用于粒子冲击钻井系统的钢粒子精确调控装置研究

黄 伟， 姚建林， 郑凯中， 刘 彬， 陈 晗， 范黎明， 李 雷

中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 引言

近年来PDC钻头、牙轮钻头技术有了快速的发展，但在砾石层、极硬、强研磨性地层等难钻地层仍存在钻速低、单只钻头寿命短等问题，导致川渝须家河、塔里木博孜砾石层、松辽火山岩等坚硬地层破岩效率低、钻井速度慢、周期长、成本高，严重制约了油气勘探开发速度和效益[1- 2]。粒子冲击钻井技术是针对此类地层攻关研发的一种前沿钻井提速技术，主要通过在钻井液中加入一定浓度的钢质粒子，粒子从钻头喷嘴喷出后，高速高频冲击破碎地层，大幅提高硬地层机械钻速[3- 4]。中国石油天然气集团公司经过10年攻关，通过理论建模、数值模拟、室内试验、现场试验相结合的手段，研究揭示了粒子冲击钻井破岩机理，优化了粒子冲击钻井关键参数，创新了钻井管线冲击磨损模型，成功研制出国内首套具有自主知识产权的粒子冲击钻井系统，现场试验平均提速1倍以上，具有较好的应用前景。

通过调研分析粒子冲击钻井技术相关资料，明确了钢粒子体积分数是影响粒子冲击钻井破岩效率的核心因素之一[4- 5]。目前国内用于粒子冲击钻井系统的钢粒子调控装置主要是基于输送机构转轴转速，调控钢粒子体积分数，其钢粒子体积分数是通过转速计算获得，只能间接反映粒子输送量、调控误差高，无法完全满足粒子冲击钻井作业需求[6]。本文在深入分析现有粒子计量输送装置的基础上，研制了一种钢粒子精确调控装置，实现钢粒子体积分数在线精确调控，提高粒子冲击钻井作业效率。

1 技术思路及工艺流程

钢粒子精确调控装置的主要功能是基于钻井液排量，实时调控钢粒子输送量，同时防止钻井液溢漏污染环境，实现钢粒子高效、连续、精确和安全输送。研究存在三个难点：钢粒子轻微磁化，易粘连结块于输送机构内壁；钢粒子连续定量输送；安装和运输空间有限，需高度集成撬装[7- 8]。针对上述难点，调控装置通过设计称重无轴螺旋输送机构和钢粒子提升机构，防止钢粒子粘连结块，提高集成度；发明一种在线精确调控方法，控制装置所有机构联动，实现钢粒子精确调控，精确调控技术示意图见图1。

图1 精确调控技术示意图

基于钢粒子精确调控装置技术思路，形成了以下工艺流程：

(1)采用粒子分离回收装置配合无轴螺旋输送机构，根据钻井液排量初步调控粒子输送量。

(2)运用在线精确调控方法配套钢粒子提升机构和称重无轴螺旋输送机构，实时监测无轴螺旋输送机构中粒子量，并调控提升和输送机构输送速度，在线自整定钢粒子输送量。

(3)射流混浆器混合钢粒子和钻井液，并将混合流体输送至高压粒子输送装置料斗。同时通过高压粒子输送装置将混合流体输送至钻井循环管线，实现粒子冲击高效破岩。

2 钢粒子精确调控装置研制

针对钢粒子精确调控工艺流程，研制出了满足粒子冲击钻井作业的调控装置。装置主要包括：无轴螺旋输送机构、钢粒子提升机构、称重无轴螺旋输送机构、射流混浆器、自动球阀和PLC控制柜[9]，如图2所示。

1.无轴螺旋输送机构； 2.钢粒子提升机构； 3.称重无轴螺旋输送机构； 4.射流混浆器。

2.1 关键机构研制

粒子冲击钻井系统主要运用于Ø215.9～Ø311.2 mm两种井眼，其钻井液排量Q范围为30～50 L/s，根据钻井液排量、粒子堆积密度和体积分数可以计算得出无轴螺旋输送机构和提升机构的额定输送量，见式(1)。

T=3.6×Q1×φ×ρ

(1)

式中：T—钢粒子输送量，t/h；Q1—钻井液排量，L/s；φ—钢粒子体积分数；ρ—钢粒子堆积密度，t/m3。

2.1.1 称重无轴螺旋输送机构

称重无轴螺旋输送机构材料采用无磁不锈钢，防止钢粒子磁化粘连机构内壁；设计称重模块，实时监测机构内钢粒子重量。通过计算螺旋输送机构叶片直径、叶片螺距、旋轴转速和驱动部件功率等，结合标准JB/T 7679—2019《螺旋输送机》，获得称重无轴螺旋输送机构设计参数[10]。

