ZM－2钻井液密度调节混合装置的研制与应用

雷宗明 荣准 孔松涛

重庆科技学院石油与天然气工程学院

与陆地和浅水钻井相比，深水钻井有着更为复杂的海况条件，面临着更多的难题，主要表现在泥线不稳固、浅层地质灾害、窄密度窗口问题和气体水合物的危害等几个方面，增加了钻井作业的风险和成本。

为了控制浅层水流（Shallow Water Flow，SWF）等危害，需要利用动态压井系统来实现钻井液密度的快速转变，来调节环空钻井液当量循环密度，从而精确控制井眼环空压力。钻井液密度混合装置是动态压井钻井技术的关键装备，它的工作原理与固井作业中的自动混浆原理相似，根据作业需要，可随时将预先配置好的重浆与正常钻进时的低密度钻井液或海水，通过混浆装置快速调节到压井液所需的密度，实现连续不断地向井内泵送钻井液。从而能够有效地控制地层流体进入井筒，减少井涌、井漏等钻井复杂情况，提高钻井效率和钻井安全性，真正意义上实现边作业边加重的动态压井钻井作业［1－4］。

1 ZM－2钻井液密度调节混合装置的工作原理及特点

1.1 工作原理

ZM－2钻井液密度调节混合装置有海水和重浆两个入口，当需要进行压井作业时，可以通过入口处的节流阀来分别调节海水和重浆的排量。通过不同分支管路，经电磁流量计测得所需参数后，海水和重浆经过哑铃状喷嘴喷射进入混合器内，在一定的剪切混合作用下，保证出口处的压井液达到良好的混合效果［5］。出口管路可直接供泥浆泵向井内连续泵送压井液，代替常规的海水钻进和重浆替入的方法。

在钻进作业期间，通过监测到的地层压力，便可及时调节入口处节流阀的开度来改变海水和重浆的排量，该装置出口处就可泵送出所需要的压井液，使得井眼压力保持在地层空隙压力和破裂压力之间［6］。基本工艺流程如图1所示。

图1 ZM－2钻井液密度调节混合装置工艺流程图

在进行动态压井钻井时，井内的压井液流动循环摩阻力加液柱压力应略大于地层孔隙压力而小于地层破裂压力。当钻遇浅层流时，压井液要按照预测时计算好的密度与排量迅速泵入环空进行压井。

根据海上钻井的特殊条件，压井液密度应该由浅层流地层压力、地层破裂压力及井筒循环摩阻等因素动态确定。重浆与海水的混配比用如下公式进行计算。

式中ρ0为重浆密度，g／cm3；ρ1为动态压井钻井时的钻井液密度，g／cm3；ρsw为海水密度，g／cm3；Q 为所需压井液排量，L／s；Q1为重浆排量，L／s；Q2为海水排量，L／s。

在所需压井液排量已知的情况下，由上式即可得到需要重浆的排量以及海水排量。最终压井液的最小排量应满足携岩要求，最大排量应满足井壁稳定性条件，且不能压漏薄弱地层［5－6］。

1.2 结构组成

ZM－2钻井液密度调节混合装置主要由连接管路、节流阀、高精度电磁流量计、混合器、哑铃状喷嘴等组成，其作用是实现钻井液密度的快速转变。ZM－2钻井液密度调节混合装置包括一管状的混合器，其周向分别通过一接口连接一重浆入口和一海水入口，另一端设置有混合液出口，两接口的中心分别通过一喉部安装一横截面呈哑铃状并相互错开90°的喷嘴；两接口的轴线重合，且喷嘴射流方向与混合器本体的轴线方向垂直［7－8］。混合器中心轴一端还预留了一添加剂入口，需要时可进行海水、重浆及添加剂的三相混合。

1.3 混合机理

为了使进入混合器中三相流体混合均匀，针对钻井液混合器，考虑黏度基浆的流动形态，可能跨越层流、过渡区和湍流各种流态，由此，必须在混合器内对层流、湍流的混合机理都要考虑，即层流时的“分割—重置移动—重新汇合”的三要素对流体进行有规则而反复的作用，以达到混合。湍流时除考虑以上三要素外，由于流体在流动的断面方向产生剧烈的涡流，有很强的剪切力作用于流体，使流体的微细部分进一步被分割而进行混合［9－11］。

本装置采用横截面呈哑铃状的喷嘴，通过从两喷嘴喷出的两组高速低压流体相互错开，并在混合装置本体的低速区域产生剪切混合，喷口周边会产生剧烈的涡流，完全符合湍流的流动特征，因此可选用三维N－S方程作为控制方程，并选择标准k－ε两方程湍流模型建立封闭的控制方程组。即

其中k、ε、ν、ρ、μ、p和珝f分别为湍动能、湍流耗散率、速度、密度、湍流黏性系数、压力和单位质量力，Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，σε＝1.3，σk＝1.0，Cμ＝0.09。通过有限体积法求解不同密度不可压缩流动的三维N－S方程组，并运用数值模拟的方法以研究其混合机理［12］。

