基于气体钻井的反循环实验器教学装置研制

黄 勇， 朱丽红， 邹德永， 王京印

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

基于气体钻井的反循环实验器教学装置研制

黄 勇， 朱丽红， 邹德永， 王京印

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

反循环钻井过程中，压缩气体沿双壁钻杆环状间隙进入井底，在井底借助反循环钻头抽吸作用形成反循环流场，而后携带岩屑沿中心通道上返至地面。根据气体反循环钻井工作原理和钻井工具结构特征，研制了气体反循环钻井井底流场模拟实验装置，该型实验装置能够模拟反循环钻井中井底流体的运动过程，并能对井底反循环效果进行验证和评价。反循环实验器教学装置的研制完善了气体反循环钻井技术的实验教学环节，同时激发学生们深入研究反循环钻具结构的兴趣。

气体钻井； 反循环； 实验器； 实验教学

0 引 言

随着勘探的不断深入，常规石油天然气资源增储增产难度越来越大，非常规油气资源的战略地位日趋重要[1-3]。与此同时，对油气勘探技术的要求也不断提高，新工艺正在冲击和淘汰着传统工艺[4-7]。特别是在非常规油气资源钻探中，气体反循环钻井工艺有取代正循环钻井工艺之趋势[8-9]。气体反循环钻井技术具有钻井效率高、注气量小、经济环保等诸多优点，其在煤层气、页岩油气等非常规油气钻探中具有广阔的发展潜力和应用前景[10-13]。

气体反循环钻井技术利用压缩空气作为循环介质，通过双壁钻杆建立一套与正循环方式相反的封闭循环系统[14-15]。反循环钻井过程中，压缩气体沿双壁钻杆环状间隙进入井底，在井底借助反循环钻头抽吸形成反循环流场，而后携带岩屑沿中心通道上返地面。气体反循环钻井技术的核心是促使井底形成反循环流场。目前主要借助于Fluent软件通过数值模拟向学生们演示反循环井底流场过程，直观性不如实验方法好，较抽象。因此，本文研制一种反循环实验器，用于完善气体反循环钻井技术的实验教学环节。

1 实验系统设计

反循环井底流场主要由反循环钻头、双臂钻杆、井壁、孔底四部分组成。井底气体流量的变化能够直接反映反循环效果，因此,根据井底气体流量分配进行实验系统设计，如图1所示。系统主要包括：空压机、排屑管、反循环实验器及传感器等。基本原理是：空压机产生的压缩空气沿供气管路进入反循环实验器，先沿内、外管的环状间隙到达旋流发生器，再经旋流发生器上的旋喷孔产生强烈的抽吸作用，根据抽吸能力确定携屑量，实现井底反循环流场，最后沿内管的内壁即中心通道排出。记录压力表、流量计等实验数据。抽吸能力越强，外环空上流量计和压力表的读数越小，说明井底流场反循环效果好。而抽吸能力的强弱可通过中心通道上的压力表读数来判断。

图1 反循环实验系统示意图

2 实验系统组成

(1) 空压机及供气管路。实验采用型号为2VFC-6/8电固风冷式空气压缩机，主要技术参数包括：钻速980 r/min,排气压力0.80 MPa,容积流量6 m3/min,轴功率37 kW。

(2) 压力表和流量计。气体流量与压力是气体反循环钻井井底流场的2个主要参数。本实验装置中采用浮子流量计测量气体流量，采用弹性式压力表测量气体压力。

(3) 反循环实验器。反循环实验器是整个实验系统的核心，如图2所示，主要包括进气组件、钻头组件、环空组件和排气组件。实验时，高压气体经进气接头进入反循环实验器，经进气座、导流板、内与外管间隙进入钻头组件。气体经过流孔进入旋流发生器，由旋喷孔喷出形成旋流，旋流沿内管壁面上升最终经排气管排出。受钻头组件内旋流抽吸作用，外部气体经外缸进气口，再经环空间隙(衬套与钻头基体间空隙)进入钻头组件。

