郗鳳亮， 徐朝陽， 馬金山， 齊金濤， 徐海潮

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280)

控壓鉆井自動分流管匯系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)值模擬研究

郗鳳亮， 徐朝陽， 馬金山， 齊金濤， 徐海潮

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280)

為解決精細控壓鉆井回壓補償系統(tǒng)價格高、占用井場面積大的問題，設(shè)計了一種用于控壓鉆井的自動分流管匯系統(tǒng)，用以替代現(xiàn)有精細控壓鉆井設(shè)備中的回壓補償系統(tǒng)。設(shè)計的自動分流管匯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)能力強，具有鉆井泵單泵工作模式、雙泵工作模式和常規(guī)鉆井大排量模式，可滿足現(xiàn)有精細控壓鉆井各種工況的轉(zhuǎn)換要求。根據(jù)質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程及節(jié)流閥開度的控制方式，建立了自動分流管匯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)流動模型，并采用數(shù)值方法求解了數(shù)學(xué)流動模型。數(shù)學(xué)流動模型的計算結(jié)果和計算流體動力學(xué)模擬結(jié)果都表明，該自動分流管匯系統(tǒng)能將井口壓力穩(wěn)定控制在設(shè)定壓力，能夠滿足精細控壓鉆井需求。

控壓鉆井；分流管匯；井口回壓；壓力控制

精細控壓鉆井技術(shù)可以解決常規(guī)鉆井技術(shù)在窄密度窗口條件下的溢流、井漏、卡鉆和井壁垮塌等難題[1-5]?，F(xiàn)有精細控壓鉆井系統(tǒng)在接卸鉆柱、起下鉆時，首先要啟動回壓補償系統(tǒng)，建立鉆井液池、回壓泵和自動節(jié)流管匯間的流動通道；然后停鉆井泵，停止井筒內(nèi)鉆井液的循環(huán)，同時調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，產(chǎn)生井口附加壓力，以平衡由于鉆井泵停泵所導(dǎo)致的循環(huán)摩阻缺失，達到維持井底壓力穩(wěn)定的目的。該井口回壓施加方式的缺陷是：鉆井泵停泵時必須使用回壓補償系統(tǒng)施加井口回壓，一方面井口回壓泵及其附屬設(shè)備的價格較高，會增加控壓鉆井的成本，另一方面會占據(jù)較大的場地空間，給現(xiàn)場作業(yè)增加困難[6-12]。另外，井口回壓補償系統(tǒng)現(xiàn)場維修困難，一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致鉆井泵停泵時無法實施控壓鉆井作業(yè)[13-15]。

近年，Halliburton公司研發(fā)了鉆井泵分流RPD(rig pump diverter)系統(tǒng)，用其替換控壓鉆井系統(tǒng)中的回壓補償系統(tǒng)，現(xiàn)已形成系列產(chǎn)品。中國石油大學(xué)(北京)和中國石油大學(xué)(華東)分別提出了一種基于流道切換的分流管匯方案，中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院提出了一種基于雙泵工作的分流管匯方案，但是這幾種方案未形成產(chǎn)品[16-19]。自動分流管匯具有簡化精細控壓鉆井系統(tǒng)、降低成本的優(yōu)勢，但國內(nèi)對其的研究相對滯后，因此，筆者設(shè)計了一種新型控壓鉆井自動分流管匯系統(tǒng)，可以將鉆井泵排量進行自動分流控制，在井筒停止循環(huán)鉆井液時施加井口附加壓力，可以替代回壓補償系統(tǒng)，從而簡化控壓鉆井井場設(shè)備，減小占用的空間，降低鉆井成本。

1 控壓鉆井自動分流管匯系統(tǒng)設(shè)計

回壓補償系統(tǒng)的功能是，在接單根(立柱)、起下鉆等工況下，鉆井泵停泵后為地面循環(huán)通路提供鉆井液，建立地面節(jié)流循環(huán)，用于控制/調(diào)節(jié)井口壓力。自動分流管匯系統(tǒng)應(yīng)具備回壓補償系統(tǒng)的功能，能夠在井筒內(nèi)鉆井液停止循環(huán)時為地面循環(huán)管路提供鉆井液，且不影響正常鉆進，實現(xiàn)正常鉆進與接卸單根、起下鉆等停止循環(huán)工況間的平穩(wěn)切換。

