2. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室
2. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum(Beijing)
0 引言
欠平衡钻井技术是一种提高机械钻速的有效方法。目前，欠平衡钻井技术逐步应用于老油田的挖潜改造、老井重钻、加深井眼及老井侧钻等老井改造工艺中，成为21世纪油气田开发不可或缺的主干技术[1]，然而欠平衡钻井技术也面临井壁失稳问题[2-5]。2004年，挪威国家石油公司和挪威科学研究委员会提出了ReelWell钻井(ReelWell Drilling Method，RDM)新方法。该方法是一项基于钻井液流动控制的全新钻井技术，国内对RDM技术的研究尚属空白，有必要结合实际情况，尽快研发出适合我国油田开发的钻井新技术[6-9]。2007年，辽河石油勘探局工程技术研究院研究了双壁钻杆低压钻井工艺技术，然而有关双壁钻杆钻井施工参数和钻井理论有待进一步研究。
笔者结合欠平衡钻井技术、RDM钻井技术、双壁钻杆技术以及连续管钻井技术[10-11]，提出了连续管调制局部欠平衡钻井新方法[12]。该方法是将连续管插入钻杆内形成类似双壁钻杆的微环空，通过环空封隔器将钻杆外部环空分为上、下2段，上段循环密度较大的重钻井液；地面通过连续管泵入低于地层压力当量密度的钻井液，钻井液流经钻头，上返时通过钻柱和钻头之间的回流装置进入微环空，实现近钻头局部欠平衡。
连续管调制局部欠平衡钻井可以有效控制井底近钻头环空压力，在实现近钻头局部欠平衡钻井的同时保障了封隔器以上井眼稳定，既可以提高机械钻速，又能维持井壁稳定，实现了安全高效钻井。笔者针对连续管调制局部欠平衡钻井技术设计了相关试验系统，并依托该系统进行了压力分布与微环空岩屑运移测试，以期为连续管调制局部欠平衡钻井技术现场应用提供参考。
1 连续管调制局部欠平衡钻井试验系统 1.1 试验系统结构在高压水射流与完井实验室[12]多功能射流试验架的基础上，设计了连续管调制局部欠平衡钻井试验系统，系统结构如图 1所示。该试验系统包括水箱、进水阀、钻井泵、节流阀、流量计、试验装置、调压阀、振动筛、压力传感器、V310高速摄影机及调控终端等。
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| 图 1 连续管调制局部欠平衡钻井试验系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental system for partial underbalanced drilling by coiled tubing 1—水箱；2—进水阀；3—钻井泵；4—节流阀；5—流量计；6—调压阀；7—振动筛；8—试验架；9—拉力计；10—主机密封法兰；11—顶部驱动装置；12—压力传感器；13—有机玻璃钻杆；14—井筒封盖；15—回流装置；16—PDC钻头；17—模拟井筒；18—高速摄影机；19—钻杆；20—钻杆转换接头；21—旋转密封排岩装置；22—滑动臂；23—连续管；24—提升装置；25—调控终端。 |
1.2 试验系统连接顺序
水箱与钻井泵连接，二者之间有进水阀；钻井泵泵出的高压流体分2路，一路通过节流阀直接回流水箱，另一路通过流量计进入试验装置，从试验装置返出后经调压阀和振动筛返回水箱。压力传感器安装于试验装置指定位置，通过数据线连接调控终端；V310高速摄影机分别安装于有机玻璃钻杆外侧和近钻头位置模拟井筒外侧，通过信号线连接调控终端。
2 测试内容与方法 2.1 井底近钻头压差变化规律由于连续管直径较小，回流装置流道复杂，连续管与钻杆形成的微环空横截面积较小，均会导致整个钻井过程中循环压耗增大。连续管与钻杆组合、钻井液性能和排量、回流装置结构及转速等工况对整个钻井装置循环压耗影响较大，进而影响井底欠平衡情况。为测量连续管调制局部欠平衡钻井过程中压力分布及损失，在连续管入口、携岩钻井液出口及模拟井筒近钻头位置安装压力传感器，使用数据采集系统收集各位置处压力，研究不同工况下近钻头压差变化规律。
