钻井液循环模拟实验装置的研究现状与发展趋势

张 洁，刘 宁，陈 刚

（西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065）

随着钻井工作的不断深入发展以及钻井工艺水平的不断提高[1]，越来越多的钻井作业实践表明钻井液在保障钻井井下安全、稳定井壁、提高钻速、保护储层等方面有重要作用[2]。而目前在对钻井液性能进行评价的过程中，大多数钻井液评价仪器与设备均未能考虑环空流速、井壁冲刷、井下温度、压力等因素对钻井液性能的影响。在实际钻井工作中，钻井液总是以一定的流速在环空中循环流动，其在钻头、环空处受到不同速率的剪切，使得钻井液各组分相互作用形成的微观结构发生变化，而这些微观结构的变化直接影响到钻井液的传质传热特性，进而对钻井工作产生影响[3]。钻井液动态模拟装置可以将油田现场的井况在实验室里模拟出来，将现场“搬进”实验室，消除了对生产井的依赖，一些钻井液新技术的研发与应用可以先期在模拟装置上应用，极大地节省了科研成本，对油田化学新技术的开发有很大价值[4]。在实验室中使用同样组分的钻井液在模拟地下真实情况的动态循环模拟装置中进行试验，对于获得钻井液的各项性能指标，优选出性能优良的钻井液体系以及实现安全、高效的钻井起到十分重要的作用。

1 模拟实验装置的设计理论

实际水力工程中的水力现象非常复杂，如建设庞大的水利工程、钻井液循环等，仅靠理论分析对工程中的水力学问题进行求解存在许多困难，必须通过理论分析、数值计算与模拟实验相结合的方法加以解决。由于实物的尺寸较大，在实物上进行实验会耗费大量的人力和物力，所以要把所需研究的对象制作成各种比尺（一般是缩小）的模型，利用模型进行试验研究重演与原型相似的现象。相似原理则是模型试验的理论依据，也是分析水力学问题的有效方法，因此必须对模型试验的原理和方法有全面的认识。

1.1 相似性

为使模型流动能表现出原型流动的主要现象和特性，并从模型流动上预测出原型流动的结果，就必须使两者在流动上相似。根据相似原理，两相似流动应满足几何相似、运动相似、动力相似。“几何相似”中原型与模型中对应的几何线形尺寸成比例，对应的几何角度相等；“运动相似”中原型与模型中对应的运动参数如速度、加速度方向一致，大小成比例[5]。“动力相似”是原型与模型中对应点处受力方向相同，大小成比例[6]。几何相似是运动相似和动力相似的前提和依据，动力相似是决定两流动相似的主导因素，运动相似则是几何相似和动力相似的表象。

以Fn表示原型中某点上的力，以Fm表示模型中对应点上的力，则力的比值为：δ=δpδ12δv2，由公式表述为：

式中，ρn、ρm分别为原型与模型中研究对象的密度，ln、lm分别为原型与模型中研究对象的长度，vn、vm分别为原型与模型中研究对象的速度。

1.2 相似准则

动力相似可以用相似准数表示，若原型和模型流动动力相似，则各同名相似准数均相等。要达到主要动力相似就应该根据所研究或所需解决的原型流动的性质来决定，根据流动的性质来选取决定性相似准数。以决定性相似准数来判断是否满足了主要动力相似，只要满足了决定性相似准数相等，就满足了主要动力相似，抓住了解决问题的实质。

1.2.1 雷诺数相似

雷诺数是牛顿数相等的一个特例，其物理意义为惯性力和黏性力的比。要保证动力相似，则原型和模型上对应点处惯性力和黏性力的比值必须是相同的[7]，即：

以 Re 表示，亦可写成：Ren=Rem。

适用范围：常用在物体完全淹没在流体中或完全封闭的流动（如钻井管路钻井液流动，仅需计入惯性力和黏性力）。

1.2.2 欧拉数相似

对于钻井管路，压力是主要参考因素之一，可以考虑选择欧拉数相似模拟。欧拉数相似模拟侧重于对部分井段的模拟，是因为欧拉数的计算是基于实际工况中某段井身结构得出来的。同时，欧拉数相等也是牛顿数相等的一个特例，其物理意义为压力与惯性力之比。要保证动力相似，则原型和模型对应点处欧拉数必须相同，即：

以Eu表示，亦可写成：Eun=Eum。

适用范围：在研究淹没在流体中的物体表面上的压力或压强分布时，压力成为起主要作用的力。

1.2.3 弗雷德数相似

弗雷德数相等也是牛顿数相等的一个特例，其表示惯性力和重力之比，反映了流体流动中重力所起的影响程度[8]。要保证 动力相似，则原型和模型对应点处弗雷德数必须相同，即：

