用于粒子沖擊鉆井系統的鋼粒子精確調控裝置研究

黃 偉， 姚建林， 鄭凱中， 劉 彬， 陳 晗， 范黎明， 李 雷

中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

0 引言

近年來PDC鉆頭、牙輪鉆頭技術有了快速的發展，但在礫石層、極硬、強研磨性地層等難鉆地層仍存在鉆速低、單只鉆頭壽命短等問題，導致川渝須家河、塔里木博孜礫石層、松遼火山巖等堅硬地層破巖效率低、鉆井速度慢、周期長、成本高，嚴重制約了油氣勘探開發速度和效益[1- 2]。粒子沖擊鉆井技術是針對此類地層攻關研發的一種前沿鉆井提速技術，主要通過在鉆井液中加入一定濃度的鋼質粒子，粒子從鉆頭噴嘴噴出后，高速高頻沖擊破碎地層，大幅提高硬地層機械鉆速[3- 4]。中國石油天然氣集團公司經過10年攻關，通過理論建模、數值模擬、室內試驗、現場試驗相結合的手段，研究揭示了粒子沖擊鉆井破巖機理，優化了粒子沖擊鉆井關鍵參數，創新了鉆井管線沖擊磨損模型，成功研制出國內首套具有自主知識產權的粒子沖擊鉆井系統，現場試驗平均提速1倍以上，具有較好的應用前景。

通過調研分析粒子沖擊鉆井技術相關資料，明確了鋼粒子體積分數是影響粒子沖擊鉆井破巖效率的核心因素之一[4- 5]。目前國內用于粒子沖擊鉆井系統的鋼粒子調控裝置主要是基于輸送機構轉軸轉速，調控鋼粒子體積分數，其鋼粒子體積分數是通過轉速計算獲得，只能間接反映粒子輸送量、調控誤差高，無法完全滿足粒子沖擊鉆井作業需求[6]。本文在深入分析現有粒子計量輸送裝置的基礎上，研制了一種鋼粒子精確調控裝置，實現鋼粒子體積分數在線精確調控，提高粒子沖擊鉆井作業效率。

1 技術思路及工藝流程

鋼粒子精確調控裝置的主要功能是基于鉆井液排量，實時調控鋼粒子輸送量，同時防止鉆井液溢漏污染環境，實現鋼粒子高效、連續、精確和安全輸送。研究存在三個難點：鋼粒子輕微磁化，易粘連結塊于輸送機構內壁；鋼粒子連續定量輸送；安裝和運輸空間有限，需高度集成撬裝[7- 8]。針對上述難點，調控裝置通過設計稱重無軸螺旋輸送機構和鋼粒子提升機構，防止鋼粒子粘連結塊，提高集成度；發明一種在線精確調控方法，控制裝置所有機構聯動，實現鋼粒子精確調控，精確調控技術示意圖見圖1。

圖1 精確調控技術示意圖

基于鋼粒子精確調控裝置技術思路，形成了以下工藝流程：

(1)采用粒子分離回收裝置配合無軸螺旋輸送機構，根據鉆井液排量初步調控粒子輸送量。

(2)運用在線精確調控方法配套鋼粒子提升機構和稱重無軸螺旋輸送機構，實時監測無軸螺旋輸送機構中粒子量，并調控提升和輸送機構輸送速度，在線自整定鋼粒子輸送量。

(3)射流混漿器混合鋼粒子和鉆井液，并將混合流體輸送至高壓粒子輸送裝置料斗。同時通過高壓粒子輸送裝置將混合流體輸送至鉆井循環管線，實現粒子沖擊高效破巖。

2 鋼粒子精確調控裝置研制

針對鋼粒子精確調控工藝流程，研制出了滿足粒子沖擊鉆井作業的調控裝置。裝置主要包括：無軸螺旋輸送機構、鋼粒子提升機構、稱重無軸螺旋輸送機構、射流混漿器、自動球閥和PLC控制柜[9]，如圖2所示。

