張銳堯 李 軍 明瑞卿 楊宏偉 高熱雨

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院)

0 引 言

深水區(qū)窄壓力窗口的地層特征和復(fù)雜的溫度場(chǎng)環(huán)境使得井筒壓力控制難度大，噴、漏、卡、塌等井下復(fù)雜情況頻發(fā)[1-4]，傳統(tǒng)鉆井技術(shù)在深水鉆井中面臨著極大的挑戰(zhàn)。與井底恒壓控壓鉆井和雙梯度鉆井技術(shù)相比，基于井下分離器短節(jié)的多梯度控壓鉆井技術(shù)最具發(fā)展前景[5-8]。

多梯度控壓鉆井技術(shù)的原理是先將鉆井液與空心球在鉆井液池中混合均勻，然后將混合流體通過(guò)上部鉆柱注入，當(dāng)混合流體進(jìn)入分離器時(shí)混合流體中的空心球會(huì)被分離，并直接注入環(huán)空中。如果以分離器為參考點(diǎn)，則其上部環(huán)空中為空心球與鉆井液混合后所形成的低密度流體，稱為輕質(zhì)流體；下部環(huán)空中為原鉆井液，稱為重質(zhì)流體。因此，在上、下環(huán)空中會(huì)形成兩個(gè)不同的密度梯度。當(dāng)安裝兩個(gè)或者多個(gè)井下分離器對(duì)空心球進(jìn)行多點(diǎn)分離時(shí)，則在環(huán)空中會(huì)形成多個(gè)密度梯度。該鉆井新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，由于其主要的配套設(shè)備為井下分離器短節(jié)，所以在壓力控制以及設(shè)備的安裝與維護(hù)等方面操作更簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低；其二，由于井底恒壓控壓鉆井技術(shù)只能適應(yīng)淺水區(qū)，無(wú)法應(yīng)對(duì)深水區(qū)的壓力控制問(wèn)題[9-11]，而雙梯度鉆井技術(shù)只能改變隔水管環(huán)空內(nèi)的流體密度，即只能對(duì)泥線以上的密度梯度進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以其壓力控制范圍相對(duì)有限[12-20]。多梯度控壓鉆井技術(shù)可以對(duì)環(huán)空內(nèi)任意井段的鉆井液密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可極大地?cái)U(kuò)展壓力控制范圍。

綜上所述，多梯度控壓鉆井技術(shù)具有較好的發(fā)展前景，但是井下分離器對(duì)空心球的高效分離是成功實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的井下旋流分離器的分離效率最高只能達(dá)到40%，難以達(dá)到多梯度鉆井的目的。鑒于此，本文研制了新的井下分離器短節(jié)，即井下過(guò)濾分離器，并利用多梯度鉆井室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了分離效率試驗(yàn)，從而驗(yàn)證了井下過(guò)濾分離器能夠?qū)招那驅(qū)崿F(xiàn)高效分離的特性。該研究結(jié)果可為多梯度控壓鉆井技術(shù)的發(fā)展提供一定的技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)、工作原理及試驗(yàn)流程

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為多梯度控壓鉆井室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。其中圖1a所示為模擬井筒，主要由模擬鉆桿和模擬環(huán)空同軸線等裝配而成，它是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)觀察與測(cè)試的核心區(qū)域。其中，模擬鉆桿由3段長(zhǎng)度為1 m，外徑為127 mm，內(nèi)徑為112 mm的鋼管連接而成。模擬環(huán)空由3段相同長(zhǎng)度且內(nèi)徑為215.9 mm的透明鋼化玻璃管組成。模擬井筒與試驗(yàn)臺(tái)架同軸線且垂直安裝，其上端為流體的入口，下端有底流口。上部入口與注入管線相連，底流口與回流管線相連，過(guò)濾分離器的分離口則與分離管線相連。

圖1b所示為控制器與監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成的控制柜。上部為監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)，可以對(duì)泵的排量、閥門的開(kāi)度、渦輪流量計(jì)以及壓力傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；下部為控制器，可以對(duì)泵的排量及閥門開(kāi)度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

圖1 多梯度控壓鉆井室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Indoor simulation test system for multi-gradient managed pressure drilling

