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反循环钻井技术返砂导流线设计及适应性分析
康波1,2, 樊洪海1, 邓嵩3, 朱硕1, 邵帅3, 倪兴亚3, 刘雅莉3     
1. 中国石油大学(北京);
2. 中石化胜利石油工程公司钻井工艺研究院;
3. 常州大学石油工程学院
摘要: 针对常规返砂管道无法满足反循环钻井技术返砂要求的问题;采用耐冲软管与排砂硬管相结合的方式;提出了两种新型返砂导流管道方案——U形线方案和悬链线方案。建立了悬链线及U形线的返砂导流管道数学模型;采用Fluent软件对管道整体特别是T形接头处进行流动及冲刷腐蚀模拟。根据模拟结果优选出悬链线方案;并且研究了相关配套设备;给出完整的返砂系统优化设计。在乐安油田选取一口试验井进行了5 d的反循环钻井试验;试验中;返砂效率接近92.53%;起钻后井底基本无沉砂。研究结果可为双壁钻杆反循环钻井技术的应用提供理论指导。
关键词: 双壁钻杆    反循环钻井    悬链线    返砂导流管    Fluent    数值模拟    
Structure Design and Adaptability Analysis of Sand Return Diversion Pipeline for Reverse Circulation Drilling
Kang Bo1,2, Fan Honghai1, Deng Song3, Zhu Shuo1, Shao Shuai3, Ni Xingya3, Liu Yali3     
1. China University of Petroleum(Beijing);
2. Research Institute of Drilling Technology, Sinopec Shengli Petroleum Engineering Company;
3. School of Petroleum Engineering, Changzhou University
Abstract: To address the problem that conventional sand return pipeline cannot meet the sand return requirements of reverse circulation drilling technology, two new sand return pipeline schemes—U-shaped pipeline and catenary pipeline are proposed based on the combination of impact resistant hose and hard sand discharge pipe. Mathematical models of catenary and U-shaped sand return diversion pipelines are established. Fluent software is used to simulate the flow and erosion corrosion of the entire pipeline, especially the T-joint. According to the simulation results, the catenary scheme is selected, and related supporting equipment is studied to provide the design of the complete sand return system. A test well was selected in Lean Oilfield for a 5-day reverse circulation drilling test. The sand return efficiency was close to 92.53%, and there was almost no sand at the bottom of the well after drilling. The study results can provide theoretical guidance for the application of double-wall drill pipe reverse circulation drilling technology.
Keywords: double-wall drill pipe    reverse circulation drilling    catenary    return sand guide    Fluent    numerical simulation    

0 引言

目前,国内外的常规钻井技术已不能满足日益增加的复杂区块与特殊地层的钻进要求[1]。双壁钻杆反循环钻井作为一种新型钻探技术,广泛应用于断裂带、破碎带、蚀变带、矿化带、裂隙带、欠发育或低压地层等复杂钻探环境[2-6],尤其适用于窄-负密度窗口的钻进作业[7-10]。在双壁钻杆气体反循环钻进过程中,返砂流程为内管返砂,并且双壁钻杆反循环钻井方法将返砂出口从钻台以下提高到钻台以上[11-13],这与传统钻井方式的返砂路径不同。在大排量作业工况下,双壁钻杆反循环系统中的返砂管道极易出现封堵问题,且砂砾冲刷腐蚀现象严重。针对双壁钻杆非常规、冲蚀大的返砂特点,返砂导流管及相关配套设备的方案设计显得尤为重要[14-15]

本文基于双壁钻杆反循环钻井工艺特点,采用耐冲软管与排砂硬管相结合的方式,对其地面返砂导流管道进行悬链线与U形线两种方案设计。首先建立悬链线及U形线的返砂导流管道数学模型,并进行流体流动与冲蚀模拟;然后在X油田某井进行两种地面导流管道方案的试验对比;最后结合模拟与试验结果,优选返砂导流管线方案,给出完整的返砂系统优化设计。所得结果可为双壁钻杆反循环钻井技术的应用提供理论指导。

1 地面返砂导流管道设计

地面返砂导流管道设计方案如图 1所示。悬链线地面返砂导流管道安装简单,软管弯曲小、冲蚀小,但需专用注入部件及地面收排系统,可用于车载和石油橇装钻机。U形线地面返砂导流管道安装复杂,软管弯曲较大,但不需专用的收排系统,适用于石油橇装钻机。由于不清楚内管返砂过程中沿程摩阻压降以及流动状态,所以在优选返砂导流管道前,需先研究管道内的返砂流动过程。采用Fluent软件分别对两种返砂导流管道设计方式进行流动模拟及冲刷腐蚀模拟,根据模拟结果优化方案。

