相恒富，王志遠(yuǎn)

（中國石油大學(xué) a.機電工程學(xué)院；b.石油工程學(xué)院，山東 青島 266580）

·實驗儀器研制·

水平井巖屑運移實驗教學(xué)系統(tǒng)的研制

相恒富a，王志遠(yuǎn)b

（中國石油大學(xué) a.機電工程學(xué)院；b.石油工程學(xué)院，山東 青島 266580）

為研究不同鉆井參數(shù)對水平井環(huán)空巖屑運移的影響規(guī)律，該文設(shè)計研制了一種水平井巖屑運移實驗教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、巖屑注入系統(tǒng)、鉆桿旋轉(zhuǎn)及偏心系統(tǒng)、實驗井筒系統(tǒng)、井筒起升系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，能夠滿足對不同鉆井液排量、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆桿偏心度、巖屑生成速度、井斜角、鉆井液密度及流變參數(shù)的攜巖實驗研究。實踐表明，該實驗系統(tǒng)操作簡單、運行可靠，為本科實驗教學(xué)和大學(xué)生科技創(chuàng)新及科學(xué)研究提供了一個良好的平臺。

水平井；巖屑運移；實驗系統(tǒng)；兩相流

隨著鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，水平井因能夠獲得更高的綜合效益而應(yīng)用越來越廣，隨著水平段距離的不斷加長，井眼凈化問題越來越突出，因為水平井井斜角達到了90°，巖屑沉降方向與鉆井液流動方向垂直，加上水平井鉆桿偏心，導(dǎo)致巖屑極易在井筒下側(cè)形成巖屑沉積床，巖屑床的存在，導(dǎo)致卡鉆、降低機械鉆速、下套管固井困難等問題，嚴(yán)重時導(dǎo)致鉆井事故［1］。衡量水平井井眼凈化的主要參數(shù)有巖屑床厚度和環(huán)空壓耗。水平井鉆井實踐表明，其主要影響因素有鉆井液環(huán)空流速、鉆桿轉(zhuǎn)速和偏心度、井斜角、鉆速、鉆井液密度及流變性參數(shù)、井眼環(huán)空尺寸等。因此，如何判斷井下是否已經(jīng)形成了巖屑床以及確定巖屑床的厚度和位置是目前急需解決的難題［1－6］。針對這個問題，許多高校建立了水平井巖屑運移裝置，如Tulsa大學(xué)鉆井項目組（TUDRP）的流動環(huán)路ACTF，巴西石油公司科研中心（PETROBRAR＆D）模擬實驗裝置，日本國家石油公司技術(shù)研究中心（JNOC／TRC）的攜巖流動環(huán)路系統(tǒng)CTFLS等，國內(nèi)一些高校如大慶石油學(xué)院也建立了類似的實驗裝置［7－9］。

流體力學(xué)是石油工程、船舶與海洋工程、油氣儲運工程等專業(yè)的必修課，流體和固體之間相互作用是重要的內(nèi)容之一［10］。巖屑運移是一個復(fù)雜的液固兩相流問題，進行巖屑運移流動實驗有利于深入理解固液兩相流動理論，提高大學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力。并且，開展巖屑運移實驗研究也是科研工作者最主要的研究手段，因此建立水平井巖屑運移實驗裝置是十分必要的［11－12］。

1 實驗系統(tǒng)研制的意義

在水平井鉆井中，清除環(huán)空巖屑床需要足夠大的排量，但是排量增大，環(huán)空壓耗也增大，可能帶來諸如井壁不穩(wěn)定、井底巖屑強度增加等鉆井問題，且排量大將加劇井筒內(nèi)壁的沖蝕與磨蝕。因此清除巖屑床除了增大排量外，還要考慮鉆井液特性、鉆速和鉆桿轉(zhuǎn)速的綜合影響，研制水平井巖屑運移實驗裝置，開展不同鉆井參數(shù)下的水平井巖屑床厚度及環(huán)空壓耗的研究，獲取巖屑不沉積最小排量，對于順利進行水平井鉆井和水力參數(shù)設(shè)計是至關(guān)重要的。

