ZM－2鉆井液密度調(diào)節(jié)混合裝置的研制與應(yīng)用

雷宗明 榮準(zhǔn) 孔松濤

重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院

與陸地和淺水鉆井相比，深水鉆井有著更為復(fù)雜的海況條件，面臨著更多的難題，主要表現(xiàn)在泥線不穩(wěn)固、淺層地質(zhì)災(zāi)害、窄密度窗口問題和氣體水合物的危害等幾個(gè)方面，增加了鉆井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。

為了控制淺層水流（Shallow Water Flow，SWF）等危害，需要利用動(dòng)態(tài)壓井系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)鉆井液密度的快速轉(zhuǎn)變，來調(diào)節(jié)環(huán)空鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度，從而精確控制井眼環(huán)空壓力。鉆井液密度混合裝置是動(dòng)態(tài)壓井鉆井技術(shù)的關(guān)鍵裝備，它的工作原理與固井作業(yè)中的自動(dòng)混漿原理相似，根據(jù)作業(yè)需要，可隨時(shí)將預(yù)先配置好的重漿與正常鉆進(jìn)時(shí)的低密度鉆井液或海水，通過混漿裝置快速調(diào)節(jié)到壓井液所需的密度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷地向井內(nèi)泵送鉆井液。從而能夠有效地控制地層流體進(jìn)入井筒，減少井涌、井漏等鉆井復(fù)雜情況，提高鉆井效率和鉆井安全性，真正意義上實(shí)現(xiàn)邊作業(yè)邊加重的動(dòng)態(tài)壓井鉆井作業(yè)［1－4］。

1 ZM－2鉆井液密度調(diào)節(jié)混合裝置的工作原理及特點(diǎn)

1.1 工作原理

ZM－2鉆井液密度調(diào)節(jié)混合裝置有海水和重漿兩個(gè)入口，當(dāng)需要進(jìn)行壓井作業(yè)時(shí)，可以通過入口處的節(jié)流閥來分別調(diào)節(jié)海水和重漿的排量。通過不同分支管路，經(jīng)電磁流量計(jì)測得所需參數(shù)后，海水和重漿經(jīng)過啞鈴狀噴嘴噴射進(jìn)入混合器內(nèi)，在一定的剪切混合作用下，保證出口處的壓井液達(dá)到良好的混合效果［5］。出口管路可直接供泥漿泵向井內(nèi)連續(xù)泵送壓井液，代替常規(guī)的海水鉆進(jìn)和重漿替入的方法。

在鉆進(jìn)作業(yè)期間，通過監(jiān)測到的地層壓力，便可及時(shí)調(diào)節(jié)入口處節(jié)流閥的開度來改變海水和重漿的排量，該裝置出口處就可泵送出所需要的壓井液，使得井眼壓力保持在地層空隙壓力和破裂壓力之間［6］。基本工藝流程如圖1所示。

圖1 ZM－2鉆井液密度調(diào)節(jié)混合裝置工藝流程圖

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓井鉆井時(shí)，井內(nèi)的壓井液流動(dòng)循環(huán)摩阻力加液柱壓力應(yīng)略大于地層孔隙壓力而小于地層破裂壓力。當(dāng)鉆遇淺層流時(shí)，壓井液要按照預(yù)測時(shí)計(jì)算好的密度與排量迅速泵入環(huán)空進(jìn)行壓井。

根據(jù)海上鉆井的特殊條件，壓井液密度應(yīng)該由淺層流地層壓力、地層破裂壓力及井筒循環(huán)摩阻等因素動(dòng)態(tài)確定。重漿與海水的混配比用如下公式進(jìn)行計(jì)算。

式中ρ0為重漿密度，g／cm3；ρ1為動(dòng)態(tài)壓井鉆井時(shí)的鉆井液密度，g／cm3；ρsw為海水密度，g／cm3；Q 為所需壓井液排量，L／s；Q1為重漿排量，L／s；Q2為海水排量，L／s。

在所需壓井液排量已知的情況下，由上式即可得到需要重漿的排量以及海水排量。最終壓井液的最小排量應(yīng)滿足攜巖要求，最大排量應(yīng)滿足井壁穩(wěn)定性條件，且不能壓漏薄弱地層［5－6］。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

ZM－2鉆井液密度調(diào)節(jié)混合裝置主要由連接管路、節(jié)流閥、高精度電磁流量計(jì)、混合器、啞鈴狀噴嘴等組成，其作用是實(shí)現(xiàn)鉆井液密度的快速轉(zhuǎn)變。ZM－2鉆井液密度調(diào)節(jié)混合裝置包括一管狀的混合器，其周向分別通過一接口連接一重漿入口和一海水入口，另一端設(shè)置有混合液出口，兩接口的中心分別通過一喉部安裝一橫截面呈啞鈴狀并相互錯(cuò)開90°的噴嘴；兩接口的軸線重合，且噴嘴射流方向與混合器本體的軸線方向垂直［7－8］。混合器中心軸一端還預(yù)留了一添加劑入口，需要時(shí)可進(jìn)行海水、重漿及添加劑的三相混合。