图 1 地面返砂导流管道设计方案 Fig.1 Optimization scheme of ground sand return diversion system

1.1 U形线返砂导流管道模拟

U形线返砂导流管道方案如图 1所示,主要由两端的软管及中间连接支架组成。支架安装高度为16~18 m,软管采用两层钢丝耐磨强化的15 MPa钻探软管,其内径为76 mm,外径为88.9 mm,每根长度为20 m。

1.1.1 数学模型

在返砂导流管道中,流体的流动属于湍流,流动过程满足质量守恒、动量守恒、能量守恒以及状态方程等。在湍流求解模型中,最常用的是标准k-ε湍流模型。湍动能k及耗散率ε求解如下:

(1)
(2)

式中:C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09。

1.1.2 物理模型

在U形返砂导流管线中,将软管与硬管间采用T形接头连接,研究管道中的流动以及返砂过程中砂砾对接头的冲蚀磨损。采用SolidWorks对模拟U形管路建模,将模型导入Gamit中。将整个流场划分为724 912个结构化网格,T形接头网格划分如图 2所示。

图 2 U形线返砂导流管线T形接头网格划分 Fig.2 Mesh generation of T-joint of U-shaped sand return diversion pipeline

1.1.3 基本初始条件及边界条件

气体的工作压力为70 kPa,入口流量为30 m3/min,入口流速为19 m/s,质量流量为0.600 5 kg/s。分别对粒径1、6和10 mm砂子的管内流动、接头冲蚀磨损情况以及能否从井底返砂情况进行分析模拟。忽略含水量,井眼直径为444.5 mm,砂子密度为2 100 kg/m3。采用k-ε两方程湍流模型和双精度格式计算空气流场。压力场与速度场采用Simple耦合方法。速度场采用一阶迎风格式迭代,收敛后设置二阶迎风格式迭代。流道模型迭代计算到940次左右达到收敛条件,计算残差如图 3所示。

图 3 U形线返砂导流管线T形接头残差曲线 Fig.3 Residual curve diagram of T-Joint of U-shaped sand return diversion pipeline

1.1.4 流动数值模拟

在流量30 m3/min的情况下,计算得整个U形线返砂导流管线压降为18.961 kPa。通过对不同网格精度下的导流管线进行模拟,其压降均控制在18 kPa左右,证明网格划分符合计算模拟要求。流动速度模型结果如图 4所示。从图 4a可知,U形线返砂导流管线中的流速变化不大,微小波动也基本在T形接头处。因此,针对T形接头处的模拟流动情况进行观察,该处流速如图 4b所示。

图 4 U形线返砂导流管线方案流动速度 Fig.4 Flow velocity diagram of U-shaped sand return diversion pipeline

图 4b可见,流速在两个弯头处有剧烈变化。流体流经弯头发生了明显的流动分离:转向外侧壁面附近为高速区,流体流速可达15~16 m/s,在弯头联通接头处并未发现明显的大漩涡,但是在双T形弯头的封闭口有明显的漩涡,但其流速较低。通过流速模拟分析,在双T形弯头封闭口处的三维漩涡区由于惯性将会有砂粒流入,砂砾在漩涡的作用下会对壁面产生持续磨损。在流速较高的高速区(图 4b中红色椭圆指示区)将产生剧烈的壁面磨损。由于砂粒的惯性较大,具体磨损位置和流场的高速区会略有偏移。

1.1.5 冲蚀磨损数值模拟

在冲蚀磨损研究中,首先需探究粒子的运动轨迹。在流场计算的基础上引入离散项模型,入射源采用面入射方式。砂粒粒径3 mm、密度2 100 kg/m3、质量流量0.66 kg/s。设置壁面为反射壁面条件,不考虑砂粒与壁面碰撞的能量损失。磨损模型选用砂粒与碳钢组合,入射角函数、速度指数函数及颗粒粒径函数均设为常数。模拟返砂过程中管壁磨损速率的分布情况。U形线返砂导流管线整体管壁磨损速率分布如图 5a所示,入口处的磨损速率如图 5b所示,T形接头处的磨损速率如图 5c所示,出口处的磨损速率如图 5d所示。

图 5 U形线返砂导流管线方案磨损速率分布 Fig.5 Wear rate distribution of the U-shaped sand return diversion pipeline

图 5可以看出,在返砂过程中,U形线管道管壁整体冲蚀率变化不大。只有在颗粒与壁面碰撞剧烈的接头附近,冲蚀率产生了一定波动,这也是管壁磨损最严重区域,而壁面磨损最大位置在接头端部的封头处。通过改变粒子入射速度及粒径,可减小最大磨损速率,其模拟结果如表 1所示。由表 1可知,壁面磨损速率主要受颗粒粒径影响,随着颗粒的变大,冲蚀率变小。粒子的入射速度对其磨损率基本没有影响。另外,根据模拟结果,最大磨损位置均出现在T形接头处。因此,在T形接头端面采用陶瓷防护层,以减小冲蚀。