圖1c為研制加工的過(guò)濾分離器短節(jié)。該短節(jié)的外徑為125 mm，長(zhǎng)度為1 082 mm，通過(guò)螺紋與模擬鉆桿連接，主要功能是對(duì)注入的空心球進(jìn)行分離。其總體結(jié)構(gòu)包括上接頭、第一級(jí)外筒、第二級(jí)外筒、過(guò)濾結(jié)構(gòu)、第三級(jí)外筒以及下接頭等。其核心部分為第二級(jí)外筒和第三級(jí)外筒之間的過(guò)濾結(jié)構(gòu)(包括球形過(guò)濾塞和金屬過(guò)濾網(wǎng))。球形過(guò)濾塞上開(kāi)設(shè)有3個(gè)直徑為26 mm且呈圓周等距分布的小孔，金屬過(guò)濾網(wǎng)覆蓋在球形過(guò)濾塞的球形端面上，圓周上通過(guò)螺栓進(jìn)行鎖緊，如圖1d所示。當(dāng)鉆井液和空心球的混合流體從模擬鉆桿的上部入口處注入，然后流經(jīng)過(guò)濾分離器時(shí)，由于設(shè)計(jì)的金屬過(guò)濾網(wǎng)的孔徑小于試驗(yàn)所選取的空心球直徑，空心球無(wú)法通過(guò)金屬過(guò)濾網(wǎng)而被過(guò)濾分離，被分離的空心球會(huì)在部分鉆井液的沖刷作用下，沿著過(guò)濾結(jié)構(gòu)的光滑球形端面下滑，并從分離口流出，最終進(jìn)入到儲(chǔ)集池中。

1.2 工作原理

根據(jù)上述試驗(yàn)系統(tǒng)布局，得到了如圖2所示的試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。由圖2可知，從左至右分別是攪拌池、高壓泵、注入管線、模擬井筒、返回管線和儲(chǔ)集池(2個(gè))。試驗(yàn)時(shí)，需要先將空心球與流體在攪拌池中混合均勻，然后通過(guò)控制系統(tǒng)開(kāi)啟所有閥門以及高壓泵，攪拌池中的混合流體通過(guò)注入管線，由模擬井筒的上部入口進(jìn)入到模擬鉆柱內(nèi)。當(dāng)混合流體進(jìn)入如圖3所示的過(guò)濾分離器時(shí)，根據(jù)多孔介質(zhì)的原理，空心球無(wú)法通過(guò)過(guò)濾結(jié)構(gòu)而被分離[21]。被分離后的空心球在少部分鉆井液的攜帶下，直接由過(guò)濾結(jié)構(gòu)的球形表面進(jìn)入分離口，最終由閥門3所在的回流管線進(jìn)入到儲(chǔ)集池1中進(jìn)行回收。而其余流體則通過(guò)分離器后進(jìn)入到模擬鉆柱的下部，進(jìn)入到模擬環(huán)空中，最終進(jìn)入儲(chǔ)集池2中。最后，將儲(chǔ)集池1中的空心球進(jìn)行干燥和稱量，并與注入的空心球進(jìn)行對(duì)比，即可得到該條件下的分離效率。

圖2 多梯度控壓鉆井試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of test system for multi-gradient managed pressure drilling

1—上接頭；2—螺栓；3—第一級(jí)外筒；4—第二級(jí) 外筒；5—套筒；6—第三級(jí)外筒；7—過(guò)濾結(jié)構(gòu)。圖3 過(guò)濾分離器二維結(jié)構(gòu)Fig.3 Two-dimensional structure of filter separator

1.3 試驗(yàn)流程

基于多梯度控壓鉆井室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，分別開(kāi)展了不同條件下的分離效率測(cè)試試驗(yàn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)為閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，注入流體與返出流體可以循環(huán)使用，同時(shí)注入的空心球可以回收再利用。改變?cè)囼?yàn)條件，可進(jìn)一步得到對(duì)應(yīng)條件下的不同分離效率。根據(jù)圖2所示的試驗(yàn)系統(tǒng)與工作原理，制訂了具體的試驗(yàn)流程。

(1)檢查并確保試驗(yàn)系統(tǒng)的所有設(shè)備與儀器正常后，連接所有設(shè)備與儀器。

(2)向攪拌池中注入2 m3清水，然后接通電源，并啟動(dòng)控制器和監(jiān)測(cè)軟件。

(3)通過(guò)控制系統(tǒng)開(kāi)啟循環(huán)系統(tǒng)中的所有閥門，同時(shí)開(kāi)啟高壓泵，利用攪拌池中的清水對(duì)管路進(jìn)行循環(huán)清洗。循環(huán)一段時(shí)間后，待返出管線內(nèi)的流體干凈，清洗儲(chǔ)集池1和2中的濾網(wǎng)，關(guān)閉高壓泵和閥1。