1.3 混合機(jī)理

為了使進(jìn)入混合器中三相流體混合均勻，針對(duì)鉆井液混合器，考慮黏度基漿的流動(dòng)形態(tài)，可能跨越層流、過渡區(qū)和湍流各種流態(tài)，由此，必須在混合器內(nèi)對(duì)層流、湍流的混合機(jī)理都要考慮，即層流時(shí)的“分割—重置移動(dòng)—重新匯合”的三要素對(duì)流體進(jìn)行有規(guī)則而反復(fù)的作用，以達(dá)到混合。湍流時(shí)除考慮以上三要素外，由于流體在流動(dòng)的斷面方向產(chǎn)生劇烈的渦流，有很強(qiáng)的剪切力作用于流體，使流體的微細(xì)部分進(jìn)一步被分割而進(jìn)行混合［9－11］。

本裝置采用橫截面呈啞鈴狀的噴嘴，通過從兩噴嘴噴出的兩組高速低壓流體相互錯(cuò)開，并在混合裝置本體的低速區(qū)域產(chǎn)生剪切混合，噴口周邊會(huì)產(chǎn)生劇烈的渦流，完全符合湍流的流動(dòng)特征，因此可選用三維N－S方程作為控制方程，并選擇標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程湍流模型建立封閉的控制方程組。即

其中k、ε、ν、ρ、μ、p和珝f分別為湍動(dòng)能、湍流耗散率、速度、密度、湍流黏性系數(shù)、壓力和單位質(zhì)量力，Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，σε＝1.3，σk＝1.0，Cμ＝0.09。通過有限體積法求解不同密度不可壓縮流動(dòng)的三維N－S方程組，并運(yùn)用數(shù)值模擬的方法以研究其混合機(jī)理［12］。

1.4 主要技術(shù)特點(diǎn)

1）ZM－2鉆井液密度混合裝置采用對(duì)沖方式來混合，并在連接混合器本體的入口喉部安裝一橫截面呈啞鈴狀且相互錯(cuò)開90°的噴嘴，使得混合組分的粒度減小，混合精度更高。

2）混合器中心軸一端預(yù)留了一個(gè)添加劑入口，可進(jìn)行海水、重漿及添加劑的三相混合，能夠快速得到壓井液的密度及流變性能，并連續(xù)向井內(nèi)泵送鉆井液，使壓井液密度處于地層壓力和破裂壓力之間。

3）ZM－2鉆井液密度混合裝置不僅體積小，安裝方便，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大排量、高精度的混合，最大排量可達(dá)80L／s，流出混合器混合腔后0.3m左右，混合組分密度差異可以控制在0.05g／cm3。

2 流場數(shù)值模擬分析

鉆井液密度混合器內(nèi)流體流動(dòng)復(fù)雜多變，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究具有較大的難度，成本太高。利用流體力學(xué)軟件可以比較精確地模擬出混合器內(nèi)的三維紊流黏性流動(dòng)的流場，從而解決實(shí)際問題。

2.1 兩相流動(dòng)模擬

通過混合器周向兩入口，分別連續(xù)不斷地泵入重漿及海水，觀察其混合后的密度分布規(guī)律。

模擬兩噴嘴接口的軸線在所述混合裝置本體的截面位置上相互錯(cuò)開90°，且噴嘴射流方向與所述混合裝置本體的軸線方向垂直。模擬條件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重漿密度取1.93g／cm3，海水排量取35L／s，重漿排量取15L／s。通過密度分布圖（圖2）可以看出，當(dāng)兩種不同流速的流體通過噴嘴以180°對(duì)噴時(shí)，流體相互錯(cuò)開，并在混合裝置本體的低速區(qū)域產(chǎn)生剪切混合，使得混合組分的粒度減小，混合地更加均勻。

圖2 密度分布云圖

模擬的混合器總長為1 000mm，混合液在混合器中不同位置的密度變化圖（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，混合液流出混合器混合腔后300mm左右時(shí)，密度趨于平穩(wěn)，混合組分密度差異可以控制在0.05g／cm3以內(nèi)。分析認(rèn)為，此種設(shè)計(jì)方案較為合理。

圖3 混合液的密度變化圖

2.2 三相流動(dòng)模擬

三相流動(dòng)模擬時(shí)，除了重漿和海水外，在混合器中心軸另一端還增加了一入口，連續(xù)不斷地泵入添加劑。模擬條件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重漿密度取1.93g／cm3，添加劑密度取1.1g／cm3，海水排量取35L／s，重漿排量取15L／s，添加劑排量取8L／s。

