井下固控裝置的研究及應用

萬夫磊 李春山 徐依吉 吳 琪 李 翔

（1.中國石油大學石油工程學院，山東東營 257061；2.勝利油田石油開發中心有限公司，山東東營 257000）

井下固控裝置的研究及應用

萬夫磊1李春山1徐依吉1吳 琪1李 翔2

（1.中國石油大學石油工程學院，山東東營 257061；2.勝利油田石油開發中心有限公司，山東東營 257000）

在鉆井過程中，為保障鉆井安全需在鉆井液中加入大量固相顆粒，鉆井液中固相顆粒對機械鉆速的影響較大，研制了一種安裝在鉆頭上方的井下固控裝置，該裝置通過水力旋流分離原理將鉆井液中大部分固相顆粒與鉆井液分離并甩入環空區域，使通過鉆頭的鉆井液固相含量大大減少。本裝置設計的排固噴嘴有反向噴射作用，可以實現高效清洗井底，提高機械鉆速。通過室內分離效果試驗確定了裝置的錐體角度和最優排量。在勝利油田、勝利海洋鉆井進行了現場應用，驗證了該裝置安裝方便，工作可靠，有明顯的提速效果，可降低鉆井液中的固相含量并有利于提高機械鉆速。

井下固控；水力旋流；機械鉆速；鉆井液；現場應用

石油天然氣鉆井時，鉆井液中固相顆粒的含量會隨著井深的增加而增大，而當遇到異常高地層壓力時，為保障鉆井安全需在鉆井液中加入大量重晶石等固相顆粒，固相顆粒在鉆井液中的存在是不可避免的。鉆井液中固相含量每增加1%，機械鉆速會降低8%左右［1］；固相含量的增加會加劇鉆頭噴嘴的磨損，導致鉆頭重復破碎，也會影響鉆井液的攜巖性能，造成壓持效應加?。?］。為此筆者研制了一種安裝在鉆頭上方的井下固控裝置，該裝置通過水力旋流分離鉆井液中的固液兩相［3］，大幅度地減少了通過鉆頭的鉆井液固相含量，同時可實現高效清洗井底，提高機械鉆速。該裝置在勝利油田、勝利海洋鉆井進行了多次現場應用，提高機械鉆速效果明顯。

1 設計和室內試驗

1.1 工作原理和結構設計

井下固控裝置主要分為上部接頭、外筒、錐體、旋流器、溢流管、下部接頭等。其工作方式為：裝置安裝在鉆頭上方，由鉆鋌進入該裝置的鉆井液經過分離處理，絕大部分固相含量通過流道直接排入環空區域上返，處理后的低固相優質鉆井液進入鉆頭噴射鉆井。井下固控裝置的工作原理為：鉆井液通過上部外筒的流道進入裝置后分成兩部分：一部分鉆井液通過導流槽和旋流器進入錐體內做旋轉運動，因離心力的作用大部分固相顆粒逐漸被甩入錐體上方，從排固流道進入環空區域，大部分低固相優質鉆井液從錐體下方的溢流口進入鉆頭噴射鉆井［4-5］；只有小部分鉆井液通過分流槽進入底流口由鉆頭噴出，以防止憋壓。

1.2 特性分析

井下固控裝置改變了鉆井液在鉆柱里的循環方式，利用水力旋流原理，將大部分鉆井液中的固相顆粒分離出來并排入環空區域，既保持了環空井筒內的鉆井液密度，又能使通過鉆頭噴嘴的鉆井液更加清潔，減輕了鉆頭和噴嘴的磨損，延長了鉆頭壽命，同時還可減輕地面固控設備工作壓力［6-7］。

該裝置設計的排固槽和排固噴嘴具有反向噴射的作用，實驗發現，增加反向噴射后，在排量及泵壓相同的情況下，機械鉆速可提高15%以上［1］。該設計的反向噴射形成了對環空區域巖屑上返的向上沖擊力，更加利于巖屑上返，這種設計也可降低環空液柱對井底的壓力，減小對井底的壓持效應，高效清洗井底，有利于提高機械鉆速，縮短鉆井周期。