(4)利用電子天平稱取一定質(zhì)量的直徑為0.45 mm的空心球，并做記錄。然后將稱取的空心球倒入到攪拌池中，通過(guò)控制軟件啟動(dòng)攪拌程序進(jìn)行攪拌。待空心球和流體混合均勻后，先開(kāi)啟閥1，然后在控制柜的軟件界面中設(shè)置泵的頻率為25 Hz，啟動(dòng)高壓泵。

(5)循環(huán)過(guò)程中，混合流體中被分離的空心球會(huì)通過(guò)閥3進(jìn)入儲(chǔ)集池1中，其余鉆井液則通過(guò)過(guò)濾分離器，由模擬鉆柱進(jìn)入模擬環(huán)空內(nèi)，最后經(jīng)返出管線進(jìn)入到儲(chǔ)集池2中。當(dāng)攪拌池中的流體全部排出后，關(guān)閉高壓泵和閥1。

(6)對(duì)儲(chǔ)集池1中收集的空心球進(jìn)行干燥、稱質(zhì)量，并記錄。然后對(duì)比步驟(4)中注入的空心球質(zhì)量與干燥后的空心球質(zhì)量，從而計(jì)算該條件下的分離效率，并做記錄。

(7)重復(fù)步驟(2)～(6)，分別測(cè)試不同泵頻率(排量)為30 Hz (16.6 L/s)～45 Hz (25 L/s)共8個(gè)排量條件下的分離效率，并做記錄。同理，可以得到空心球直徑為0.6 mm時(shí)的分離效率。

(8)保持其他條件不變，重復(fù)步驟(2)～(6)，分別測(cè)試空心球直徑為0.15、0.30、0.45和0.60 mm條件下的分離效率。

(9)重復(fù)步驟(2)～(6)，分別測(cè)試空心球質(zhì)量濃度為1.2～4.2 g/L時(shí)，空心球直徑分別為0.45和0.60 mm的分離效率，并做記錄。

(10)重復(fù)步驟(2)～(6)，分別測(cè)試空心球密度為150、350和650 kg/m3條件下的分離效率，并做記錄。

(11)當(dāng)上述試驗(yàn)測(cè)試完成后，保持其他條件不變，向攪拌池中添加聚丙烯酰胺增加清水的黏度。重復(fù)步驟(2)～(6)，測(cè)試增黏劑質(zhì)量濃度為0.10～0.45 g/L時(shí)，空心球直徑分別為0.45和0.60 mm的分離效率，并做記錄。

(12)測(cè)試完成后，繼續(xù)開(kāi)泵循環(huán)一段時(shí)間，待循環(huán)管路清洗完畢后，停泵，并清潔儲(chǔ)集池中的濾網(wǎng)，同時(shí)對(duì)空心球進(jìn)行干燥，并回收利用。

(13)試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉電源，整理試驗(yàn)場(chǎng)地。

2 試驗(yàn)結(jié)果

基于上述試驗(yàn)，研究了排量、空心球質(zhì)量濃度、增黏劑質(zhì)量濃度、空心球直徑和空心球密度對(duì)過(guò)濾分離器分離效率的影響，得到如圖4～圖7所示的試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 泵排量的影響

圖4a和圖4b分別表示空心球直徑為0.45和0.60 mm時(shí)，不同泵排量對(duì)過(guò)濾分離器分離效率的影響效果圖。由圖4可以看出，隨著排量從14 L/s逐漸增加到25 L/s，過(guò)濾分離器的分離效率呈逐漸提升的趨勢(shì)。這是因?yàn)榭招那虮贿^(guò)濾分離器分離后會(huì)短暫停留在過(guò)濾結(jié)構(gòu)的球形外表面，而進(jìn)入環(huán)空內(nèi)則需要部分流體提供一定的動(dòng)能。隨著排量的增加，進(jìn)入過(guò)濾分離器內(nèi)部的流體的流速增加，空心球獲得的動(dòng)能增加，更有利于空心球進(jìn)入環(huán)空中。因此，增加泵的排量有利于提升過(guò)濾分離器的分離效率。