2.2 微环空钻井液携岩规律连续管调制局部欠平衡钻井通过连续管外壁与钻杆内壁形成的微环空上返岩屑，该微环空流道面积小，且内、外壁面均为钢壁面，内部流速高、壁面摩擦力小，有利于携岩，保障了井眼清洁。由于连续管与钻杆内壁形成的环空间隙较小，且多为偏心环空，钻进时钻杆旋转迫使携岩钻井液上返轨迹由直线形变为螺旋形，增大了循环压耗，同时钻井液的流型和流速等流动特性也不稳定。
微环空中复杂的流动特性、较高的压耗与良好的携岩效率相互矛盾，为此，笔者创建了微环空可视化流动试验装置，通过研究不同规格连续管和钻杆组合、钻井液、回流装置结构及转速等工况下微环空中钻井液的携岩效率，进而进行结构与参数的优化。
2.3 近钻头钻井液携岩规律近钻头环空为回流装置与井壁形成的外环空，钻井液从钻头喷嘴喷出，携带岩屑进入该环空，然后经回流装置的回流孔进入微环空。该阶段钻井液经历的流道空间比较复杂，且受到回流孔结构限制，钻井液流动特性变化较大，影响了岩屑上返效率。携岩钻井液仅通过回流孔由外环空流入微环空，若大量岩屑堆积在近钻头环空则会造成下部钻具严重磨损、钻头重复切削及泵压升高等现象，进而造成机械钻速降低和卡钻等钻井问题。
通过创建钻杆与模拟井筒形成的环空可视化流动试验装置，以近钻头环空高效清岩为目的，寻求合适的回流装置结构和钻井液排量，可为连续管调制局部欠平衡钻井近钻头环空携岩规律研究提供支持。
综合以上3种规律试验研究，可通过连续管调制局部欠平衡钻井试验装置实现连续管与钻杆配合、钻井液、回流装置结构、水力及钻井参数优选。
3 试验装置组成笔者设计了连续管调制局部欠平衡钻井试验装置，为开展连续管调制局部欠平衡压差试验研究、连续管-钻杆微环空携岩试验研究及近钻头环空携岩试验研究等提供了支持。
试验装置装配过程为：将试验架固定在以模拟井筒为中心的地面上；提升装置安装于试验架顶部，下端悬挂顶部驱动装置，二者之间装有拉力计；顶部驱动装置通过两侧滑动臂安装于试验架的滑动槽中，下端通过法兰与旋转密封排岩装置连接；旋转密封排岩装置出口装有调压阀，下端与有机玻璃钻杆连接；有机玻璃钻杆下端与钻杆转换接头连接；再根据试验需求接钻杆单根；钻杆从模拟井筒封盖中心穿过后，下端通过螺纹依次连接回流装置和钻头；模拟井筒内提前充填适当高度的岩样，井筒封盖与模拟井筒使用螺栓连接。
3.1 试验架连续管调制欠平衡水力特性测试试验架高9.0 m，长、宽均为2.4 m。操作平台距地面2.0 m，用于设备安装与维修等；顶部驱动装置为钻杆旋转提供扭矩；提升装置对钻压和进尺进行调节，用于升降顶部驱动装置以及下部测试装置。
3.2 回流装置如图 2所示，连续管调制局部欠平衡钻井回流装置可以实现微环空与回流装置外侧环空连通，钻井液携带岩屑通过回流孔进入微环空。位于钻柱内部的连续管通过回流短节与钻头连接，并且通过卡簧实现连续管和钻头的快速连接与分离[12-14]。
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| 图 2 局部欠平衡钻井回流装置结构示意图 Fig.2 Structural schematic of the backflow device for partial underbalanced drilling 1—连续管；2—回流短节；3—密封环；4—定位半环；5—连续管接头；6—卡簧；7—轴承；8—钻头上接头；9—PDC钻头。 |
3.3 旋转密封排岩装置
如图 3所示，连续管调制局部欠平衡钻井旋转密封排岩装置可以实现钻杆上接头与旋转密封短节的连续旋转密封。通过该装置可以改变微环空返出的气、液、固相混合流体的流动方向，将其引导到远离试验架的安全区域，防止流体喷向试验操作区域，保障人员安全和试验的顺利进行。
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| 图 3 局部欠平衡钻井旋转密封排岩装置结构示意图 Fig.3 Photo of the backflow device for partial underbalanced drilling 1—钻杆封盖；2—锁紧螺母；3—轴承；4—密封环；5—旋转密封短节；6—钻杆上接头；7—连续管。 |
4 压力分布及微环空岩屑运移测试 4.1 压力分布测试