以Fr表示，亦可写成：Frn=Frm。

适用范围：凡有自由水面并且允许水面上下自由变动的各种流动（重力起主要作用的流动）。

2 钻井液常规模拟实验装置

随着钻井液在钻井作业和油气层保护中起到越来越重要的作用，研究人员越来越重视钻井液模拟装置的研究，并针对钻井作业过程中钻井液的流变性能、润滑性能、携岩性能、井壁稳定等问题，研制了具有不同功能的常规钻井液模拟装置。目前常规API滤失量测定仪仅可以测量出一定条件下钻井液的静滤失量及所形成滤饼的厚度。考虑到钻井液流速和流态的影响，动滤失量对现场钻井作业过程具有更大的参考价值[9]。国外较早地对动态滤失模拟实验装置进行了研究[10]，利用锥形装置对滤饼表面进行剪切作用从而模拟钻井液流动状态，测量不同剪切速率下钻井液的动滤失量。郭东荣等研制了可以模拟井下温度、钻井液压力与地层压力之差以及钻井液对井壁的剪切作用的高温高压钻井液动滤失模拟装置[11]。该模拟装置的压差由建立在岩芯座或滤纸座两端的压力差实现，最大压差为8MPa；温度模拟由加热套实现，控温范围为室温至180℃；通过电机带动锥形转子实现剪速模拟，来模拟钻井液对井壁的冲刷作用。他们利用该装置研究了剪速、压差、温度等因素对泥浆动滤失性能的影响，研究发现钻井液的动滤失与静滤失不同，动态情况下滤失形成的滤饼薄而韧，且渗透率小。王健等设计了一种新型高温高压可视砂床滤失仪[12]， 该装置采用滤失筒、加压装置及加热装置，实现了模拟现场滤失的压力、温度及地层情况，使得试验数据更加逼近真实，分析处理结果也具有更高的参考价值。

井漏是钻井过程中普遍存在的问题，而且可能造成井塌、卡钻、井喷等其它井下复杂情况和重大事故，对钻井工作危害极大。针对国内外现有的API室内静态堵漏评价实验装置的漏床和缝板的位置和结构不合理，不能真实地模拟漏失地层的实际情况，而且钢珠漏床试验和缝板试验不能同时进行等问题，余维初等研制了新型智能高温高压动态堵漏评价系统[13]，可有效解决上述问题。该模拟装置能够模拟地层压力、温度及钻井液流速，可调节温度范围为室温至150℃，工作压力为0～20MPa；能够通过静态狭缝实验和动态狭缝实验评价堵漏材料对人造裂缝和漏床的堵漏效果，并测量封堵层的最大承载能力及返排压力等，从而筛选出具有优良堵漏效果并对地层损害小的堵漏剂。针对复杂地质条件、超深井钻井作业，窦斌等设计了一套模拟漏失地层堵漏实验装置[14]，该装置主要由加压系统、模拟漏失地层、堵漏液容器以及温度控制系统等部分组成。该模拟装置可以模拟井下高温高压、地层性质、地层开启压力，模拟常规漏失地层以及真实漏失地层，用于评价流体循环状态下钻井液的堵漏效能，为堵漏剂优选、钻井液堵漏效能评价及堵漏工艺设计提供了实验参考。

在钻井过程中，钻井液常常会对油气田储层造成损害。为了达到油气开采目的，应尽量预防和减少对油气层的损害。目前常规的室内研究方法主要是通过储层岩芯或标准岩芯流动实验来研究岩芯损害的程度和机理。王永恒等研制了MFC-Ⅰ型高温高压多功能组合损害评价系统[15]，可用于评价水平井钻井过程中储层特性、浸泡时间和钻具偏心等条件因素对储层损害的影响，优点是能够同时进行多个岩芯实验。刘洪亮等研制了高温高压动态损害评价系统[16]，该系统能够模拟井下高温高压和钻井液的动态循环过程。此外该系统具有微机跟踪显示和自动采集数据的功能，提高了实验测试精度。

3 钻井液循环模拟实验装置

在石油钻井试验及研究中，由于现场钻井井下的隐蔽性和复杂性，现场试验并不是完全理想的、经济的和科学的试验方法[17]。研究人员研制的钻井液模拟装置只能对钻井液动态性能进行局部模拟，但是在实际钻井作业过程中，钻井液总是以一定的环空流速在井下环形空间内不断地流动。针对上述问题，相关科研人员为考察井下高温高压环境下循环钻井液的流动特性、携岩特性、滤失性能等性能的机理与特点，研制了一系列钻井液循环模拟实验装置。