1-排气接头，2-压力表接头，3-进气座，4-密封圈，5-进气接头，6-导流板，7-内管，8-外管，9-压盖，10-过流孔，11-钻头基体，12-衬套，13-外缸，14-密封圈，15-底板，16-旋喷孔，17-旋流发生器，18-外缸出口，19-密封圈

图2 反循环实验器结构原理图

反循环实验器中采用的钻头模型是根据旋风式反循环钻头原理设计的，包括钻头基体与旋流发生器两部分。钻头基体的主要作用：①与衬套内壁面配合形成环状间隙空间；②将输入的高压气体导入旋流发生器内。

钻头基体分为上下两部分(见图3)。钻头基体上部通过与内、外管配合，与实际钻井中双壁钻杆的环状间隙和中心通道相对应，将反循环实验器内的进、排气通道隔离。钻头基体下部腔室用于容纳旋流发生器。压缩气体经6个分布在中心孔外侧的纵向小孔进入旋流发生器，形成上升旋流后经中心孔进入内管。

图3 钻头基体

旋流发生器是反循环实验器的重要部件(见图4)，其上设置的旋喷孔是形成井底反循环流场的核心结构。旋喷孔的数量直接影响着反循环效果。旋流发生器上部开有环槽，与钻头基体上的纵向小孔配合，不需要调整角度，即可形成进气流道。为与下部旋喷孔相通便于输送气相流体，在旋流发生器轴向设有3个直孔，气流经旋喷孔在中心孔内形成上升旋流，实现反循环井底流场模拟。

衬套(见图5)是为改造反循环实验器增加的辅助部件，主要作用是模拟井壁。衬套内腔与钻头组件配合形成外环空间隙，模拟实际钻井中钻头与井壁间的外环空间隙。同时在衬套上端面开有4个径向横槽，使外环空与外界大气形成通路。衬套下端面与钻头基体配合，具有一定的高度差，形成底出刃。

内管主要用于模拟进气通道和排气通道，如图6所示。内管的内腔与排气接头相连，形成反循环钻井的排气通道，即中心通道。内管外壁面与进气接头、外管配合，端面上设置有密封槽，形成反循环钻井的进气通道，即双壁钻杆的环状间隙。

用底板(见图7)模拟钻孔底面，底板通过自身外侧的6个圆孔固定于实验器外缸底部，底板中心位置设有3个支撑螺钉，用于固定旋流发生器。

图5 衬套

图6 内管

图7 底板

3 实验过程及结果

反循环实验器与气体反循环钻井技术井底结构之间的对应关系如图8所示。反循环实验器的主体结构如图8(a)所示。用外缸与底板的配合体(图8(b))模拟实际钻孔底面。钻头基体与衬套的配合体(图8(c))模拟井壁与钻头之间的环空间隙。钻头基体、旋流发生器及内管的配合体(图8(d))构成旋风反循环钻头结构。衬套与旋流发生器的位置关系(图8(e))用于模拟井壁与钻头的位置关系。组装反循环实验器，安装流量计、压力计等测量仪表，反循环实验系统如图9所示。

旋流发生器的旋喷孔对井底反循环效果影响显著，借助反循环实验器可对不同结构参数的旋喷孔反循环效果进行测试。旋喷孔结构参数包括: 旋喷孔直径d、旋喷孔角度θ、旋喷孔高度h，在相同进气流量条件下，监测外环空间隙入口流量，实验结果见表1。实验结果表明，旋流发生器内上升旋流的入射速度、上升角度、距井底的距离对反循环效果有显著的影响。

图8 反循环实验器分解图

图9 反循环实验系统实物图

编号结构参数d/mmθ/(°)h/mm流量/(m3·h-1)134040167235050148336060126455060156556040129654050179754060102876050159974060137

4 结 语

根据气体反循环钻井工作原理和钻井工具结构特征，研制的气体反循环钻井井底流场模拟实验装置可以有效地模拟反循环钻井中井底流体的运动过程，通过流场特征参数的检测对井底反循环效果进行评价，并可进一步优化反循环钻具结构。反循环实验教学装置使学生们更直观地观察到气体反循环钻井技术的实现过程，完善气体反循环钻井技术实验教学环节，同时提高学生深入研究反循环钻具结构的学习兴趣。

[1] 邹才能,翟光明,张光亚,等. 全球常规-非常规油气形成分布、资源潜力及趋势预测[J].石油勘探与开发, 2015,42(1): 13-25.