在连续管调制局部欠平衡钻井试验装置适当位置安装压力传感器，具体位置是顶驱上方的连续管处、旋转密封排岩装置附近及近钻头环空外侧，压力传感器编号依次为1、2、3。压力传感器1与2之间压差为低密度钻井液在整个试验装置中的压力损失；压力传感器2与3之间的压差为携岩钻井液通过回流孔后上返过程中的压力损失。
图 4为室内条件下测得3个压力传感器值随时间的变化曲线，此时整个试验装置压耗约0.03 MPa。该试验系统可进行压力分布测试，进而能够完成不同工况下井底近钻头压差变化规律研究。
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| 图 4 压力测试曲线 Fig.4 Pressure test curve |
4.2 微环空岩屑运移测试
微环空由连续管外壁与钻杆内壁形成。选用无规则片状碎石子(见图 5)进行试验，粒径尺寸控制在4~10 mm(接近岩屑尺寸)。微环空岩屑运移试验参数如下：钻井液密度1 000 kg/m3，钻井液黏度1 mPa·s，钻井液排量3.94 L/s，模拟岩屑密度2 700 kg/m3，微环空内、外径分别为63和102 mm，钻杆转速设置为0、55、105和133 r/min。
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| 图 5 模拟岩屑实物图 Fig.5 Photo of the cuttings for experiment |
保持其他参数不变，调节转速，利用高速摄影机观察微环空内的岩屑运移情况，根据微环空内的透明标度可以测出微环空内岩屑运移速度。图 6为钻杆转速105 r/min时微环空内的岩屑瞬时运移图片，a、b、c、d 4张图片时间间隔为0.025 s。从图可以看出，微环空内岩屑呈螺旋形翻转上升，片状岩屑翻转姿态不同，岩屑运移速度差别很大。该试验系统可观察微环空中岩屑运动状态，能够测算出岩屑运移速度，进而能够完成岩屑运移效率分析。
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| 图 6 微环空岩屑运移图 Fig.6 Photo of cutting carrying in micro-annulus |
分别对钻杆转速为0、55、105和133 r/min时岩屑轴向运移速度进行统计，并绘制曲线，如图 7所示。由图可以发现，钻杆转速在0~55 r/min时，岩屑运移效率增大；当钻杆转速超过55 r/min时，岩屑运移效率逐渐减小，说明钻杆转速对微环空携岩效果有影响，且存在最优转速范围，通过试验可进行转速优选。
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| 图 7 岩屑轴向速度随钻杆转速变化曲线 Fig.7 The effect of revolution speed of drill pipe on the axial velocity of cuttings |
5 结论
针对提出的连续管调制局部欠平衡钻井新方法，设计并研制了连续管调制局部欠平衡钻井试验系统，初步进行了压力分布及微环空岩屑运移测试，得出以下结论：
(1) 主要由试验架、回流装置和旋转密封排岩装置等组成的连续管调制局部欠平衡钻井试验装置，能够模拟连续管调制局部欠平衡钻井过程。
(2) 该试验系统可进行井底近钻头压差变化规律、近钻头钻井液携岩规律以及微环空钻井液携岩规律研究。
(3) 该试验系统为回流装置结构优化、连续管与钻杆组合、钻井液及转速等参数优选提供了试验平台。
| [1] |
田鲁财, 刘永贵, 白晓捷, 等. 空气钻井技术在徐深21井的应用[J].
石油钻探技术, 2006, 34(4): 27-29.
TIAN L C, LIU Y G, BAI X J, et al. The application of air drilling technology in well Xushen-21[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2006, 34(4): 27-29. DOI: 10.3969/j.issn.1001-0890.2006.04.008 |
| [2] |
王果, 范红康, 白彬珍, 等. 玉北1-1井欠平衡钻井技术应用与分析[J].