1.3 室內分離效果實驗

為了達到最佳的固相分離效果，確定井下固控裝置的關鍵結構參數，進行了室內分離效果實驗研究。實驗用鉆井液選用勝利油田常用鉆井液，密度為1.16 g/cm3，固相含量小于5%，固相顆粒的粒徑約為 6.16 μm。

通過實驗發現，錐體角度、流量與分離效果密切相關。通過對實驗數據的分析處理，當錐體角度由5～20°逐漸增加時，分離效果呈先升后降的趨勢，當錐角為15°左右時，分離效果最好；當錐角再增大時，錐體內部的流體完成旋轉的時間加長，所受阻力增大，導致分離效率下降。流經裝置的排量對分離效率的影響規律是隨著流量的增加，分離效率增加，但當入口流量增大到一定值時，分離效率開始下降。這是因為當入口流量增大到一定值后高速流體使流場紊流加劇，被分離的顆粒又被返混入內旋流，因此分離效率會下降，同時，裝置的壓降也會隨著流量的增加而增大［8］。實驗表明，當流量在30～40 L/s時，流量既能保證較高的分離效率，壓降又不至于太大。

2 現場應用

井下固控裝置樣機研制完成后，首先在勝利油田永938井進行現場試驗，地層為S4上段，巖性以細礫巖為主，伴有深灰色泥巖，試驗井段為3 573～3 695 m。鉆具組合為：?215.9 mmHJT517G鉆頭+井下固控裝置+?165 mmDC+FM195防磨接頭+?127 mmDP，鉆井參數為：鉆壓 140～160 kN，排量30～33 L/s，泵壓 12～13 MPa，轉速 55～60 r/min；鉆井液密度 1.17 g/cm3，黏度 46～66 s。純鉆進 66.3 h，進尺122 m，與同井上部地層相比，機械鉆速平均提高45%，試驗數據見表1。

表1 永938井機械鉆速對比

井下固控裝置在永938井試驗成功后，又在勝利海洋鉆井KD89井進行了2次試驗，第1次為1 309～2 039 m，地層為館陶組，巖性主要為棕紅色、灰綠色泥巖、灰綠色粉砂質泥巖與灰綠色、灰白色、灰黃色泥質粉砂巖、粉砂巖呈不等厚互層。鉆具結構：?241.3 mmHJT517G牙輪鉆頭+井下固控裝置+?177.8 mmNMDC+?238 mm 扶正器+?177.8mm+?127mmDP。鉆井參數：鉆壓 60～100 kN，轉速 60 r/min，排量 40～45 L/s，泵壓 14～19 MPa；鉆井液密度1.08～1.11 g/cm3。此次試驗該裝置井下工作51 h，純鉆進時間39.12 h，鉆井進尺730 m。與鄰井同地層常規機械鉆速進行了對比分析，結果顯示使用該裝置后平均機械鉆速提高了34.53%，見表2。

第2次為2 059～2 263 m，地層為館陶組下段至東營組，地層為館下段和東營組，館下段巖性以灰白色塊狀含礫砂巖、粗砂巖夾薄層灰綠、淺灰色泥巖為主。東營組上部以灰白色含礫砂巖、砂巖為主夾薄層灰色泥巖；下部以灰色泥巖為主夾薄層粉砂巖。鉆具結構：?241.3 mmDF1905PDC鉆頭+井下固控裝置+?196.8 mm 動力鉆具+浮閥+擋板接頭+?177.8 mmNMDC+?238 mm 扶 正 器+?177.8 mmDC+?127 mmDP。鉆井參數：鉆壓 50～90 kN，轉速 60 r/min，排量 40～45 L/s，泵壓 15～18 MPa；鉆井液密度1.11～1.12 g/cm3。本裝置井下工作33.17 h，純鉆進時間22.8 h，鉆井進尺204 m，與鄰井同地層常規機械鉆速進行了對比分析，結果顯示使用該裝置后平均機械鉆速提高了22.16%。見表3?，F場試驗證明，該裝置工作安全可靠，安裝使用方便，不影響現有的鉆井方式，同時又有明顯的提速效果。

