为标准状态下气体和空气的密度， kg/m3；ρw为清水的密度，kg/m3;M阳为空气的 摩尔质量，g/mol；瓦为标准状态下的温度， T0 273K；凡为标准状态下的压力，凡＝0.101325 MPa; {lo为标准状态下气体的体积流量，mJ/min;Qi 为液相地层流体体积出流量，旷／min;p、T、Qg为 计算点处的压力、温度、气体的体积流量；Di,;1为 钻头外径，m;vm为机械钻速，m/h。 通常Qs、G值相对于Qg而言很小，因此式（6）中 Q, ＋马＋Qi）近似以马代替；设微元段由内的平均 温度为几，将以与、wg、叫、Qg的表达式代人，得 S,M_,_Pf PT＿π句PT_ Yrrux ＝」＿＿＿，＿＿二＋S1PwQ,g .---2--_..vmD;;1P,K 一 凡几Qo 微元段dz内的气体上返流速为 v -{lg -P,,丑vO_ 4 －一－一11- Ac P兀『7tD; 式中岛为中心通道过流断面积，m2。 将Ynux和v的表达式代人式（5）中，得 dPI龟主＋呐Z主｜命7 l ζv P πZ二，S,M_,_T.. 龟＝石tVm.LJi;itPsg＋」Rg＋均ρ＇wlig 仇＝l凡i2r4YQ,; 一．一一－－ c 2g ＼.瓦）＼πj D1 3.2 反循环钻头上的压降 目前，反循环钻头上的底喷孔和内喷孔均为等截 面积的直孔，因此气流经过时不会出现超音速流动， 故钻头上的压力变化按亚声速流动计算，公式如下 凡＝凡I1＋几干（k-IQ巧giI 8 -- I 2sg,{. M由kA;.凡｜ 式中几为气流上游压力，Pa；也为气流下游压 力，Pa；几为气流下游温度，K;R为通用气体常 数；k为气体比热比，J/kgK;Q为气体体积流 量，旷Is；ρ为气体密度，kg/m3;s为气体相对密 度；Mair为空气的相对分子质量（摩尔质量）；也为流 道最小过流断面积，m2；几为气流下游压力，Pa。 3.3 贯通式潜孔锤内压降 针对某一规格型号的贯通式潜孔锤，其上产生 的压力降可根据模拟仿真电算程序的计算结果来确 定[12-13）。 3.4 环状闹隙内压力分布控制方程 采用混合流体单相均匀流模型来研究环状间隙 的压力分布，即假设可压缩气体与不可压缩液体的 混合达到均匀一致，混合流体单相均匀流的流动遵 循基本流体力学方程。 环状间隙内混合均匀单相流体的密度为 ρ飞－Ps Qs＋向Qi 一 山AQgQ1 式中ρ卢为混合物密度，kg/m3；岛为气体密度， kg/m3；纠为液态流体密度，kg/m3；马为混合物中 气体的体积流量，m3/min;Q1为混合物中液态流体 的体积流量，m3/min。 ChaoXing 88 煤田地质与勘探第41卷 以ρ，nu代替式（3）和式（4）中ρ，且式（4）中摩擦 阻力项取“－”号（环状间隙内的下降流摩擦阻力方向 与重力方向相反），并令含对时间偏导项为零，即得 环状间隙内混合单相流体一维稳态流动的连续方程 和动量方程。 如图3所示，在井内环状通道内距地表句深处 向上取一微元段dz，假设环状间隙内混合单相流处 于一维定常流动状态，即vConst，由式（3）和式（4 可得环状间隙内压力分布的控制方程 I r I 9 -pmix g I 1 2gDa-Di I 定义ρ，nug为y卢（混合流体单相流重度，N/m3, 即’ w_w, ix ixg＝」一＿＿＿10 QgQ1 式中Wg、叫为气相和液相的重量流量，N/s。计算 式如下 一sd凡Mairr. Wg一一一一一Q,g＝卫二二旦Qgg RTOT盯 JVi S1 ρwQ1g 式（10）中白相对于Qg小得多，以Qg代替 （马＋Q1），代人wg、m表达式得 rnix 坦主丛草生＋S,owO,g RTav .. －『V马马v怠 式中丑v为微元段内的平均温度，K。 环状间隙微元段内气体流速为 以自Qg 乌TO 4 --’””-r 也PTo .oπ（D；一时） 式中4为环状间隙过流断面积，m2。 将y午x和Va的表达式代入式（9）中得 。＝（才＋aa咔）由（11 马＝呼气＋S1础g b_ _f.