3.1 常温常压可视实验装置

该系列实验装置一般由透明的有机玻璃制作模拟循环井筒，其优点是循环可视性好，能够清楚地观察井筒内部情况，譬如钻井液携带岩屑、钻屑堆积、运移方式等，对研究钻井液的流动特性、携带出岩屑的最低上返速度以及岩屑床的形成机理和控制方法具有较好的效果[18]。

其中较为典型的是水平井钻井液携屑模拟实验装置[19]，该试验井筒总长为10m ，有效测试长度可达6m。主测试管是由内径为120mm的有机玻璃外筒和外径为73mm的金属内管组成，有机玻璃外筒与内管两端靠法兰盘联结密封，内管通过轴承与油马达及管架联结，通过调节法兰盘及油马达可以实现内管偏心度及转速的变化，装置底座通过铰接连接在滑轮和起升架上，通过控制起升按钮，可使整个装置沿起落轨道实现井斜角 0°～90°范围内变化调节，循环用岩屑是通过连接在上水管线上的特制加砂装置加入的。

王志中等人利用研制的井筒携砂实验装置[20]，模拟一定砂粒配比下不同井型中的携砂情况。该井筒携砂实验装置的携砂管内径为65mm，设计管体可以倾斜至需要的角度，并可通过节流阀调节流量。谢宾等人研制出水平井井筒连续油管沉砂携带与孔眼分流室内模拟实验装置[21]，该装置以可视井筒为核心，井筒内具有与现场实际一致的射孔参数，能模拟水平井井筒内替液、冲砂、携砂以及液体在水平井段孔眼中的分流、排液等方面的研究工作。曹品鲁等人设计了空气泡沫钻井模拟试验装置[22]，该模拟装置设计了与井身结构相似的环形空间，尽量真实模拟钻井工况。模拟井筒结构尺寸根据相似原理进行设计，由内外2层管组成封闭流动系统，内筒为不锈钢钢管，外筒为透明的有机玻璃管，能够直接观察泡沫的流动状态。为简化试验装置结构仅进行常温低压下的测试，同时该试验装置具有良好的功能扩展能力。董长银等人在考虑地层滤失、井筒倾斜、筛管偏置等特殊情况下，建立水平井及大斜度井管内砾石循环充填试验模拟装置[23]。其中主体井筒模拟装置是该试验系统的核心，采用透明耐压材料制成，内径140mm，外径200mm，长5.5m，耐压1.2MPa，井筒起升系统用于调整井筒倾角（0°～30°）。

尤源结合相似原理和钻井液水力学原理，设计并制作了一套动态模拟钻井液循环流动的实验装置用于试验、教学和研究[24]。该装置采用有机玻璃进行制作，可以模拟井筒中岩屑的携带和悬浮、地层中钻井液的滤失造壁、钻井液固相沉降分离、添加剂连续加入及混合等。实验装置操作范围：温度＜50℃，压力＜0.5MPa，环空流速0～20cm·s-1，模拟岩屑颗粒粒径0.25～2mm。孟祥交在原有复相钻井液循环模拟装置的基础上，研究了气液分离条件与气液分离效能的关系，同时研制出改进的气液分离器并新设计制作了管柱式气液旋流分离器，研究了复相钻井液流体流量、气流量、流体黏度对改进的气液分离器和管柱式气液旋流分离器分离效能的影响[25]。该系列装置的主要缺点是温度和压力不能模拟井下真实情况，钻井液的流变性与实际情况有很大的差别。

3.2 高温高压不可视实验装置

高温高压不可视实验装置一般由耐压能力较强的钢化结构作为循环井筒，同时配制加温系统，其优点是能够模拟井下温度和压力，与井下情况接近，其实验数据较真实可靠。国内较典型的是张振华等人根据以往对气液两相流体在铅直管路中的压力梯度或压差及有关参数等问题的研究所使用的试验装置（有机玻璃管路）多数耐压和耐温能力有限的情况，研制了一套高温高压流动试验装置，对可循环微泡沫钻井液在高温高压条件下的流动规律进行了试验研究[26]。该可循环微泡沫钻井液高温高压流动试验装置试验管段是由外径为14.2mm的内管和内径为25mm的外管组成的环形空间流道，最高试验压力为18MPa，最高试验温度为245℃。试验管路的压力、压降、温度等参数均由压力压差变送器和温度传感器直接测得。