1.1自動分流管匯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

控壓鉆井自動分流管匯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，(2)和(6)為四通，(5)，(9)和(12)為三通，(3)，(8)和(13)為彎接頭，(1)，(4)，(7)，(10)和(11)為轉(zhuǎn)換接頭;1,3,5,6，7為液動閥，2，4為手動閥，8為單流閥。

圖1 控壓鉆井自動分流管匯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic structure of an automatic diverter manifold in managed pressure drilling

入口A與鉆井泵A連接，入口B與鉆井泵B連接，接頭(11)與泄壓管線連接，接頭(7)與立管通路連接，節(jié)流管匯與自動節(jié)流管匯連接。2個入口和2個出口可分別構(gòu)成獨立的通道，也可以匯流。在接卸單根、起下鉆等停止循環(huán)工況與正常鉆進工況相互切換時，可以實現(xiàn)一條通路與立管連通，另一條通路與地面自動節(jié)流管匯連通，且通路之間可以相互切換。

1.2電氣自動控制系統(tǒng)

1.2.1總體方案

選用Siemens公司生產(chǎn)的過程控制系統(tǒng)PCS7(processcontrolsystem)進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，PCS7功能強大，穩(wěn)定性高，伸縮性強，可在所有層級實現(xiàn)冗余，能夠滿足自動分流管匯系統(tǒng)的控制要求。采用硬冗余方式加強控制系統(tǒng)的安全性，通過ET200M(西門子分布式I/O)解決可編程控制器件PLC(programmablelogiccontroller)與現(xiàn)場儀表間的信號傳輸問題，并根據(jù)輸入輸出節(jié)點的數(shù)量及精度要求選用合適的輸入輸出模塊。

1.2.2電氣自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

自動分流管匯的電氣自動控制系統(tǒng)是控壓鉆井自動控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，主要由各類傳感器、電動控制機構(gòu)、氣動控制機構(gòu)、本地控制操作臺和遠程控制系統(tǒng)等構(gòu)成。流道的切換由平板閥控制單元控制，控制系統(tǒng)采用了全冗余、熱備份的安全設(shè)計。

泵沖傳感器用于判斷鉆井泵的工作狀態(tài)，當(dāng)鉆井泵工作時流通管路上的閥門不能打開或關(guān)閉，以防誤操作。

電氣自動控制系統(tǒng)原理如圖2所示。自動分流管匯的電氣自動控制系統(tǒng)主要由自動化站、操作員站和工程師站組成。操作員站主要包括主機系統(tǒng)、顯示設(shè)備、鍵盤輸入設(shè)備、信息存儲設(shè)備等；自動化站的硬件由機架、電源、CPU、I/O卡件等組成。自動分流管匯系統(tǒng)工作時，傳感器實時采集過程參數(shù)，并以標準電信號的形式傳到ET200M的輸入通道中，ET200M再將信號通過profibusdp總線送入PLC中進行解析和運算，此時PLC會根據(jù)采集到的參數(shù)和控制要求發(fā)出當(dāng)前時刻的控制命令，并通過profibusdp總線和ET200M發(fā)送到各平板閥的控制單元中，從而使各閥門按照要求執(zhí)行動作。

圖2 自動分流管匯電氣自動控制系統(tǒng)原理Fig.2 Operation principles of automatic control system for automatic diverter manifold

2 自動分流管匯系統(tǒng)工作流程

控壓鉆井自動分流管匯系統(tǒng)與其他鉆井設(shè)備的連接方法如圖3所示。該系統(tǒng)有2種工作模式，在正常條件下可使用雙泵工作模式，當(dāng)其中1個泵損壞或維修時，可使用單泵工作模式。

2.1正?？貕恒@進

正常控壓鉆進工況下，自動分流管匯系統(tǒng)有3種工作方式。方式1：自動分流管匯系統(tǒng)中的手動閥2和液動閥7打開，其余閥都關(guān)閉，鉆井泵A工作，鉆井泵B關(guān)閉，形成鉆井泵A至鉆柱的通路。

圖3 帶有自動分流管匯的精細控壓鉆井裝備Fig.3 Managed pressure drilling system with an automatic diverter manifold

