泵注反循环岩屑运移实验系统的研制

周劲辉，浦世雄，王睿博，韦帮伟

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)

·实 验 技 术·

泵注反循环岩屑运移实验系统的研制

周劲辉，浦世雄，王睿博，韦帮伟

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)

设计和研制了一套泵注反循环岩屑运移实验系统。该系统包括泥浆泵、泥浆池组、正反循环控制阀组、模拟井筒、模拟钻柱、模拟钻头、岩屑筒、循环管线和测试仪表等，可以灵活实现钻井液正、反循环的切换。以清水为钻井液，用六种不同粒径的石英砂进行泵注反循环岩屑运移实验，分别测得不同粒径岩屑上返需要的最低排量，为泵注反循环钻井提供了实验依据。该实验系统操作简单，运行可靠，为本科实验教学、大学生科技创新和科研提供了一个良好的实验平台。

泵注；反循环；岩屑运移；试验系统

降低每米钻井进尺费用和提高钻井速度是未来高度需求、重点发展的钻井技术[1]，而水平井、大位移井等复杂结构井日渐成为降低油气开采的重要技术手段。受地层、钻井设备及钻具条件的限制，传统的岩屑清除方法[2-3]不能彻底解决水平井、大位移井的井眼净化问题。反循环钻井与正循环钻井相比，具有井眼净化好、钻进效率高、利于识别地层和保护储层、成本低、利于防塌和防漏、减少套管磨损、降低摩阻扭矩等优点[4-5]，在桩基工程、水文/水井勘察、地热勘探、浅层气勘探、洗井和固井中得到成功的应用。按照产生反循环的动力来源，有泵吸反循环、气举反循环和泵注反循环之分。泵吸反循环理论钻井深度有限[6-7]，钻进过程中存在循环中断、钻进效率随钻进深度下降等问题[8-9]；气举反循环受双壁钻杆强度的限制[10]，反循环钻井深度受到限制，且需要配备专门的设备，如双壁钻杆、空压机等，增加设备成本；泵注反循环克服了泵吸反循环和气举反循环的弱点，具有更深的理论可钻进深度、更低的钻井成本和更容易实现等优点。

1 实验系统研制的意义

在现有井口设备条件下(旋转防喷器耐压能力)，循环压耗是影响泵注反循环钻井顺利实施的关键因素。在井身条件一定的情况下，泵排量是循环压耗的决定因素。对泵排量的最低要求是保证岩屑能顺利地运移到地表上来。从清除岩屑角度考虑，理论上泵排量越大清除效果越好，因流速低不利于携岩；从循环压耗的角度考虑，排量过大势必造成循环压耗过大，需要的泵压增加，可能带来诸如井壁不稳定、井底岩石强度增加等钻井问题，且流速高将加剧钻杆内壁的冲蚀与磨蚀。因此，确定最小排量是优化泵排量的关键。研制泵注反循环岩屑运移实验系统，开展泵注反循环岩屑运移规律的研究，对泵注反循环的顺利实施至关重要。

2 实验系统设计思想

在广泛调研和深入思考的基础上，该实验系统的设计应着重考虑安全性、可靠性、灵活性等四个方面。

2.1 安全性

系统的安全性应被放在首位考虑，必须杜绝一切安全隐患。从主观、客观上讲，该系统的安全隐患来自以下四个方面：(1)该系统需要三相动力电；(2)泥浆泵的皮带轮在泵运转过程中有潜在的危险；(3)泵入口离地面高度超过5 m，如果管路发生泄漏会给电气设备和现场实验人员带来危险；(4)操作人员大部分为学生，其安全防范意识一般比较淡薄。

为此，采取的保障措施包括：确保用电安全，选用耐压管线，精选循环管路的接头材料。

2.2 可靠性

系统运行时，泥浆泵泵入的钻井液有一定的压力，循环系统内、外管必须保证密封，否则循环效果不好，难以得到正确的数据，影响分析结果。

为此，采取的保障措施包括：确保每个部件的加工质量，选用高质量的密封圈，精心安装，反复测试。

2.3 灵活性

实验场地空间有限，不能影响其他实验的正常进行；实验完毕应方便拆卸、搬运和存放。

为此，采取的保障措施包括：模块化设计，钻井液注入端、井筒、管柱、地面管汇自成一体。具体而言，钻井液注入端与井筒采用法兰连接，与模拟钻柱采用丝扣连接；单根模拟钻柱采用丝扣连接；各节井筒采用法兰连接，单根井筒重量不超过25 kg；测试仪表与井筒采用丝扣连接；地面管汇与专用接头套接，并用卡箍卡紧。通过地面控制阀的调节，可以灵活实现正、反循环的切换。

2.4 实用性

该实验系统主要为大学生科技创新服务，同时也可为研究生科学研究和大学本科实验教学服务，因此，在功能上要满足不同人群的使用要求。

3 实验系统原理及组成

泵注反循环岩屑运移实验系统原理图如图1所示。该装置主要包括泥浆泵、泥浆池组、正反循环控制阀组、模拟井筒、模拟钻柱、模拟钻头、岩屑筒、循环管线和测试仪表等，可以灵活实现钻井液的正、反循环切换。

