水平井岩屑运移实验教学系统的研制

相恒富，王志远

（中国石油大学 a.机电工程学院；b.石油工程学院，山东 青岛 266580）

·实验仪器研制·

水平井岩屑运移实验教学系统的研制

相恒富a，王志远b

（中国石油大学 a.机电工程学院；b.石油工程学院，山东 青岛 266580）

为研究不同钻井参数对水平井环空岩屑运移的影响规律，该文设计研制了一种水平井岩屑运移实验教学系统。该系统包括钻井液循环系统、岩屑注入系统、钻杆旋转及偏心系统、实验井筒系统、井筒起升系统、数据采集及分析系统，能够满足对不同钻井液排量、钻杆转速、钻杆偏心度、岩屑生成速度、井斜角、钻井液密度及流变参数的携岩实验研究。实践表明，该实验系统操作简单、运行可靠，为本科实验教学和大学生科技创新及科学研究提供了一个良好的平台。

水平井；岩屑运移；实验系统；两相流

随着钻井技术的快速发展，水平井因能够获得更高的综合效益而应用越来越广，随着水平段距离的不断加长，井眼净化问题越来越突出，因为水平井井斜角达到了90°，岩屑沉降方向与钻井液流动方向垂直，加上水平井钻杆偏心，导致岩屑极易在井筒下侧形成岩屑沉积床，岩屑床的存在，导致卡钻、降低机械钻速、下套管固井困难等问题，严重时导致钻井事故［1］。衡量水平井井眼净化的主要参数有岩屑床厚度和环空压耗。水平井钻井实践表明，其主要影响因素有钻井液环空流速、钻杆转速和偏心度、井斜角、钻速、钻井液密度及流变性参数、井眼环空尺寸等。因此，如何判断井下是否已经形成了岩屑床以及确定岩屑床的厚度和位置是目前急需解决的难题［1－6］。针对这个问题，许多高校建立了水平井岩屑运移装置，如Tulsa大学钻井项目组（TUDRP）的流动环路ACTF，巴西石油公司科研中心（PETROBRAR＆D）模拟实验装置，日本国家石油公司技术研究中心（JNOC／TRC）的携岩流动环路系统CTFLS等，国内一些高校如大庆石油学院也建立了类似的实验装置［7－9］。

流体力学是石油工程、船舶与海洋工程、油气储运工程等专业的必修课，流体和固体之间相互作用是重要的内容之一［10］。岩屑运移是一个复杂的液固两相流问题，进行岩屑运移流动实验有利于深入理解固液两相流动理论，提高大学生实践和创新能力。并且，开展岩屑运移实验研究也是科研工作者最主要的研究手段，因此建立水平井岩屑运移实验装置是十分必要的［11－12］。

1 实验系统研制的意义

在水平井钻井中，清除环空岩屑床需要足够大的排量，但是排量增大，环空压耗也增大，可能带来诸如井壁不稳定、井底岩屑强度增加等钻井问题，且排量大将加剧井筒内壁的冲蚀与磨蚀。因此清除岩屑床除了增大排量外，还要考虑钻井液特性、钻速和钻杆转速的综合影响，研制水平井岩屑运移实验装置，开展不同钻井参数下的水平井岩屑床厚度及环空压耗的研究，获取岩屑不沉积最小排量，对于顺利进行水平井钻井和水力参数设计是至关重要的。

2 实验系统设计思想

2.1 设计原则

在广泛调研国内外岩屑运移实验装置和深入分析的基础上，结合现有实验室的实验条件，根据以下原则进行了水平井岩屑运移实验装置的设计。

1）安全性。由于本实验装置面向大学生的教学实验和科研人员的科学实验研究，必须保证系统的安全可靠，杜绝一切安全隐患。分析岩屑运移系统，存在的安全隐患主要有：该系统需要三相交流电，而实验环境湿度大，有触电危险，电机应选择防爆级别，电器应具备防触电保护装置。

2）密封可靠性。实验环路有众多的接口和阀门，应保证可靠的密封，否则循环效果不好，难以得到正确的数据，影响分析结果，且会对人身安全造成威胁。设计时选用耐压管线，精选循环管路的接头材料和密封圈，确保每个部件的加工质量。

3）模块化设计。实验室已有气液两相流动实验装置、冲砂洗井实验装置，导致空间狭小。针对此问题，采用模块化设计思想，首先利用现有的实验装置，如气液两相流动装置的循环管路支撑装置和起升装置，稍加改造可作为水平井携岩实验装置的流动环路和井筒起升系统，冲砂洗井实验装置的砂罐和加砂绞龙可改成岩屑注入装置，然后从接口的兼容性上考虑设计本实验装置的其他部分，这样一方面节省了成本，也减小了占地空间，采用模块化设计思想，便于组装新实验装置，在本实验结束时方便地复原原实验装置。