Tulsa大学利用“钻井技术研究项目”中的钻井过程模拟设备[27]，研究了小尺寸岩屑难于携带或容易携带的原因与条件，以及岩屑尺寸、钻杆旋转速度、钻井液的流变性、井斜角等因素对岩屑携带的影响程度，同时在水平井套管环空中模拟井下条件对泡沫输送岩屑开展了实验性研究[28]，旨在模拟井下条件对泡沫输送岩屑进行研究以准确获取井底压力和预测ECD。该系列装置的缺点是它的不可视性，不利于微观机理深入研究，其试验结果有时不能从微观上给予详细解释。

3.3 相对高压可视实验装置

相对高压可视实验装置可视且耐一定的压力，可以真实模拟钻井液在井下工作状态，为钻井液性能研究提供了新的研究手段。由美国宾夕法尼亚大学S.B. Supon等人在1991年设计完成了空气钻井模拟装置[29-31]，该装置是用来模拟干空气钻井作业，通过用粗砂和细砂两种不同粒径的砂粒相混，以模拟旋转钻井中岩屑进入井筒情况。砂和空气混合物进入环空底部，再经环空流动到设备顶部，由漩流分离器将砂和空气分离开来，空气放入大气，砂粒通过漏斗再次进入循环系统。该装置能够较好地研究干空气运移钻屑的规律以及岩屑在空气钻井中运移的微观机理，其研究成果在指导气体钻井作业中发挥了作用。

邱正松等人研制了超临界二氧化碳钻井流体循环模拟实验装置[32]，该模拟装置的模拟井筒是整个实验设备的关键部位，耐温90℃，耐压15MPa，能够通过井筒上的视窗观察井筒内介质流动和运行状态，并且模拟井筒井斜角可调。通过该模拟装置可以模拟超临界二氧化碳在钻井过程中钻井液的流动特性、携岩特性、压力损失以及温度传递等特性，为超临界二氧化碳钻井液的研究提供了一种实验方法和研究手段。为了满足深水钻井液性能测定与评价的基本要求，邱正松等人在理论推导并结合实践的基础上研制了深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置[33]。该模拟实验装置包括模拟井筒、模拟钻杆、钻井液输送装置和模拟井壁，可模拟深水钻井液循环过程，进行低温流动特性、携岩特性以及稳定井壁性能等特性研究，可满足不同井况深水钻井需要。

程荣超等人根据相似理论和量纲分析结果，研制了多功能井筒流动模拟实验架[34]。该模拟实验架综合考虑了加工条件和室内实验条件，设计环空实验段外筒内径为 75mm，壁厚 20.5mm，钻杆外径为42mm，外管为透明的有机 PVC 管，内杆为不锈钢管，总长为 4.2m，实验段连接在起吊装置上，最大倾角可达到 32°(与水平方向)。最大测试压力为 2.3MPa，最大测试温度为 78℃。通过对泡沫携岩实验方法的研究，形成了一种评价不同工况下泡沫流体或其它气基流体携岩能力的实验新方法，同时为研究其它流体的井筒流动特性提供了一条重要的途径。该系列装置不仅能够模拟地层高温高压的环境，同时可视性好，能观察筒内流体流动状态和运行情况。

4 模拟实验装置的发展趋势

（1）可以真实地模拟井下高温、高压的环境。只有这样，钻井流体的流动状态和流变参数才与真实井下情况相类似，其结果才真实可信[35]。

（2）模拟装置要能实现可视化。可视化是进行实验现象观察，深入探索微观作用机理的重要途径，可视化可为实验人员调整实验方案、优化实验数据提供帮助，宏观与微观模拟实验研究相结合[36]。

（3）实验模型的尺寸向大型化发展。增大实验模型尺寸，不仅可以使研究的问题与实际情况更接近，而且便于所取得的数据直接在现场应用[37]。根据相似原理的分析，要保证钻井液在井筒内与模拟井筒内的上返速度一致，只有全尺寸的模拟实验装置才能符合相似原理。

（4）模拟实验装置由单一的功能向多功能应用发展，同时要具有较好的功能扩展能力[37]；理论研究、实验模拟与数值模拟相结合，共同为现场实践服务。

（5）实验模型测量的要求更高。尽量采用计算机数据自动采集技术，对测量数据，如压力、温度、流量等实现实时采集，程序化处理，最大限度地减少人为干扰[38]。

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