表2 KD89井1 309～2 039 m使用井下固控裝置與鄰井機械鉆速對比

表3 KD89井2 059 m～2 263 m使用井下固控裝置與鄰井機械鉆速對比

3 結論

（1）利用水力旋流分離原理設計了井下固控裝置，通過室內實驗確定了裝置的最優參數。

（2）井下固控裝置在井底對鉆井液的固相分離，可降低固相顆粒對噴嘴和鉆頭的磨損，延長鉆頭和噴嘴壽命。

（3）通過多次現場試驗，驗證了降低鉆井液中的固相含量有利于提高機械鉆速。使用該裝置安裝方便，工作可靠，對現場施工作業無特殊要求，有明顯的提速效果，縮短了建井周期，提高了經濟效益。

［1］ 王建年.井下固控新理論和現場實踐［J］.國外鉆井技術，1990，5（1）：33-38.

［2］ 陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］.山東東營：中國石油大學出版社，2006：111-115.

［3］ 郭生武. 試論水力旋流器的結構和材料設計［J］.石油鉆采工藝，1985，7（5）：37-44.

［4］ 任福安，殷佩海. 船舶壓載水旋流分離裝置［A］//現代船機維修技術［C］. 2005：280- 284.

［5］ 蔣明虎，蔣巍，張國云，等. 細顆粒分離水力旋流器的結構設計及實驗［J］.大慶石油學院學報，2005，29（1）：58- 60.

［6］ 趙慶國，張明賢. 水力旋流分離技術［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［7］ 王勝利，靳紀軍，毛麗. 利用井下水力旋流器提高井下清洗效果［J］.清洗世界，2012，28（2）：39- 45.

［8］ 李賓飛，李兆敏，李曉宏，等.旋流式井下液砂分離器的研制及應用［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：121-124.

（修改稿收到日期 2013-05-27）

Drilling speed raising technology research and application by downhole solid control device

WAN Fulei1, LI Chunshan1, XU Yiji1, WU Qi1, LI Xiang2
（1. College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying257061,China;2. Oil Development Center Co.,LTD of Shengli Oilfield,Dongying257000,China）

In oil and gas reservoir drilling, a large number of solid particles are added into the drilling fluid to ensure the security of drilling. Statistics show that the mechanical drilling rate will decrease as the solid content in drilling fluid increases, and the solid content in drilling fluid will increase with the grow of well depth. To reduce the influence of solid content in drilling fluid on the rate of penetration, the paper proposes a downhole solid control device which is mounted above the bit. Using the hydraulic cyclone separation method, it can separate most of the solid particles and drilling fluid, and slam them into the annulus area. In this way, the solid content of the drilling fluid flowing through the bit can be greatly reduced. The solid discharge nozzle of the device has a reverse jetting effect,which can effectively clean the downhole wellbore and increase the mechanical drilling rate. The cone angle and optimal delivery capacity of the equipment are determined through separating effect laboratory experiments. The device has been tested in Shengli onland field and Shengli offshore field, verifying that reducing the solid content of the drilling fluid can help improving mechanical drilling rate. The equipment features easy installation, reliable operation, and obvious acceleration effect.

downhole solid control; hydraulic cyclone separation; rate of penetration; drilling fluid; application

萬夫磊，李春山，徐依吉，等. 井下固控裝置的研究及應用［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：55-57.

TE249

：A

1000–7393（2013） 04–0055–03

攻關項目：勝利油田鉆井工程處先導性試驗重點項目“新型水力裝置提速技術研究”（編號：SL2B-PY-GZ［2010］0052）。

萬夫磊，1985年生。2008年畢業于洛陽師范學院信息與計算科學專業，在讀碩士研究生，研究方向為油氣井流體力學。電話：18654664106。E-mail：wanfulei@163.com。

〔編輯 薛改珍〕