(2)

式中：D—叶片直径，mm；Ks—螺距比；A—物料综合特性系数；ψ—填充系数；C—倾斜输送系数。

S=KSD

(3)

式中：S—叶片螺距，mm。

(4)

式中：N—旋轴最大转速，r/min。

(5)

式中：P1—螺旋式输送机构驱动部件功率，kW；λ—物料阻力系数；H1—提升高度,m；L—有效输送距离,m。

2.1.2 钢粒子提升机构

钢粒子提升机构材料采用无磁不锈钢；驱动部件选用变频电机，通过调控电机频率匹配钻井液黏度、钢粒子输送量和提升机构转速；侧面设置观察清理窗口，观察机构底部钢粒子堆积结块情况，并于该窗口清理钢粒子。依据标准JB/T 3926—2014《垂直斗式提升机》优选料斗容积、宽度和后壁高度，并通过计算提升速度和驱动部件功率，获得粒子提升机构设计参数。

(6)

式中：V—提升速度，m/s；h—料斗后壁高度，m；I—料斗容积，L。

(7)

式中：P2—提升机构驱动部件功率，kW；L1—轴距，m；g—重力加速度,9.8m/s2；Ps—挖取功率，kW；Pk—空载功率，kW；K—功率系数。

2.2 在线精确调控方法

称重无轴螺旋输送机构进料口至出料口距离为L，称重模块测量输送机构初始重量为m，初始测量时间为t，在线精确调控方法具体实现步骤如下：

(1)根据钻井液排量，按式(1)计算钢粒子目标输送速度。

(2)机构进料口开始进料时开始计时，至初始测量时间t时，读取称重模块重量m2(见图3)。

图3 称重无轴螺旋输送机构示意图

(3)按式(9)计算，获得完全输送机构内粒子的时间t1。

t1=(m2-m)/T

(8)

(4)按式(9)计算，获得称重无轴螺旋输送机构的输送速度v，并根据v机构驱动部件工作参数。

v=L/t1

(9)

(5)读取t+t1时刻称重无轴螺旋输送机构重量，并存入m2，并令t+t1=t。

(6)循环步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)实现在线精确调控。

3 室内测试及现场应用

3.1 室内测试

通过开展多组运行参数条件下的钢粒子精确调控装置室内测试，验证装置调控精度。测试中运行参数设置为粒子体积分数P=1%，钻井液排量30 L/s、40 L/s和粒子体积分数P=3%，钻井液排量25 L/s、37 L/s。室内测试共计开展150 min，测试结果表明：钢粒子精确调控装置可根据钻井液排量实时调控粒子输送量，调控误差小于1%，满足粒子冲击钻井系统作业需求见表1。

表1 试验记录

3.2 现场应用

粒子冲击钻井系统在江沙X井进行了现场试验，试验层位沙溪庙，岩性砂岩、泥岩互层，试验井眼尺寸Ø215.9 mm，试验井段2 365～2 470 m，在泵压19～22 MPa、排量26～30 L/s、钻压8～12 t、钻井液密度1.86 g/cm3、钢粒子直径1.7 mm和粒子体积分数1%～3%工况下，总进尺105 m，平均机械钻速13.26 m/h，系统累计连续无故障工作时间32.99 h，整体性能稳定。其中，钢粒子精确调控装置可根据试验实时钻井液排量调控钢粒子体积分数，调控误差小于0.97%；称重无轴螺旋输送机构、粒子提升机构等核心设备均未出现卡堵和钢粒子堆积现象，整体运行稳定，满足粒子冲击钻井作业需求。

4 结论与建议

(1)钢粒子精确调控装置运用在线自整定输送方法和称重无轴螺旋输送机构，实现了钢粒子连续精确调控输送，调控误差小于1%，为物料连续计量输送提供了一种新的技术手段。

(2)现场应用表明装置核心机构均未出现卡堵和钢粒子堆积现象，整体运行稳定，满足粒子冲击钻井系统需求。

(3)钢粒子精确调控装置主要用于粒子冲击钻井系统前端粒子体积分数精度控制，但受现有系统后端配套设备的限制，无法完全满足粒子冲击钻井系统钢粒子和钻井液需均匀混合输送的技术要求，建议完善系统后端配套设备，进一步最大化发挥该装置的效用。