石油机械, 2013, 41(3): 31-35.
WANG G, FAN H K, BAI B Z, et al. Application of underbalanced drilling technology in well 1-1 of Yubei[J]. China Petroleum Machinery, 2013, 41(3): 31-35. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2013.03.007 |
| [3] |
李童. 欠平衡钻井技术的现状及发展[J].
内蒙古石油化工, 2015, 41(15): 120-121.
LI T. Current status and development of underbalanced drilling technology[J]. Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2015, 41(15): 120-121. DOI: 10.3969/j.issn.1006-7981.2015.15.048 |
| [4] |
周英操, 高德利, 刘永贵. 欠平衡钻井环空多相流井底压力计算模型[J].
石油学报, 2005, 26(2): 96-99.
ZHOU Y C, GAO D L, LIU Y G. New model for calculating bottom hole pressure of multiphase flow in annulus of underbalanced straight well[J]. Acta Petolei Sinica, 2005, 26(2): 96-99. DOI: 10.3321/j.issn:0253-2697.2005.02.022 |
| [5] |
范军, 陈光, 杲长良, 等. 欠平衡钻井理论模型及应用[J].
石油学报, 2000, 21(4): 75-79.
FAN J, CHEN G, GAO C L, et al. Theoretical model and application of underbalanced drilling[J]. Acta Petrolei Sinica, 2000, 21(4): 75-79. DOI: 10.3321/j.issn:0253-2697.2000.04.014 |
| [6] |
陈颖杰, 马天寿, 曾欣, 等. 国外ReelWell钻井新技术及其应用[J].
石油机械, 2010, 38(8): 87-92.
CHEN Y J, MA T S, ZENG X, et al. New ReelWell drilling technology abroadand its application[J]. China Petroleum Machinery, 2010, 38(8): 87-92. |
| [7] | RAJABI M M, NERGAARD A I, HOLE O, et al. A new riserless method enable us to apply managed pressure drilling in deepwater environments[R]. SPE 125556, 2009. |
| [8] | RAJABI M M, NERGAARD A I, HOLE O, et al. Riserless reelwell drilling method to address many deepwater drilling challenges[R]. SPE 126148, 2010. |
| [9] | VESTAVIK O M, SYSE H, HOLE O, et al. New approach to improve the horizontal drilling reach[R]. SPE 137821, 2010. |
| [10] |
贺会群. 连续管钻井技术与装备[J].
石油机械, 2009, 37(7): 1-6.
HE H Q. Coiled tubing drilling technology and equipment[J]. China Petroleum Machinery, 2009, 37(7): 1-6. |
| [11] |
李根生, 宋先知, 黄中伟, 等. 连续管钻井完井技术研究进展及发展趋势[J].
石油科学通报, 2016, 1(1): 81-90.
LI G S, SONG X Z, HUANG Z W, et al. Research progress and prospects of well drilling and completion with coiled tubing[J]. Petroleum Science Bulletin, 2016, 1(1): 81-90. |
| [12] |
史怀忠, 赵贺谦, 陈振良. 局部欠平衡钻井回流装置结构设计及流场模拟[J].
石油机械, 2017, 45(12): 32-37.
SHI H Z, ZHAO H Q, CHEN Z L. Structure design and flow field simulation of partial underbalanced drilling reflow device[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(12): 32-37. |
| [13] |
史怀忠, 李根生, 黄中伟, 等. 高压水射流与完井实验室建设及安全管理[J].
实验技术与管理, 2015, 32(1): 237-240, 244.
SHI H Z, LI G S, HUANG Z W, et al. Construction and safety management of high pressure water jetting and well completion laboratory[J]. Experimental Technology and Management, 2015, 32(1): 237-240, 244. DOI: 10.3969/j.issn.1002-4956.2015.01.064 |
| [14] |
易先中, 王利成, 魏慧明, 等. 钻井岩屑粒径分布规律的研究[J].
石油机械, 2007, 35(12): 1-4.
YI X Z, WANG L C, WEI H M, et al. Study on the distribution of drilling cuttings particle size[J]. China Petroleum Machinery, 2007, 35(12): 1-4. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2007.12.001 |