通過三相密度分布圖（圖4）可以看出，三相混合與兩相混合差異不大，混合都較為均勻。但從三相密度變化坐標(biāo)圖（圖5）可以發(fā)現(xiàn)，流出混合器混合腔的流體密度直到1 500mm處才趨于平穩(wěn)，只是混合穩(wěn)定長度比二相混合增加200mm左右，并都在1 600 mm長度內(nèi)混合完畢。由此可見，本裝置對(duì)于三相混合依然有良好的混合效果。

圖4 三相密度分布云圖

圖5 三相密度變化坐標(biāo)圖

2.3 入口流量對(duì)混合效果的影響

模擬條件：注入混合器中海水密度取1.03g／cm3，重漿密度取1.93g／cm3。當(dāng)海水和重漿分別以16～70L／s的排量進(jìn)入混合器入口，通過啞鈴狀噴嘴后，在混合器腔體內(nèi)充分混合，出口處鉆井液密度均方差如表1所示。

表1 出口處鉆井液密度的均方差表

由表1可知，出口處鉆井液密度的均方差一般都低于2%。在正常工作的情況下，入口排量對(duì)混合效果影響不大，完全能夠滿足工程需要。

3 混合裝置調(diào)試試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)方法

海水和重漿的流量直接影響混合密度，可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，觀察流量計(jì)的讀數(shù)，進(jìn)而找到節(jié)流閥開度與混合密度的關(guān)系。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

開泵，關(guān)上一端入口，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，觀察記錄流量計(jì)的瞬時(shí)讀數(shù)。每30s計(jì)1次，記錄累計(jì)流量（表2）。

表2 節(jié)流閥開度與流量的關(guān)系表

通過試驗(yàn)可知，流量與節(jié)流閥的開度成正比，而且隨著節(jié)流閥開度的增加，流量增加的速度逐漸減小。在實(shí)際操作中，可調(diào)節(jié)海水與重漿入口節(jié)流閥的開度，進(jìn)而控制出口處鉆井液的混合密度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓井鉆井的目的。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證ZM－2鉆井液密度調(diào)節(jié)混合裝置的功能、穩(wěn)定性和可靠性，在“南海八號(hào)”鉆井船上進(jìn)行了相關(guān)測試，結(jié)果表明，該裝置能快速、精確地調(diào)節(jié)到所需鉆井液密度，性能穩(wěn)定、可靠。

3.2.1 測試過程

提前配制好40m3密度為1.30g／cm3的鉆井液，然后用編輯好的公式計(jì)算出計(jì)劃測試排量內(nèi)重漿和稀釋液各自需要的排量。排空5號(hào)池鉆井液并用海水沖洗干凈，按照計(jì)算結(jié)果，去調(diào)試動(dòng)態(tài)壓井設(shè)備海水和重漿排量，混合到5號(hào)池?cái)嚢杵髅嬷希ɑ旌线^程里儲(chǔ)備液池?cái)嚢杵鞅３珠_啟），不需時(shí)間等待攪拌，直接取5號(hào)池鉆井液樣測量，間隔幾分鐘后再取樣測量，得出實(shí)際測量值。

3.2.2 測試結(jié)果

通過測試數(shù)據(jù)可知，該裝置混合效果良好，混合密度誤差低于1%（表3），且壓井液密度與重漿流量呈線性關(guān)系（圖6、7）。在已知稀釋液密度和重漿密度的情況下，可通過調(diào)節(jié)重漿和稀釋液的流量來得到需要的壓井液密度。

表3 動(dòng)態(tài)壓井重漿混合測試數(shù)據(jù)表

圖6 壓井液密度對(duì)比曲線圖

圖7 壓井液密度與重漿流量的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

通過對(duì)鉆井液密度調(diào)節(jié)混合裝置的研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）ZM－2鉆井液密度混合裝置能夠快速、有效地混合鉆井液，精確控制井筒內(nèi)液柱壓力，從而避免了在壓井過程中，由于薄弱地層受力過大而使井眼垮塌。因此對(duì)于安全窗口比較窄的地層，壓井操作更加安全。

2）通過流場數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在流出混合器混合腔約0.3m的距離時(shí)，混合組分密度差異可以控制在0.05g／cm3，精度較高，能夠滿足施工要求。

3）根據(jù)隨鉆地層壓力監(jiān)測所得到的實(shí)測地層壓力，實(shí)時(shí)計(jì)算所需的鉆井液密度，泥漿泵排量。然后調(diào)節(jié)配漿池中的配漿量和配漿密度，以及控制注入鉆井液的時(shí)間等，來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓井。

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