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計思想

2.1 設(shè)計原則

在廣泛調(diào)研國內(nèi)外巖屑運移實驗裝置和深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有實驗室的實驗條件，根據(jù)以下原則進行了水平井巖屑運移實驗裝置的設(shè)計。

1）安全性。由于本實驗裝置面向大學(xué)生的教學(xué)實驗和科研人員的科學(xué)實驗研究，必須保證系統(tǒng)的安全可靠，杜絕一切安全隱患。分析巖屑運移系統(tǒng)，存在的安全隱患主要有：該系統(tǒng)需要三相交流電，而實驗環(huán)境濕度大，有觸電危險，電機應(yīng)選擇防爆級別，電器應(yīng)具備防觸電保護裝置。

2）密封可靠性。實驗環(huán)路有眾多的接口和閥門，應(yīng)保證可靠的密封，否則循環(huán)效果不好，難以得到正確的數(shù)據(jù)，影響分析結(jié)果，且會對人身安全造成威脅。設(shè)計時選用耐壓管線，精選循環(huán)管路的接頭材料和密封圈，確保每個部件的加工質(zhì)量。

3）模塊化設(shè)計。實驗室已有氣液兩相流動實驗裝置、沖砂洗井實驗裝置，導(dǎo)致空間狹小。針對此問題，采用模塊化設(shè)計思想，首先利用現(xiàn)有的實驗裝置，如氣液兩相流動裝置的循環(huán)管路支撐裝置和起升裝置，稍加改造可作為水平井?dāng)y巖實驗裝置的流動環(huán)路和井筒起升系統(tǒng)，沖砂洗井實驗裝置的砂罐和加砂絞龍可改成巖屑注入裝置，然后從接口的兼容性上考慮設(shè)計本實驗裝置的其他部分，這樣一方面節(jié)省了成本，也減小了占地空間，采用模塊化設(shè)計思想，便于組裝新實驗裝置，在本實驗結(jié)束時方便地復(fù)原原實驗裝置。

2.2 巖屑運移實驗系統(tǒng)原理研制

基于以上原則設(shè)計的水平井巖屑運移實驗裝置如圖1所示，包括鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、巖屑注入系統(tǒng)、鉆桿偏心及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、巖屑分離系統(tǒng)、井筒起升系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

其中，鉆井液循環(huán)系統(tǒng)由儲液罐、離心泵、模擬井筒、模擬鉆桿等構(gòu)成，由離心泵控制泥漿排量大??；巖屑注入系統(tǒng)由加砂罐、加砂絞龍、步進電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)組成，通過調(diào)整步進電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)巖屑注入速度；鉆桿旋轉(zhuǎn)及偏心系統(tǒng)由步進電機、偏心法蘭和扶正器構(gòu)成，以PPR管做模擬鉆桿，通過步進電機帶動旋轉(zhuǎn)模擬鉆桿旋轉(zhuǎn)，鉆桿偏心度通過偏心法蘭和扶正器進行調(diào)整，鉆桿轉(zhuǎn)速通過調(diào)整驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)的步進電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制；井筒起升系統(tǒng)通過井筒支架置于地面滑軌上，另一端通過手葫蘆升降實現(xiàn)井斜角的調(diào)整；模擬井筒有兩個透明測試段，通過CCD攝像機對固液兩相流動進行全程攝像，然后通過計算機圖形處理技術(shù)獲取環(huán)空巖屑床沉積厚度；環(huán)空壓耗由兩個位置的壓力變送器測量得到。

圖1 水平井巖屑運移實驗裝置示意圖

改造完成的水平井?dāng)y巖實驗裝置如圖2所示，該實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，工作安全，能夠模擬不同排量、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆桿偏心度、巖屑注入速度、井斜角和不同鉆井液體系對環(huán)空巖屑濃度、巖屑床厚度和環(huán)空壓耗的影響。

圖2 水平井?dāng)y巖實驗教學(xué)裝置

3 巖屑運移實驗開展及效果

選用不同粒徑的石英砂在水平井?dāng)y巖實驗教學(xué)裝置上開展了不同排量的攜巖實驗。實驗測試條件如下：流體為清水，鉆桿不偏心，井斜角為90°，環(huán)空流體速度變化范圍為0.66～1.2 m／s，鉆桿轉(zhuǎn)速變化范圍為0～120 r／min，巖屑注入速度分別為7.8、13、20、26 kg／min。井筒內(nèi)徑為50.8 mm，鉆桿外徑為25.4 mm，井筒有效段總長為12 m。