表 1 U形线方案不同入射速度及粒径下的壁面磨损速率 Table 1 Wall wear rate under different inflow velocity and particle size of U-shape pipeline scheme
重力加速度/(m·s-2) 粒子入射速度/(m·s-1) 粒子粒径/mm 壁面最大磨损速率/(kg·m-2·s-1)
9.8 0 3 2.14×10-4
9.8 18 3 2.14×10-4
9.8 0 6 6.07×10-7
9.8 18 6 6.07×10-7

1.2 悬链线返砂导流管道模拟

悬链线返砂导流管道方案如图 1所示。返砂管与顶驱适配器采用活动T形接头连接,返砂管与钻井平台外沿接触部位设有导向辊装置,地面的返砂管用绞盘盘好。返砂软管技术参数:内径76 mm,压力等级5~8 MPa,每根长度20 m。软管一端与反循环导流器的法兰相连,并可在90°~120°范围内改变流道方向,另一端与地面排砂管线的卡箍水平方向连接。软管升高高度30~40 m,钻台面高度6~10 m,距钻台正面边缘5 m。

1.2.1 数学模型

采用与1.1.1节相同的标准k-ε湍流模型。

1.2.2 物理模型

对于悬链线返砂导流管道的螺旋管及T形接头部位进行了流动及冲蚀磨损的数值模拟。采用Pro/E软件对模拟悬链线返砂管路建模,将模型导入Gamit中,将整个流场划分为266 185个结构化网格。T形接头网格划分如图 6所示。

图 6 悬链线返砂导流管线T形接头网格划分 Fig.6 Mesh generation diagram of T-joint of catenary sand return diversion pipeline

1.2.3 初始条件及边界条件

入口空气流速为110 m/s,将模型导入Fluent,设置速度入口和压力出口边界条件。采用k-ε两方程湍流模型和双精度格式计算空气流场。压力场与速度场采用Simple耦合方法。速度场采用一阶迎风格式迭代,收敛后设置二阶迎风格式迭代。流道模型经过360次左右迭代计算达到收敛条件,计算残差如图 7所示。

图 7 悬链线返砂导流管线T形接头残差曲线 Fig.7 Residual curve of T-joint of catenary sand return diversion pipeline

1.2.4 流动数值模拟

悬链线整体管路的计算管段压降为79.2 kPa,由于不同网格精度下的压降计算值均在79.5 kPa左右,所以网格划分合适。T形接头前部、中部及后部流体流速分别如图 8b图 8c图 8d所示,悬链线整体管路流速分布如图 8a所示。

图 8 悬链线返砂导流管线方案流动速度图 Fig.8 Flow velocity diagram of catenary sand return diversion pipeline

图 8可见,弯头附近流场有剧烈变化。具体表现为T形接头处有明显的三维漩涡区(图 8c中红色椭圆指示区),弯头后部管路中发生了明显的流动分离。其中,转向外侧壁面附近为高速区,流体流速可达170~180 m/s,内侧壁面发生边界层的分离,产生一个漩涡区(图 8b中蓝色椭圆指示区)。由于惯性、T形接头尾部的三维漩涡区将会有砂粒流入,在漩涡的作用下砂粒会对壁面产生持续磨损。而弯头后部的小漩涡区几乎不会形成砂粒对壁面的磨损。但是高速区(图 8d中黄色椭圆指示区)由于伴随砂粒的高速运动,将产生严重的壁面磨损。由于砂粒的惯性较大,所以具体磨损位置和流场的高速区会略有偏移。

1.2.5 冲蚀磨损数值模拟

在流场计算的基础上引入离散项模型,入射源采用面入射方式。砂粒粒径6 mm、密度2 100 kg/m3、质量流量1.8 kg/s。设置壁面为反射壁面条件,不考虑砂粒与壁面碰撞的能量损失。磨损模型选用砂粒与碳钢组合,入射角函数、速度指数函数及颗粒粒径函数均设为常数。

悬链线返砂导流方案的整体管壁磨损速率分布如图 9所示。由图 9可见,颗粒与壁面碰撞剧烈的最后半圈螺旋管和T形管附近也是管壁磨损最严重区域。而壁面磨损最大区域在T形管端部的封头处。因最终磨损速率受粒子入射速度和粒子粒径影响,所以给定两种入射速度与粒子粒径模拟壁面磨损速率,结果如表 2所示。