＿（主i2（主yQ 8 2glTo \1t D;-D2 双壁钻杆内外管之间的定位扶正块处产生的局 部压力损失则转化为截面突然缩小、扩大的局部阻 力损失问题。 截面积突然变小时的压力损耗计算式 ι［ i 1 2 ] . u2 1 ＋一一－－一一I- c;c; cc 2g 式中u为缩流段流度，mis;Cc为收缩系数；Cu为 图3环状间隙内混合均匀单相流微元模型 Fig. 3 Mixed homogenous single phase flow in annular gap 流速系数。 截面积突出变大时的压力损耗计算式 鸟一（u1 -u2 2 _ n Ar u/ _ n Ar u/ 一－一一－一－一 2g A2 2g A2 -nAr 2g 式中U1为小过流断面上的速度，ml町的为大过流 断面上的速度，mis；马为大过流断面面积，m2;A 为单个扶正块横断面积，m2;n为扶正块数目。 4 双璧钻具系统中心孔与环状间隙内压力分布 模型 4.1 循环系统内温度模型的选择 贯通式潜孔锤反循环钻进系统内压缩气体的压 力场、温度场、速度场是相互影响的，温度作为一 个基本状态参数与压力分布直接相关，同时，循环 系统内压缩气体的物性参数（气体比热、导热系数、 密度、动力粘度等）也随温度变化而变化。 综合分析双壁钻具反循环钻进系统的特点，中 心通道采用等温模型，即 Tc Const 环状通道内采用基于地温梯度的线性温度模 型，即 Tz ＝＋βz 式中β为地温梯度，K/m；ζ为地表绝对温度， K；王为距地表深z处的温度，K。 4.2 中心通道内压力分布模型 以1二＝Const代替式（7）中的凡，方程两端积分 ChaoXing 第4期祁宏军贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布模型 89 由 zou p ’’ EJ 士2 - TC - Lue p -- ac TLL 一＋ 士2 - P - a ELPL - pa -- J I 5.. 12 PI eγ（中bJc1-bcT/I 12 4.3 环状间隙内压力分布模型 以丑＝＋βz代替式（11）中的Tav，令 ＋βzH, P/Hu代入后积分有 I uβ句＝I与H aaι－（aa ＋β）u2 J H 以zb、也作为已知条件确定积分常数，整理得 p 二［［哨子｛pi击怖 5算例 基于上述贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统中 心通道及环状间隙内压力分布模型式（12）和式（1月，计 算了气体注入量25旷／min、机械钻速10m/h条件下 的中心孔通道及双壁钻具环空注气通道内的压力分 布情况，压力分布模型中各参数值见表1。钻进循环 系统中心通道及环状间隙内压力分布曲线如图4所 示。在中心通道内随着孔深的增加压力增大，2000m 深井底压力约为1.34MPa，钻头、潜孔锤上产生的压 降约为1.94MPa，在环状间隙流道内随深度的增加压 力减小，地表注人压力约为5.16MPa。从计算结果来 看，在贯通式潜孔锤反循环气体钻井循环系统中， 由于双壁钻具的环状间隙注气通道过流断面积较 小，且在钻杆两端存在用于同轴定位的扶正块，这使 得注气通道内因摩擦和局部阻力等产生的压降较大。 表1压力分布模型中相关参戴值 Tablet Related parameters in pressure-plotting model 参数名称符号参数值参数名称符号参数值 地表温度fK r. 280 钻头直径Im Db;, 0.45 地温梯度／（℃ID斗β 0.03 环状间隙外径Im Do 0.105 标准状态下温度fKTao 273.5 环状间隙内径Im Di 0.089 中心通道平均温度fK T_ ‘二310 中心通道直径Im De 0.08 中心通道出口压力/Pa P, IOI 325 空气比热比k 1.4 标准状态下压力/Pa pgo IOI 325 空气摩尔质量／（kgmo1“1M 创Z0.029 