微流量检测实验装置设计

王冬平 黄靖富 赵士林 蔡文涛 王 伟 何彦希

(重庆科技学院石油与天然气工程学院， 重庆 401331)



微流量检测实验装置设计

王冬平 黄靖富 赵士林 蔡文涛 王 伟 何彦希

(重庆科技学院石油与天然气工程学院， 重庆 401331)

微流量检测可实时检测出井筒模型进出口处的流量、压力、密度和温度等参数。通过分析这些参数的变化，准确判断井底是否发生了溢流或漏失，并计算井底压力的大小，确定地层压力。从微流量检测技术原理着手，设计了一套微流量检测实验装置。

微流量控压； 井底压力； 地层压力

微流量控制压力钻井技术与其他控压钻井技术相比较，具有能更早监测到井下微小溢流或漏失并及时进行反馈控制的优势。该技术通过精确监测井筒进、出口流量等参数来获知井筒内压力变化情况，并及时进行反馈控制，使井筒内压力在可控范围内，整个过程可实现自动监测、自动控制，准确性高[1-2]。

微流量检测实验装置，是在以研究微流量控压钻井装备及技术为目的的基础上设计的一套室内装置。设计的实验装置能够实时对井筒进出口的流量、压力、密度和温度等数据进行检测及计算。通过给定一个微小溢流，设备能够马上检测出溢流流量，并计算出此时的井底压力，计算发生微小溢流时的地层压力，从而达到检测地层压力的目的。

1 微流量检测原理

微流量检测实验装置使用的循环流体为不可压缩流体，井底的一个微小压力变化将很快在地面检测设备上反映出来。循环流体不可压缩是微流量检测装置能够早期检测到溢流的理论基础[3-4]。

在溢流和漏失未发生的情况下，装置模拟钻井液循环过程，将测得的井筒进出口流量、压力和井底处压力等数据作为期望值数据存入计算机检测系统。在需要进行微流量检测时，通过传感器采集流量、压力等数据并传入计算机检测系统，并将其与相应的期望值进行对比。系统首先判断是否有溢流，如有溢流，可确定地层破裂压力；如有漏失，可确定地层孔隙压力[5-7]。图1为微流量检测流程图。

图1 微流量检测流程图

2 实验装置水力参数设计

现场井深大都在几千米以上，而实验装置的井筒模型长度需控制在一定范围内，故需要基于一定的相似准则将原型缩小。设计的实验装置由于受场地高度的限制，在沿装置循环流体流动的轴线方向选择变态模型。根据雷诺数相似准则，需满足原型与模型的雷诺数相等，即：

(1)

式中：ρ1，ρ2—— 分别为原型与模型的流体密度，gcm3；

v1，v2—— 分别为原型与模型的流体平均流速，ms；

d1,d2—— 分别为原型与模型的管道内径，cm；

μ1,μ2—— 分别为原型与模型的流体动力黏度，mPa·s。

(2)

(3)

设：作用在流体上的合外力为F，流体的加速度为a，流体的质量为m。根据牛顿第二定律F=ma，得力的比尺λF为：

(4)

压强比尺为：

(5)

设：装置钻杆尺寸内径为50 mm。根据式(1) — (5)计算出装置设计所需的参数值(见表1)。

表1 装置与原型各参数对比表

3 实验装置设备及管路设计

微流量检测实验装置可实现钻井液在安全密度窗口内的循环。实验装置以清水代替钻井液。清水经过螺杆泵加压后进入井筒入流管路，然后进入井筒，循环至井底后上返，由井筒出口流出，进入地面循环管路，最后返回至泥浆池。该装置还要实现井筒内有溢流或漏失情况下的循环。当需要产生溢流时，由溢流管路上的螺杆泵提供指定流量和压力的钻井液进入井筒，从而在井筒进出口处产生流量差；当需要产生漏失时，开启漏失管路上的阀门，清水则从井筒侧底部的开孔流入漏失管路。

在实验装置的循环系统中，选用螺杆泵作为流体循环动力源。其可以在额定流量和压力范围内输出指定流量和压力的流体，并且输出的流量连续均匀、工作平稳、脉动小。为使该装置能够精确捕捉井底微小的压力变化，选用带有单晶硅谐振式传感器技术的恒河EJA系列的压力变送器。单晶硅对于压力或温度的变化不存在滞后现象，是非常理想的材料。