图 9 管壁磨损速率分布 Fig.9 Distribution of pipe wall wear rate

表 2 悬链线方案不同入射速度及粒径下的壁面磨损速率 Table 2 Wall wear rate under different inflow velocity and particle size of catenary pipeline scheme
重力加速度/ (m·s-2) 粒子入射速度/ (m·s-1) 粒子粒径/mm 壁面最大磨损速率/ (kg·m-2·s-1)
0 0 3 2.22×10-5
9.8 0 3 1.43×10-5
9.8 18 3 1.37×10-5
9.8 18 6 3.70×10-5

考虑重力时,随着入射速度的增大,颗粒惯性增大,较大的惯性削弱了颗粒在空气湍动作用下在管内的横向运动,粒子对壁面的碰撞摩擦有所减小。

1.3 结果对比分析

悬链线返砂导流管线具有较平稳的返砂流速,地面管线通过绞盘更易控制流道方向,能满足多角度排出需求;在整体管道及接头处,在同一粒径及流速下悬链线防砂导流管线比U形线方案具有更小的磨损速率。因此优选悬链线返砂导流管线方案。

2 现场试验验证 2.1 试验井

试验井是草702-平8井,位于乐安油田。地区构造为济阳坳陷东营凹陷八面河缓坡构造带草702块沙一段3砂体高部,易出砂。试验井段参数如表 3所示。

表 3 试验井段参数 Table 3 Test well parameters
井眼直径/mm 所钻深度/m 套管外径/mm 套管下深/m
346.1 211 273.1 210

试验井采用双壁钻杆反循环技术进行钻井,在钻井过程中采用悬链线返砂导流管道系统观察返砂效果,记录返砂量及返砂速率,并进行悬链线返砂管道方案适应性评价。

2.2 双壁钻杆反循环技术配套装置

反循环钻井技术所需配套设备主要有ø127 mm的双壁钻杆(见图 10a)、连接在井口处的顶注侧排旋转导流器(见图 10b)以及双壁钻铤(见图 10c)。

图 10 反循环钻井技术配套装置 Fig.10 Supporting devices for reverse circulation drilling technology

2.3 试验流程

返砂管道的连接方式为:井口顶部的顶注侧排旋转导流器通过T形接头连接到钻台上的耐冲软管,悬空软管与地面软管相连,地面软管通过绞盘控制,最终连接到地面排砂硬管。

返砂系统流程主要步骤如下:

(1) 从井底携带出的含砂混合液流经井筒到达封阻分流器进行固液分流。

(2) 砂砾通过双壁钻具的内管道流向顶注侧排旋转导流器,通过T形接头到耐冲软管,软管间采用密封短节连接。

(3) 经过悬空软管及地面软管到达地面排砂硬管,后经捞砂筒(捞砂网)完成返砂流程。

2.4 试验效果

2018年2月26日至3月2日,在安乐油田的试验井进行双壁钻杆气体反循环钻井技术工程化试验。试验结果表明,安装悬链线返砂导流管道系统后,气体反循环钻井过程携砂效果较好,返砂效率接近92.53%,起钻后井底基本无沉砂;携岩粒径平均10~15 mm,最大可达40 mm。这表明双壁钻杆气体反循环技术配套悬链线返砂导流系统可在很大程度上减少砂粒的重复破碎,有利于进一步提高气体钻井的机械钻速。

3 结论

(1) 提出了两种适用于反循环钻井技术的返砂导流管道方案——U形线方案和悬链线方案,建立了悬链线及U形线的返砂导流管道数学模型,采用Fluent软件对管道整体特别是T形接头处进行了流动及冲刷腐蚀模拟。

(2) 根据模拟结果优选出悬链线方案,研究了相关配套设备,给处了完整的返砂系统优化设计方案。

(3) 为验证悬链线返砂导流管道结构的适应性,在乐安油田选取一口试验井进行了为期5 d的反循环钻井试验,试验中,返砂效率接近92.53%,起钻后井底基本无沉砂。

(4) 研究结果可为双壁钻杆反循环钻井技术的应用提供理论指导。

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文章信息

康波, 樊洪海, 邓嵩, 朱硕, 邵帅, 倪兴亚, 刘雅莉
Kang Bo, Fan Honghai, Deng Song, Zhu Shuo, Shao Shuai, Ni Xingya, Liu Yali.
反循环钻井技术返砂导流线设计及适应性分析
Structure Design and Adaptability Analysis of Sand Return Diversion Pipeline for Reverse Circulation Drilling
石油机械, 2020, 48(3): 37-43
China Petroleum Machinery, 2020, 48(3): 37-43.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2020.03.005

文章历史

收稿日期: 2019-09-29

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