2.2 岩屑运移实验系统原理研制

基于以上原则设计的水平井岩屑运移实验装置如图1所示，包括钻井液循环系统、岩屑注入系统、钻杆偏心及旋转系统、岩屑分离系统、井筒起升系统、测量系统和控制系统。

其中，钻井液循环系统由储液罐、离心泵、模拟井筒、模拟钻杆等构成，由离心泵控制泥浆排量大小；岩屑注入系统由加砂罐、加砂绞龙、步进电机及驱动控制系统组成，通过调整步进电机转速调节岩屑注入速度；钻杆旋转及偏心系统由步进电机、偏心法兰和扶正器构成，以PPR管做模拟钻杆，通过步进电机带动旋转模拟钻杆旋转，钻杆偏心度通过偏心法兰和扶正器进行调整，钻杆转速通过调整驱动钻杆旋转的步进电机转速实现控制；井筒起升系统通过井筒支架置于地面滑轨上，另一端通过手葫芦升降实现井斜角的调整；模拟井筒有两个透明测试段，通过CCD摄像机对固液两相流动进行全程摄像，然后通过计算机图形处理技术获取环空岩屑床沉积厚度；环空压耗由两个位置的压力变送器测量得到。

图1 水平井岩屑运移实验装置示意图

改造完成的水平井携岩实验装置如图2所示，该实验装置结构简单，使用方便，工作安全，能够模拟不同排量、钻杆转速、钻杆偏心度、岩屑注入速度、井斜角和不同钻井液体系对环空岩屑浓度、岩屑床厚度和环空压耗的影响。

图2 水平井携岩实验教学装置

3 岩屑运移实验开展及效果

选用不同粒径的石英砂在水平井携岩实验教学装置上开展了不同排量的携岩实验。实验测试条件如下：流体为清水，钻杆不偏心，井斜角为90°，环空流体速度变化范围为0.66～1.2 m／s，钻杆转速变化范围为0～120 r／min，岩屑注入速度分别为7.8、13、20、26 kg／min。井筒内径为50.8 mm，钻杆外径为25.4 mm，井筒有效段总长为12 m。

因井眼内径不同，保持安全钻井的岩屑床厚度不同，工程上常采用无因次岩屑床厚度来评价水平井携岩能力。无因次岩屑床厚度可表示为：

式中，h为实验测量得到的岩屑床厚度，DH为实验井筒内径。

定义无因次岩屑床厚度为实测的岩屑床厚度与模拟井眼内径的比值。如图3所示，为测试的不同环空返速与无因次岩屑床厚度的关系。由图3可知，随着环空返速的增加，无因次岩屑床厚度下降很快，这是因为环空返速增加，环空局部钻井液速度增大，岩屑颗粒所受的轴向拖曳力和径向举升力也增大，岩屑颗粒的悬浮能力和轴向运移能力增强，因而岩屑沉积的概率降低，岩屑床厚度减小。而岩屑生成速度增大，岩屑床的厚度增大，这种规律比较符合现场实际情况。如图4所示，为不同环空返速下钻杆转速与无因次岩屑床厚度的关系。从图4中可以看出，钻杆转速在一定的范围内，对降低岩屑床厚度作用明显，钻杆旋转增加了环空扰动，并给岩屑颗粒提供一个旋转举升力，增大了悬浮能力，并将岩屑床面的岩屑颗粒输送到环空高流速区，使得携岩效果改善；钻杆旋转造成扰动的波及范围和能量有限，不能将所有的岩屑都带入高流速区，因此在达到某一转速（90 r／min）后岩屑床的厚度降低不明显。

图3 环空返速对无因次岩屑床厚度的影响

图4 钻杆转速对无因次岩屑床厚度的影响

4 结束语

水平井携岩实验装置的成功研制为水平井及水平井岩屑运移规律的研究提供了室内模拟实验条件，为大学生本科实验教学、研究人员科学研究提供了一个良好的实验平台。能够实现不同钻井液排量、钻杆转速和偏心度、岩屑生成速度、井斜角、钻井液密度和不同流变性参数对环空岩屑浓度、岩屑床高度和环空压耗的影响规律研究。该装置结构简单、易于实现模块化，装配和拆装方便，占用实验空间小。通过模拟实验表明实验运行可靠，可信度高。

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Development of Experimental Teach System for Cuttings Transport in HorizontalW ellbore Drilling

XIANG Hengfua，WANG Zhiyuanb
（a.College of Mechanical and Electronic Engineering；b.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In order to study the influence of different drilling parameters on themigration of horizontal wells in horizontal wells，this paper designs and develops an experimental teaching system of horizontalwell cuttingsmigration.The system includes drilling fluid circulation system，cuttings injection system，drill pipe rotation and eccentric system，experimental annulus system，annulus hoisting system，data acquisition and analysis system，tomeet the different drilling fluid displacement，such as flow rate of drilling fluid，ro tational speed of drill pipe，eccentricity of drill pipe，cuttings injection velocity，inclination angle of wellbore，drilling fluid density and the rheological parameters.Practice shows that the experimental system is simple，reliable operation，for undergraduate experi mental teaching and scientific and technological innovation and scientific research provides a good platform.

horizontalwellbore；cuttings transport；experimental system；two phase flow

TE242；G642.423

A

10.3969／j．issn．1672－4550.2017.03.009

2015－12－12；修改日期：2017－04－15

国家高技术研究发展计划（863计划）资助（2013AA09A215）。

相恒富（1976－），男，博士，讲师，主要从事智能井、钻井携岩方面的研究。