选用能够精确测量流量、密度和温度的E+H质量流量计。该流量计除可以直接测量质量流量且测量精确度高外，还可同时测量流体体积流量、密度和温度等。

管路中流体压力最大为0.3 MPa。井筒采用透明的有机玻璃管，可满足承压能力和可视性的要求。管路采用内壁光滑、抗压抗腐蚀的PPR管。大闭环管路如图2所示。

在钻井过程中，溢流或漏失通常发生在离井眼底部有一定距离的裸眼井段中。因此本次实验设定装置的溢流和漏失口在离井底0.2 m处。

国外的微流量检测技术在累计溢流不超过0.159 m3时就能检测到溢流[2-3]。因此以此数据为参考，由相似原理中的几何相似计算出装置能检测到溢流的累计溢流量为15.6 L。选择输出流量连续均匀、工作平稳、脉动小的螺杆泵作为井底液体溢流用泵。选定内径为25 mm的不锈钢管作为液体溢流管道[6-7]。为检测螺杆泵输出流体的流量，在螺杆泵出口安装转子流量计。

4 井筒内流动分析及数模结果

模拟装置设置了2个流体入口，1个流体出口。流体分别从井筒底部和底部右侧溢流口流入，然后沿着井筒上返，从井筒上部的井口流出。设计的模拟井筒为对称结构，取其中的一半进行模拟分析。进行网格划分后，设定2个入口都为速度入口，出口为压力出口。模拟时为重力操作环境，出口与大气相通。

从流体剖面速度云图可以看出，流体刚开始进入环空时，入口处速度增加，形成一定的涡流(图3a)；随着流体向环空上返，流体速度逐渐减小，在出口处速度增加(图3b)。通过模拟井筒内流体的流动情况可以看出，设定的溢流可以稳定注入井筒，与井底入口流体一同在环空内混合并上返。模拟不同数值的边界条件，对比井底入口流量与井口流量。发现当两者出现差值时，井底压力也会发生变化。

图2 微流量检测实验装置设计图

5 结 语

依据微流量检测技术原理，提出了微流量检测室内实验装置的设计方案。通过建立装置的水力学模型，根据相似准则及变态模型理论确定装置的基本技术参数，并对装置的大闭环循环系统和溢流与漏失系统进行了设计。模拟结果表明：微流量检测实验装置可以准确检测井底压力变化，在现场应用中可以为窄安全密度窗口井段的精细控压提供数据参考。

[1] 姜英键,周应操,杨甘生,等.井底恒压式与微流量式控压钻井系统控制机理差异分析[J].探矿工程,2014,41(5):6-9.[2] SANTOS H, LEUCHTENBERG C, SHAYEGI S.The Next Generation in Drilling Process[G].SPE 81183,2003.

[3] SANTOS H,CATAK E,KINDER J,et al.First Field Applications of MicroFlux Control Show Very Positive Surprises [G].IADCSPE 108333-MS,2007.

[4] 张奎林,夏柏如.微流量控制钻井自动节流管汇的设计及应用[J].石油钻采工艺,2012,34(6):53-56.

[5] 孔祥伟,林元华,邱伊婕.微流量控压钻井中节流阀动作对环空压力的影响[J].石油钻探技术,2014,42(3):22-27.

[6] 尹明,陈若铭,兰祖权,等.控压钻井系统研究[J].石油钻采工艺,2010,32(增刊1):69-72.

[7] BARBATO T,CENBERLITAS S，GALAD M.Enabling Technology Optimizes Dynamic Mud Weight Management and Reduce Well Cost Associated with Drilling Operation [G]. IADCSPE 140375-MS,2011.

The Schematic Design of a Micro Flux Detection Device

WANGDongpingHUANGJingfuZHAOShilinCAIWentaoWANGWeiHEYanxi

(School of Petroleum Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

The micro flux detection device can timely monitor flow rate, pressure, density and temperature in and out of the well bore model, and through these parameters we can judge influxes and losses in borehole accurately, calculate the bottom hole pressure value and determine the formation pressure. This paper designed a set of micro flux measurement experiment device based on the concept of micro-flux detection.

micro flux pressure control; bottom hole pressure; formation pressure

2016-03-20

“863”重大专项子课题“深水表层关键技术及装备研究”(2007AA09A103-01)；重庆科技学院研究生科技创新项目“微流量检测实验装置研制”(YKJCX2014022)

王冬平(1987 — )，男，湖北襄阳人，重庆科技学院在读硕士研究生，研究方向为油气井工程。

TP274

A

1673-1980(2016)05-0117-03