1.4 主要技术特点

1）ZM－2钻井液密度混合装置采用对冲方式来混合，并在连接混合器本体的入口喉部安装一横截面呈哑铃状且相互错开90°的喷嘴，使得混合组分的粒度减小，混合精度更高。

2）混合器中心轴一端预留了一个添加剂入口，可进行海水、重浆及添加剂的三相混合，能够快速得到压井液的密度及流变性能，并连续向井内泵送钻井液，使压井液密度处于地层压力和破裂压力之间。

3）ZM－2钻井液密度混合装置不仅体积小，安装方便，而且能够实现大排量、高精度的混合，最大排量可达80L／s，流出混合器混合腔后0.3m左右，混合组分密度差异可以控制在0.05g／cm3。

2 流场数值模拟分析

钻井液密度混合器内流体流动复杂多变，进行现场试验研究具有较大的难度，成本太高。利用流体力学软件可以比较精确地模拟出混合器内的三维紊流黏性流动的流场，从而解决实际问题。

2.1 两相流动模拟

通过混合器周向两入口，分别连续不断地泵入重浆及海水，观察其混合后的密度分布规律。

模拟两喷嘴接口的轴线在所述混合装置本体的截面位置上相互错开90°，且喷嘴射流方向与所述混合装置本体的轴线方向垂直。模拟条件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重浆密度取1.93g／cm3，海水排量取35L／s，重浆排量取15L／s。通过密度分布图（图2）可以看出，当两种不同流速的流体通过喷嘴以180°对喷时，流体相互错开，并在混合装置本体的低速区域产生剪切混合，使得混合组分的粒度减小，混合地更加均匀。

图2 密度分布云图

模拟的混合器总长为1 000mm，混合液在混合器中不同位置的密度变化图（图3）可以发现，混合液流出混合器混合腔后300mm左右时，密度趋于平稳，混合组分密度差异可以控制在0.05g／cm3以内。分析认为，此种设计方案较为合理。

图3 混合液的密度变化图

2.2 三相流动模拟

三相流动模拟时，除了重浆和海水外，在混合器中心轴另一端还增加了一入口，连续不断地泵入添加剂。模拟条件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重浆密度取1.93g／cm3，添加剂密度取1.1g／cm3，海水排量取35L／s，重浆排量取15L／s，添加剂排量取8L／s。

通过三相密度分布图（图4）可以看出，三相混合与两相混合差异不大，混合都较为均匀。但从三相密度变化坐标图（图5）可以发现，流出混合器混合腔的流体密度直到1 500mm处才趋于平稳，只是混合稳定长度比二相混合增加200mm左右，并都在1 600 mm长度内混合完毕。由此可见，本装置对于三相混合依然有良好的混合效果。

图4 三相密度分布云图

图5 三相密度变化坐标图

2.3 入口流量对混合效果的影响

模拟条件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重浆密度取1.93g／cm3。当海水和重浆分别以16～70L／s的排量进入混合器入口，通过哑铃状喷嘴后，在混合器腔体内充分混合，出口处钻井液密度均方差如表1所示。

表1 出口处钻井液密度的均方差表

由表1可知，出口处钻井液密度的均方差一般都低于2%。在正常工作的情况下，入口排量对混合效果影响不大，完全能够满足工程需要。

3 混合装置调试试验

3.1 室内试验

3.1.1 试验方法

海水和重浆的流量直接影响混合密度，可以通过调节节流阀开度，观察流量计的读数，进而找到节流阀开度与混合密度的关系。

3.1.2 试验结果

开泵，关上一端入口，调节节流阀的开度，观察记录流量计的瞬时读数。每30s计1次，记录累计流量（表2）。

表2 节流阀开度与流量的关系表

通过试验可知，流量与节流阀的开度成正比，而且随着节流阀开度的增加，流量增加的速度逐渐减小。在实际操作中，可调节海水与重浆入口节流阀的开度，进而控制出口处钻井液的混合密度，实现动态压井钻井的目的。

3.2 现场试验

为了验证ZM－2钻井液密度调节混合装置的功能、稳定性和可靠性，在“南海八号”钻井船上进行了相关测试，结果表明，该装置能快速、精确地调节到所需钻井液密度，性能稳定、可靠。

3.2.1 测试过程

提前配制好40m3密度为1.30g／cm3的钻井液，然后用编辑好的公式计算出计划测试排量内重浆和稀释液各自需要的排量。排空5号池钻井液并用海水冲洗干净，按照计算结果，去调试动态压井设备海水和重浆排量，混合到5号池搅拌器面之上（混合过程里储备液池搅拌器保持开启），不需时间等待搅拌，直接取5号池钻井液样测量，间隔几分钟后再取样测量，得出实际测量值。