因井眼內(nèi)徑不同，保持安全鉆井的巖屑床厚度不同，工程上常采用無因次巖屑床厚度來評價水平井?dāng)y巖能力。無因次巖屑床厚度可表示為：

式中，h為實驗測量得到的巖屑床厚度，DH為實驗井筒內(nèi)徑。

定義無因次巖屑床厚度為實測的巖屑床厚度與模擬井眼內(nèi)徑的比值。如圖3所示，為測試的不同環(huán)空返速與無因次巖屑床厚度的關(guān)系。由圖3可知，隨著環(huán)空返速的增加，無因次巖屑床厚度下降很快，這是因為環(huán)空返速增加，環(huán)空局部鉆井液速度增大，巖屑顆粒所受的軸向拖曳力和徑向舉升力也增大，巖屑顆粒的懸浮能力和軸向運移能力增強，因而巖屑沉積的概率降低，巖屑床厚度減小。而巖屑生成速度增大，巖屑床的厚度增大，這種規(guī)律比較符合現(xiàn)場實際情況。如圖4所示，為不同環(huán)空返速下鉆桿轉(zhuǎn)速與無因次巖屑床厚度的關(guān)系。從圖4中可以看出，鉆桿轉(zhuǎn)速在一定的范圍內(nèi)，對降低巖屑床厚度作用明顯，鉆桿旋轉(zhuǎn)增加了環(huán)空擾動，并給巖屑顆粒提供一個旋轉(zhuǎn)舉升力，增大了懸浮能力，并將巖屑床面的巖屑顆粒輸送到環(huán)空高流速區(qū)，使得攜巖效果改善；鉆桿旋轉(zhuǎn)造成擾動的波及范圍和能量有限，不能將所有的巖屑都帶入高流速區(qū)，因此在達到某一轉(zhuǎn)速（90 r／min）后巖屑床的厚度降低不明顯。

圖3 環(huán)空返速對無因次巖屑床厚度的影響

圖4 鉆桿轉(zhuǎn)速對無因次巖屑床厚度的影響

4 結(jié)束語

水平井?dāng)y巖實驗裝置的成功研制為水平井及水平井巖屑運移規(guī)律的研究提供了室內(nèi)模擬實驗條件，為大學(xué)生本科實驗教學(xué)、研究人員科學(xué)研究提供了一個良好的實驗平臺。能夠?qū)崿F(xiàn)不同鉆井液排量、鉆桿轉(zhuǎn)速和偏心度、巖屑生成速度、井斜角、鉆井液密度和不同流變性參數(shù)對環(huán)空巖屑濃度、巖屑床高度和環(huán)空壓耗的影響規(guī)律研究。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)模塊化，裝配和拆裝方便，占用實驗空間小。通過模擬實驗表明實驗運行可靠，可信度高。

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Development of Experimental Teach System for Cuttings Transport in HorizontalW ellbore Drilling

XIANG Hengfua，WANG Zhiyuanb
（a.College of Mechanical and Electronic Engineering；b.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In order to study the influence of different drilling parameters on themigration of horizontal wells in horizontal wells，this paper designs and develops an experimental teaching system of horizontalwell cuttingsmigration.The system includes drilling fluid circulation system，cuttings injection system，drill pipe rotation and eccentric system，experimental annulus system，annulus hoisting system，data acquisition and analysis system，tomeet the different drilling fluid displacement，such as flow rate of drilling fluid，ro tational speed of drill pipe，eccentricity of drill pipe，cuttings injection velocity，inclination angle of wellbore，drilling fluid density and the rheological parameters.Practice shows that the experimental system is simple，reliable operation，for undergraduate experi mental teaching and scientific and technological innovation and scientific research provides a good platform.

horizontalwellbore；cuttings transport；experimental system；two phase flow

TE242；G642.423

A

10.3969／j．issn．1672－4550.2017.03.009

2015－12－12；修改日期：2017－04－15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助（2013AA09A215）。

相恒富（1976－），男，博士，講師，主要從事智能井、鉆井?dāng)y巖方面的研究。