圖4 泵排量對(duì)分離效率的影響Fig.4 Influence of pump displacement on separation efficiency

2.2 空心球質(zhì)量濃度的影響

圖5a和圖5b分別表示直徑為0.45和0.60 mm空心球的質(zhì)量濃度對(duì)過(guò)濾分離器分離效率的影響。由圖5可知，隨著空心球質(zhì)量濃度從1.20 g/L逐漸增加到4.25 g/L，兩種條件下的分離效率都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著空心球質(zhì)量濃度的增加，球與球之間的接觸面積增加，流體與空心球之間的有效接觸面積減小，從而使得流體對(duì)空心球的曳力作用減小，所以過(guò)濾分離器的分離效率逐漸上升。因此，在多梯度鉆井過(guò)程中，如果滿足安全鉆井條件，則可以適當(dāng)增大注入的空心球質(zhì)量濃度。

2.3 流體黏度的影響

圖6a和圖6b表示空心球直徑分別為0.45和0.60 mm時(shí)，不同流體黏度對(duì)分離效率的影響。由圖6可知，隨著增黏劑(聚丙烯酰胺)的質(zhì)量濃度從0.10 g/L逐漸增大到0.45 g/L，過(guò)濾分離器兩種直徑的空心球分離效率都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著增黏劑的質(zhì)量濃度逐漸增加，混合流體的黏度逐漸增大，從而使得流體對(duì)空心球的曳力作用逐漸增大，導(dǎo)致空心球的分離難度增大。

圖5 空心球質(zhì)量濃度對(duì)分離效率的影響Fig.5 Influence of hollow sphere concentration on separation efficiency

圖6 增黏劑(聚丙烯酰胺)質(zhì)量濃度對(duì)分離效率的影響Fig.6 Influence of viscosifier (PAM) concentration on separation efficiency

圖7 空心球直徑和密度的影響Fig.7 Influence of hollow sphere density and diameter on separation efficiency

2.4 空心球直徑和密度的影響

圖7a為不同直徑空心球?qū)^(guò)濾分離器分離效率的影響圖。由圖7a可知，隨著空心球直徑從0.15 mm逐漸增大到0.60 mm，過(guò)濾分離器的分離效率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著直徑的增加，空心球的表面積與體積之比逐漸減小，則流體與空心球的有效接觸面積減小，從而使得空心球受到流體的曳力作用減弱，分離效率逐漸提升。因此，在多梯度鉆井過(guò)程中，可以適當(dāng)選擇直徑較大的空心球，從而提升過(guò)濾分離器的分離效率。

圖7b為不同空心球密度對(duì)過(guò)濾分離器分離效率的影響圖。由圖7b可知，隨著空心球密度從150 kg/m3增加到650 kg/m3，過(guò)濾分離器的分離效率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著密度的增加，空心球受到的重力作用增加，被分離的空心球從過(guò)濾分離器處進(jìn)入環(huán)空時(shí)所需要的動(dòng)能會(huì)逐漸增大，從而增加了空心球的分離難度，所以分離效率逐漸降低。因此，在多梯度鉆井過(guò)程中，在滿足安全鉆井需求的條件下，應(yīng)盡量選擇密度較小的空心球。

3 結(jié) 論

基于多梯度控壓鉆井模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)新研制的井下過(guò)濾分離器的分離效率進(jìn)行了研究，分別測(cè)試了排量、空心球質(zhì)量濃度、流體黏度、空心球直徑和密度對(duì)分離效率的影響，得到如下結(jié)論：

(1)基于新研制的井下過(guò)濾分離器，搭建了多梯度控壓鉆井室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，為后續(xù)分離器的分離效率、空心球滑移速率或井筒壓力梯度試驗(yàn)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

(2)利用多梯度鉆井室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)過(guò)濾分離器的分離效率進(jìn)行測(cè)試，在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下過(guò)濾分離器的分離效率最高可以達(dá)到87%。

(3)過(guò)濾分離器的分離效率隨著泵排量、空心球質(zhì)量濃度和直徑的增大而提高，隨著流體黏度和空心球密度的增大而降低。所以在滿足安全鉆井的條件下，可以適當(dāng)提升泵排量和空心球質(zhì)量濃度，或者選擇直徑較大或密度較小的空心球來(lái)提升過(guò)濾分離器的分離效率，從而能夠更好地發(fā)揮多梯度控壓鉆井的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。