3.2.2 测试结果

通过测试数据可知，该装置混合效果良好，混合密度误差低于1%（表3），且压井液密度与重浆流量呈线性关系（图6、7）。在已知稀释液密度和重浆密度的情况下，可通过调节重浆和稀释液的流量来得到需要的压井液密度。

表3 动态压井重浆混合测试数据表

图6 压井液密度对比曲线图

图7 压井液密度与重浆流量的关系曲线图

4 结论

通过对钻井液密度调节混合装置的研究，得到以下几点结论：

1）ZM－2钻井液密度混合装置能够快速、有效地混合钻井液，精确控制井筒内液柱压力，从而避免了在压井过程中，由于薄弱地层受力过大而使井眼垮塌。因此对于安全窗口比较窄的地层，压井操作更加安全。

2）通过流场数值模拟及现场试验可以发现，在流出混合器混合腔约0.3m的距离时，混合组分密度差异可以控制在0.05g／cm3，精度较高，能够满足施工要求。

3）根据随钻地层压力监测所得到的实测地层压力，实时计算所需的钻井液密度，泥浆泵排量。然后调节配浆池中的配浆量和配浆密度，以及控制注入钻井液的时间等，来实现动态压井。

［1］董冬冬，赵汗青，吴时国，等.深水钻井中浅水流灾害问题及其地球物理识别技术［J］.海洋通报，2007，26（1）：114－119.DONG Dongdong，ZHAO Hanqing，WU Shiguo，et al.SWF problem in deepwater drilling and its geophysical detection techniques［J］.Marine Science Bulletin，2007，26（1）：114－119.

［2］DIEFFENBAUGHER J，DUPRE R，ANTHEMENT G，et al.Planning and executing a drilling fluids strategy for a world－record well［J］.World Oil，2006，227（3）：47－54.

［3］杨进，曹式敬.深水石油钻井技术现状及发展趋势［J］.石油钻采工艺，2008，30（2）：10－13.YANG Jin，CAO Shijing.Current situation and developing trend of petroleum drilling technologies in deepwater［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2008，30（2）：10－13.

［4］GENG Jiaojiao，ZHOU Changsuo，ZHAO Qin.Technology of dynamic kill drilling for drilling in the superficial layer of deepwater［C］∥paper IPTC－15348－MS presented at the International Petroleum Technology Conference，15－17 November 2011，Bangkok，Thailand.Bangkok：IPTC，2011.

［5］高永海，孙宝江，赵欣欣，等.深水动态压井钻井技术及水力参数设计［J］.石油钻采工艺，2010，32（5）：8－12.GAO Yonghai，SUN Baojiang，ZHAO Xinxin，et al.Study on dynamic kill drilling technology in deepwater drilling［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2010，32（5）：8－12.

［6］侯福祥，王辉，任荣权，等.海洋深水钻井关键技术及设备［J］.石油矿场机械，2009，38（12）：1－4.HOU Fuxiang，WANG Hui，REN Rongquan，et al.Key technology and equipment of deep water drilling［J］.Oil Field Equipment，2009，38（12）：1－4.

［7］刘燕，余旭阳，秦赟，等.加重钻井液快速混配设备的研制［J］.石油机械，2013，41（1）：24－26.LIU Yan，YU Xuyang，QIN Yun，et al.Development of the blending equipment for weighted drilling fluid［J］.China Petroleum Machinery，2013，41（1）：24－26.

［8］王欢，唐一科，熊金.钻井液混合器中喷嘴的设计与数值模拟［J］.机械制造，2009，47（11）：18－20.WANG Huan，TANG Yike，XIONG Jin.Design and numerical simulation of drilling fluid mixer nozzle［J］.Machinery，2009，47（11）：18－20.

［9］徐建新.多相体系搅拌混合效果评价方法及其应用研究［D］.昆明：昆明理工大学，2012.XU Jianxin.Research on evaluation methods and applications of stirring and mixing effects in multiphase systems［D］.Kunming：Kunming University of Science and Technology，2012.

［10］KILANDER J，RASMUSON A.Energy dissipation and macro instabilities in a stirred square tank investigated using an LE PIV approach and LDA measurements［J］.Chemical Engineering Science，2005，60（24）：6844－6856.

［11］周国忠，王英琛，施力田.用CFD研究搅拌槽中的混合过程［J］.化工学报，2003，54（7）：886－890.ZHOU Guozhong，WANG Yingchen，SHI Litian.CFD study of mixing process in stirred tank［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering（China），2003，54（7）：886－889.

［12］孔松涛，雷宗明，李嗣贵，等.动态钻井液混合器混合机理研究［J］.石油机械，2010，38（11）：8－11.KONG Songtao，LEI Zongming，LI Sigui，et al.Research on the mixing mechanism of the dynamic drilling fluid mixer［J］.China Petroleum Machinery，2010，38（11）：8－11.