重力加速度／（m-s“2g 9.8 气体常数／（J.molK“1 R 8.31 气体相对密度sd 固相岩屑密度／（kgm-3 ρz 2 700 管壁粗糙度ImRa 3.Sx 10-6 井深Imz 2 000 压力/MPa 2 3 4 5 6 / 200 400 600 800 轼每EI 删 1200 1400 l 600 I 800 2000 图4压力分布曲线 Fig. 4 pressure distribution curve I一中心孔通道；注气通道 6 结语 贯通式潜孔锤是一类具有特殊结构形式的气动 潜孔冲击器，用于油气勘探开发气体钻井中能够兼容 气体钻井、冲击回转钻井和反循环钻井三者的优势， 具有广阔的应用前景，开展贯通式潜孔锤反循环钻进 系统压力分布模型研究，为确定合理注气参数奠定了 基础，为高压注气设备的合理选配提供依据，对进行 气体钻井用贯通式潜孔锤反循环钻井系统的合理配 置具有重要指导意义。同时贯通式潜孔锤反循环钻进 系统中心反循环排渣通道和环状注气通道内压力分 布模型对其他类型气体钻进循环系统的压力分布研 究具有借鉴意义。 参考文献 [I］许爱．气体钻井技术及其现场应用［月．石汹钻探技术，2006, 344 16-19. 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[4］肖新磊空气钻井技术在元坝、地区的应用问石油钻探技术， 2010, 384 35-37. （下转第92页） ChaoXing 92 煤田地质与勘探第41卷 各类技术文档等与零部件建立关系，从而形成知识 网络的管理模式。 在PDM系统中零部件具有以下的特性零部件 具有结构关系；零部件经常发生版本的演进，同时零 部件的改版过程需要严格的更改流程来控制；零部件 的主要技术描述文档是采用三维、二维设计图纸的方 式，同时零部件的主要制造指导文档是二维蓝图。 根据钻机零部件的结构特点，钻机设计过程中 常用的零部件除了自制加工件外，主要包括标准件、 外构件、通用件。通过零部件分类管理实现企业外 购件、标准件、通用件、自制件的分类；支持零部 件的信息、历史、状态、分类和标准化管理；建立 适合企业的标准件库。从PDM系统存储、三维CAD 集成、数据访问权限控制等技术角度考虑，将钻机 零部件分为三大类标准件、零部件、外购件。 通过PDM系统的零部件管理技术，可以对零 部件的更多信息进行有效管理，为零部件（图纸）的 快速、有效查询提供技术手段。零部件数据模型内 部关系逻辑如图2所示。 系 关 本 版 件 部 零 。，因 才规格关系 UGPART二维图 图2零部件数据模型内部关系逻辑图 Fig. 2 Internal logical relationship of component model 2.6 系统集成性 钻机设计采用UGNX三维设计软件，PDM与 该软件集成实现了数据、产品BOM、零部件属性等 双向或单相集成。即在PDM系统中填写零部件属性 后，在UGNX三维模型属性中会自动将PDM系统 中的属性映射到三维模型对应的属性中。如果设计人 员使用UGManager建立了产品结构，选择保存了 该产品装配，则该产品的装配自动在PDM系统中搭 建，不需要在PSE中再搭建，实现了产品BOM同步。 同时系统支持三维零件以及装配结构的预览功能。 4结语 针对钻机研发过程中产品数据管理存在的问 题，基于Teamcenter软件开发了钻机PDM系统， 建立一套集成共享的技术数据资料管理系统，实现 了钻机开发过程中的文档管理、流程管理、产品结 构管理、零部件分类管理、CAD软件集成等功能， 保证了钻机产品开发过程中的各种技术资料得到有 效控制，为钻机的产品设计、生产制造提供准确、 统一的数据。 参考文献 [1）张建明，J桂芹，刘庆修，等．煤矿井下坑道钻机产品数据管 理模型与系统［月．煤田地质与勘探，2010,384 72-76. 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