[2] 贾承造,郑 民,张永峰. 中国非常规油气资源与勘探开发前景[J].石油勘探与开发, 2012,39(2):129-136.

[3] 李建忠,郑 民,张国生,等.中国常规与非常规天然气资源潜力及发展前景[J].石油学报, 2012,33(S1): 89-98.

[4] 何文渊,郝美英.油气勘探新技术应用研究[J].地质学报, 2011,85(11): 1823-1833.

[5] 王益山,王合林,刘大伟,等.中国煤层气钻井技术现状及发展趋势[J].天然气工业, 2014,34(8):87-91.

[6] 肖 洲,邓 虎,侯 伟,等.页岩气勘探开发的发展与新技术探讨[J].钻采工艺, 2011,33(4): 18-22.

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

[8] 张晓西.中心取样钻探技术(一)[J]. 探矿工程, 2000(1): 63-65.

[9] 韩烈祥,孙海芳.气体反循环钻井技术发展现状[J].钻采工艺, 2008,31(5):1-5.

[10] 殷 琨,蒋荣庆.潜孔锤钻进技术及应用[J].探矿工程，1996(5):13-15.

[11] 黄 勇,殷 琨,朱丽红.风动潜孔锤反循环钻井最小注气量模型[J].中国石油大学学报(自然科学版),2011,35(5):65-69.

[12] 王运美,李 琛,马建民.反循环钻井技术在浅层气开发中应用[J].石油机械,2007,35(5):59-61.

[13] 刘建林.反循环空气锤及其在气体钻井中的应用前景[J].石油矿场机械,2012,41(7):11-14.

[14] 甘 心,殷 琨,殷其雷,等.空气反循环钻头井底流场分析及结构优化[J].吉林大学学报(地球科学版)，2016(1):187-194.

[15] 范黎明,殷 琨,张永光,等.基于引射原理的侧吸式反循环钻头结构参数数值研究[J].中南大学学报(自然科学版)，2011,42(1):220-226.

Development of Reverse Circulation Experiment Teaching Device Based on Air Drilling

HUANGYong,ZHULihong,ZOUDeyong,WANGJingyin

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

In the process of reverse circulation drilling, compressed air goes through a reverse circulation experiment device to monitor the flow and pressure parameters. Then it is along the annular gap of the double wall drill pipe into the bottom of the well, through rotary injection hole of the reverse circulation bit, to form the rotating upwelling that has pumping action. Finally, cuttings are carried back to the surface along the center channel. According to the principle of reverse circulation drilling and structure of drilling tools, reverse circulation experiment device was developed. The experimental device can simulate the movement process of drilling fluid in the downhole, and verify and evaluate the effect of reverse circulation. The development of the reverse circulation experiment teaching device improved the experimental teaching of the air reverse circulation drilling technology and could stimulate the interest of the students to study the structure of the reverse circulation drilling tools.

gas drilling; reverse circulation; experiment device; experiment teaching

2016-05-12

国家自然科学基金项目(51274235);山东省英才基金项目(ZR2015EM027);中央高校基本科研业务经费资质(15CX05039A);中国石油大学(华东)校级教改项目(JY-B201503、JY-A201602)

黄 勇(1981-)，男，吉林永吉人，博士，讲师，主要从事石油工程方面的教学与研究工作。

Tel.: 18563979479； E-mail: huangyongjlu@163.com

TE 355.3; G 642.423

A

1006-7167(2017)03-0052-03