方式2：手動閥4、液動閥3和7打開，其余閥都關(guān)閉，鉆井泵B工作，鉆井泵A關(guān)閉，形成鉆井泵B至鉆柱的通路。方式3：手動閥2和4及手動閥3和7打開，其余閥都關(guān)閉，鉆井泵A和B同時工作，以滿足大排量常規(guī)鉆井要求。

2.2起下鉆或接卸單根

起下鉆或接卸單根工況下，雙泵和單泵工作時自動分流管匯系統(tǒng)都有2種工作方式。

雙泵工作模式1：初始鉆井泵A工作，鉆井泵B關(guān)閉，液動閥5和手動閥4打開，開鉆井泵B建立其至自動節(jié)流管匯的通路形成地面循環(huán)，然后關(guān)閉鉆井泵A，打開液動閥1泄壓，然后關(guān)閉液動閥1和7及手動閥2，在此過程中實時調(diào)節(jié)自動節(jié)流管匯中節(jié)流閥的開度，以維持井底壓力穩(wěn)定。

雙泵工作模式2：初始鉆井泵B工作，鉆井泵A關(guān)閉，打開液動閥6，開鉆井泵A建立其至自動節(jié)流管匯的通路形成地面循環(huán)，然后關(guān)閉鉆井泵B，打開液動閥1泄壓，然后關(guān)閉液動閥1，3和7及手動閥4，在此過程中實時調(diào)節(jié)自動節(jié)流管匯中節(jié)流閥的開度，以維持井底壓力穩(wěn)定。

單泵工作模式1：在緊急情況下，初始鉆井泵A工作，鉆井泵B損壞或在維護中，關(guān)鉆井泵A，然后打開液動閥1泄壓，關(guān)閉液動閥1和7及手動閥2，打開液動閥6，再開鉆井泵A建立其至自動節(jié)流管匯的通路形成地面循環(huán)，開泵后調(diào)節(jié)自動節(jié)流管匯中節(jié)流閥的開度，再次建立井底壓力平衡。

單泵工作模式2：在緊急情況下，初始鉆井泵B工作，鉆井泵A損壞或維護中；關(guān)鉆井泵B，打開液動閥1泄壓，關(guān)閉液動閥1，3和7，打開液動閥5，再開鉆井泵B建立其至自動節(jié)流管匯的通路形成地面循環(huán)，開泵后調(diào)節(jié)自動節(jié)流管匯中節(jié)流閥的開度，再次建立井底壓力平衡。

3 井口壓力控制數(shù)值模擬

3.1模型建立與數(shù)值求解

根據(jù)控壓鉆井自動分流管匯系統(tǒng)的設(shè)計方案，考慮主要流動通道，忽略不影響控制井口壓力的非聯(lián)通管路，分別建立雙泵工作模式和單泵工作模式的控壓鉆井自動分流管匯的物理模型，如圖4所示。

圖4 控壓鉆井自動分流管匯的簡化物理模型Fig.4 Simplified physical model of automatic diverter manifold for managed pressure drilling

工況切換過程中泵排量和閥開度是與時間相關(guān)的函數(shù)。流動狀態(tài)變化時，壓力擾動將以波的形式將沿著管道向上游和下游傳播、反射、疊加，傳播過程中能量會逐漸耗散，所以瞬態(tài)模型比穩(wěn)態(tài)模型更適合描述該過程。

為了便于分析,作以下假設(shè)：1)忽略井筒管柱縱向上的形變；2)整個流動過程為絕熱流動；3)鉆井液均勻分散，視其為純液相。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

式中：ρ為鉆井液密度，kg/m3；v為流速，m/s；p為壓力，Pa；t為時間，s；x為空間位置，m；A為流道橫截面積，m2；g為重力加速度，m/s2；β為流速方向與水平面夾角，rad；f為流動摩阻系數(shù)；D為水力直徑，m。

數(shù)值模擬中節(jié)流閥的開度采用PID控制器控制，其表達式為：

(3)

式中：u(t)為控制器輸出值，V；TD為微分時間常數(shù)，s；e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號，即設(shè)定值和測量值之差，V；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)，s。