1.沉淀泵；2.泥浆池；3.泵入管汇；4.泥浆泵；5.反循环泵入控制阀；6. 正循环泵入控制阀；7. 反循环回流控制阀；8.正循环回流控制阀；9.反循环泵入和正循环回流管线；10. 正循环泵入和反循环回流管线；11.井口钻柱内压力表；12.井口环空压力表；13.井底压力表；14.模拟井筒；15.模拟钻柱；16.模拟钻头；17.岩屑筒

图1 泵注反循环岩屑运移实验系统原理图

该实验系统的主要组成部件包括：(1)泥浆泵选用BW-250型(地质勘探常用泵)；(2)泥浆池为不锈钢桶，共3个，单个桶的体积1.2 m3；(3)循环管线为高压胶管；(4)模拟井筒为有机玻璃管，外径110 mm，内径100 mm，各段用不锈钢法兰连接；(5)模拟钻柱为不锈钢管，外径63 mm，内径60 mm；(6)模拟钻头由不锈钢材料做成；(7)测试仪表有压力表、流量表。

4 实验效果

该岩屑运移实验系统在模拟钻柱不旋转的情况下可进行水平井、大位移井泵注反循环岩屑运移模拟实验。

选用六种不同粒径的石英砂进行了最低排量的模拟实验，实验条件如下：(1)岩屑粒径分别有8目、6目、5目、4目、2.5目、<2.5目，均<10 mm，如图2所示；(2)钻井液类型为清水；(3)温压条件为室内常温、常压；(4)实验次数为每组岩样各实验3次，共计18组实验；(5)井筒条件为井筒总长19m，其中水平段长14.5m，垂直高度4.5m。

图2 实验中的部分照片

实验中主要是测试泵注反循环携带不同粒径的岩屑所需要的最低排量，测试结果如图3所示。从图3可以看出，所需的最低排量随粒径的增大而呈非线性增加的趋势。这种规律比较符合现场实际情况。

图3 最低排量随岩屑粒径的变化规律

5 结束语

泵注反循环岩屑运移实验系统的成功研制具有重要的意义。它为岩屑运移规律的研究提供了室内模拟实验条件，为大学生科技创新活动的开展奠定了硬件基础，为大学本科实验教学、研究生科学研究提供了一个良好的实验平台。该系统通过控制阀可以实现正、反循环的切换，能进行正、反循环岩屑运移的对比实验，实验运行可靠。该系统的不足之处在于其测试系统不够完善，参数主要通过观察数显仪表读取，参数测试有待进一步实现自动化和可视化。

[1]沈忠厚,黄洪春,高德利. 世界钻井技术新进展及发展趋势分析[J].中国石油大学学报：自然科学版，2009, 33(4): 64-70.

[2]王智锋.复杂结构井岩屑床清除技术[J].石油钻采工艺,2009, 31(1): 102- 104.

[3]张洪泉,任中启,董明健. 大斜度大位移井岩屑床的解决方法[J].石油钻探技术，1999, 27(3): 6-8.

[4]孙丙伦. 应用气举反循环钻进工艺成功解决钻井施工疑难技术问题[J].探矿工程：岩土钻掘工程，2007(3): 12-14.

[5]ReubenLGraham,JohnMFosteretal.Reversecirculationairdrillingcanreducewellboredamage[J].Oil&GasJournal, 1993(22): 89-94.

[6]尹飞,王茂森,田野. 泵吸反循环钻进深度计算分析[J].西部探矿工程，2008(2): 58-60.

[7]廖光华. 泵吸反循环钻进深度的理论探讨与实践[J].地质与勘探，2000, 36(2): 32-34.

[8]冯玉国. 泵吸反循环中断的原因分析及预防措施[J].探矿工程：岩土钻掘工程， 2001(2): 12-13.

[9]张泽业. 泵吸反循环钻进反循环运行工况参数及钻进特性[J].探矿工程：岩土钻掘工程，1998(1): 14-16.

[10]许刘万. 气举反循环钻进的事故及处理方法[J].西部探矿工程，1998, 10(6): 76-77.

Development of Experiment System for Cuttings Transportationin Pump-injected Reverse Circulation

ZHOU Jinhui,PU Shixiong, WANG Ruibo, WEI Bangwei

(Faculty of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China)

Experiment system for cuttings transportation in reverse circulation of pump-injection, is designed and developed. This system includes mud pump, mud tanks, valve group controlling the circulation directions, simulate wellbore, simulate drill pipe strings, simulate bit, cuttings cylinder, circulation tubular and testing devices. Comparative experiments of normal and reverse circulation can be done using this system. Using water as drilling fluid, cuttings transportation experiments were carried out using six kinds of quartz sands with different particle sizes, the minimum pump ratio was tested respectively, and the experimental basis was provided for reverse circulation drilling of pump-injected. A good experiment platform is provided for the undergraduate students’ experiment teaching, science and technology innovation and postgraduate students’ science research.

pump-injected; reverse circulation; cuttings transportation; experiment system

2014-06-27

国家自然科学基金创新研究群体基金资助项目(51 221003)；国家863基金资助主题项目(2013AA0 64803)；石油化工联合基金资助项目(U12 62201)。

周劲辉(1971-)，男，博士，讲师，主要从事井下力学、信息与控制工程理论与实验研究工作。

TE242

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.001