由式(1)、式(2)和式(3)構(gòu)成的非定常流動模型屬于雙曲線型偏微分方程組，可以采用特征線法求解。特征線法物理意義明確、計算效率高、求解穩(wěn)定，計算精度滿足工程要求。采用特征線法將非定常流動模型轉(zhuǎn)換為常微分方程組，并沿其各自的特征線進行離散，采用牛頓-拉夫遜法求解離散方程組[20]。

3.2計算結(jié)果

3.2.1雙泵工作模式

計算條件：管匯主體內(nèi)徑為0.0762m；鉆井泵A原排量為28L/s，工況切換時鉆井泵A直接關(guān)閉，與此同時開鉆井泵B。鉆井泵B有2種工作方式：工作方式1是在20s內(nèi)鉆井泵B的排量線性增至28L/s；工作方式2是在30s內(nèi)鉆井泵B的排量線性增至28L/s。計算0～60s的井口壓力，0～10s井口壓力預(yù)設(shè)為0.5MPa，10～60s預(yù)設(shè)為6.0MPa，結(jié)果如圖5所示。

圖5 雙泵工作模式下井口壓力隨時間變化的計算結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results for variation of wellhead pressures versus time in dual-pump working mode

從圖5可以看出：鉆井泵B在20和30s內(nèi)將排量調(diào)節(jié)至28L/s的情況下，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，均可以將井口壓力控制在預(yù)設(shè)值，并且控制井口壓力至預(yù)設(shè)值的時間與鉆井泵B排量的調(diào)節(jié)時間相對應(yīng)；井口壓力從預(yù)設(shè)0.5MPa增大到預(yù)設(shè)6.0MPa的過程中，井口壓力上升階段變化平穩(wěn)；工作方式1與工作方式2相比，井口壓力早12s增至預(yù)設(shè)值，兩者峰值分別為6.13和6.08MPa，最終兩者均在5.9MPa上下波動，波動幅度為±0.15MPa，且波動幅度不斷減小，井口壓力控制平穩(wěn)，滿足工程需求。

3.2.2單泵工作模式

計算條件：管匯主體內(nèi)徑為0.0762m，鉆井泵原排量為28L/s；工況轉(zhuǎn)換時，立壓通路先泄壓，再將鉆井泵與節(jié)流通路接通，開泵后關(guān)閉泄壓通路，鉆井泵排量在30s內(nèi)線性增至28L/s。計算0～60s的井口壓力，0～10s井口壓力預(yù)設(shè)為0.5MPa，10～60s預(yù)設(shè)為6.0MPa，結(jié)果如圖6所示。

圖6 單泵工作模式下井口壓力隨時間變化的計算結(jié)果Fig.6 Numerical simulation results for variation of wellhead pressures versus time for single-pump working mode

從圖6可以看出：在0～10s鉆井泵停泵泄壓，3.0～8.5s井口壓力下降，完全泄壓；17.0s時完成流道切換，鉆井泵開泵，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，井口壓力上升至5.9MPa，最終井口壓力與預(yù)設(shè)壓力基本保持一致，滿足工程需求。與雙泵工作模式相比，單泵工作模式先泄壓，再開泵建立循環(huán)，壓力上升速度較慢。因此，單泵工作模式為只有一臺鉆井泵能正常工作時的一種應(yīng)急工作模式，不能作為一種常態(tài)工作模式。

3.3計算流體動力學(xué)模擬

為了驗證上文所述模型的準確性，在相同的計算條件下，利用ANSYS模擬軟件對上述2種工作模式的自動分流管匯系統(tǒng)進行了計算流體動力學(xué)(CFD)模擬。在利用ANSYS模擬軟件進行CFD模擬過程中，采用標準κ-ε模型作為黏性模型，在湍流近壁面處理中選擇增強壁面處理方法。

κ輸運方程為：

(4)

(5)

ε輸運方程為：

(6)

湍流黏度為：

(7)

式中：κ為動能能量，J；ε為耗散率；μ為黏度，Pa·s；μt為湍流黏度，Pa·s;ρ為密度，kg/m3；σκ，σε，C1ε，C2ε和Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，在模擬過程中取ANSYS默認值；Sij為流速空間梯度，s-1；xj為空間方向，m。

以節(jié)流管段為例建立物理模型，并進行網(wǎng)格劃分。圖7為利用ANSYS模擬軟件建立的物理模型，模型由一根長管和一根短管交叉而成，長管為長12.0m、直徑0.0762m的管道，短管為長0.2m、直徑0.0762m的節(jié)流管段。設(shè)定長管的入口為入口1，入口1流量固定為28L/s；短管的入口為入口2，入口2的流量根據(jù)需要設(shè)定在20和30s內(nèi)線性增至28L/s。采用三角網(wǎng)格對該物理模型進行網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格長度設(shè)定為0.05m。

圖7 節(jié)流管段物理模型Fig.7 Physical model

雙泵工作模式和單泵工作模式下的模擬結(jié)果分別如圖8、圖9所示。將圖8、圖9分別與圖5、圖6進行對比，發(fā)現(xiàn)：相同工況條件下，采用ANSYS模擬軟件所得的井口壓力和上文數(shù)學(xué)模型計算所得井口壓力的變化過程基本一致；井口壓力升至6.0MPa后，CFD模擬的壓力波動相對更為平緩一些，表明設(shè)計的自動分流管匯系統(tǒng)能夠滿足控壓鉆井的需要，同時驗證了上文所建數(shù)學(xué)模型是準確的。

圖8 雙泵工作模式井下口壓力隨時間變化的CFD模擬結(jié)果Fig.8 CFD numerical simulation results for variation of wellhead pressures versus time in dual-pump working mode

圖9 單泵工作模式下井口壓力隨時間變化的CFD模擬結(jié)果Fig.9 CFD numerical simulation results for variation of wellhead pressures versus time in single-pump working mode

4 結(jié)論與建議

1) 設(shè)計了一種用于精細控壓鉆井的自動分流管匯系統(tǒng)。該管匯系統(tǒng)利用鉆井泵代替回壓補償系統(tǒng)完成控壓鉆井的工況轉(zhuǎn)換，具有雙泵工作模式、單泵工作模式、常規(guī)鉆井大排量模式等3種工作模式，適應(yīng)能力強，結(jié)構(gòu)簡單。

2) 計算結(jié)果和CFD模擬結(jié)果表明，采用設(shè)計的自動分流管匯進行控壓鉆井，可將井口壓力穩(wěn)定控制在預(yù)設(shè)壓力，能夠滿足控壓鉆井需求。

3) 模塊化、通用化是目前鉆井裝備發(fā)展的趨勢，應(yīng)開展自動分流管匯的模塊化設(shè)計，以及其模塊化應(yīng)用于不同方式控壓鉆井的研究。

4) 本文只是在理論上研究了自動分流管匯的工作性能，應(yīng)進一步進行室內(nèi)試驗，并盡快研制出樣機進行現(xiàn)場試驗。

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[編輯 劉文臣]

DesignandNumericalSimulationofanAutomaticDiverter
ManifoldinManagedPressureDrilling

XIFengliang,XUChaoyang,MAJinshan,QIJintao,XUHaichao

(DrillingTechnologyServiceCompany,CNPCBohaiDrillingEngineeringCo.Ltd.,Tianjin,300280,China)

Back-pressure compensation system in managed pressure drilling can be characterized by high cost and a large occupied drilling field site.Under such circumstances,an automatic diverting manifold system has been developed to replace the existing system.With its simple structure and high adaptability,the innovative automatic diverter manifold with different operation modes of single drilling pump,with dual pumps and large flow rates in conventional drilling operations which can satisfy the demands of different operation mode shifts in finely managed pressure drilling.A mathematical flow model for the innovative automatic diverter manifold system has been established based on mass conservation,momentum conservation and control over throttle valves,and the numerical flow method is used to solve the mathematical flow model.Both the fluid flow calculation results and computational fluid dynamics simulation results show that this automatic manifold system can control wellhead pressure within set pressure and meet the needs of fine pressure control drilling.

managed pressure drilling;diverter manifold;wellhead back pressure;pressure control

TE921+.5

A

1001-0890(2017)05-0023-07

10.11911/syztjs.201705005

2017-02-17；改回日期2017-08-30。

郗鳳亮(1982—)，男，黑龍江安達人，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè)，工程師，主要從事精細控壓鉆井、欠平衡鉆井、氣體鉆井的技術(shù)研究與現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：fengliangxi@163.com。

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(編號：2016ZX05020)資助。