1.無軸螺旋輸送機構； 2.鋼粒子提升機構； 3.稱重無軸螺旋輸送機構； 4.射流混漿器。

2.1 關鍵機構研制

粒子沖擊鉆井系統主要運用于?215.9～?311.2 mm兩種井眼，其鉆井液排量Q范圍為30～50 L/s，根據鉆井液排量、粒子堆積密度和體積分數可以計算得出無軸螺旋輸送機構和提升機構的額定輸送量，見式(1)。

T=3.6×Q1×φ×ρ

(1)

式中：T—鋼粒子輸送量，t/h；Q1—鉆井液排量，L/s；φ—鋼粒子體積分數；ρ—鋼粒子堆積密度，t/m3。

2.1.1 稱重無軸螺旋輸送機構

稱重無軸螺旋輸送機構材料采用無磁不銹鋼，防止鋼粒子磁化粘連機構內壁；設計稱重模塊，實時監測機構內鋼粒子重量。通過計算螺旋輸送機構葉片直徑、葉片螺距、旋軸轉速和驅動部件功率等，結合標準JB/T 7679—2019《螺旋輸送機》，獲得稱重無軸螺旋輸送機構設計參數[10]。

(2)

式中：D—葉片直徑，mm；Ks—螺距比；A—物料綜合特性系數；ψ—填充系數；C—傾斜輸送系數。

S=KSD

(3)

式中：S—葉片螺距，mm。

(4)

式中：N—旋軸最大轉速，r/min。

(5)

式中：P1—螺旋式輸送機構驅動部件功率，kW；λ—物料阻力系數；H1—提升高度,m；L—有效輸送距離,m。

2.1.2 鋼粒子提升機構

鋼粒子提升機構材料采用無磁不銹鋼；驅動部件選用變頻電機，通過調控電機頻率匹配鉆井液黏度、鋼粒子輸送量和提升機構轉速；側面設置觀察清理窗口，觀察機構底部鋼粒子堆積結塊情況，并于該窗口清理鋼粒子。依據標準JB/T 3926—2014《垂直斗式提升機》優選料斗容積、寬度和后壁高度，并通過計算提升速度和驅動部件功率，獲得粒子提升機構設計參數。

(6)

式中：V—提升速度，m/s；h—料斗后壁高度，m；I—料斗容積，L。

(7)

式中：P2—提升機構驅動部件功率，kW；L1—軸距，m；g—重力加速度,9.8m/s2；Ps—挖取功率，kW；Pk—空載功率，kW；K—功率系數。

2.2 在線精確調控方法

稱重無軸螺旋輸送機構進料口至出料口距離為L，稱重模塊測量輸送機構初始重量為m，初始測量時間為t，在線精確調控方法具體實現步驟如下：

(1)根據鉆井液排量，按式(1)計算鋼粒子目標輸送速度。

(2)機構進料口開始進料時開始計時，至初始測量時間t時，讀取稱重模塊重量m2(見圖3)。

圖3 稱重無軸螺旋輸送機構示意圖

(3)按式(9)計算，獲得完全輸送機構內粒子的時間t1。

t1=(m2-m)/T

(8)

(4)按式(9)計算，獲得稱重無軸螺旋輸送機構的輸送速度v，并根據v機構驅動部件工作參數。

v=L/t1

(9)

(5)讀取t+t1時刻稱重無軸螺旋輸送機構重量，并存入m2，并令t+t1=t。

(6)循環步驟(3)、步驟(4)、步驟(5)實現在線精確調控。

3 室內測試及現場應用

3.1 室內測試

通過開展多組運行參數條件下的鋼粒子精確調控裝置室內測試，驗證裝置調控精度。測試中運行參數設置為粒子體積分數P=1%，鉆井液排量30 L/s、40 L/s和粒子體積分數P=3%，鉆井液排量25 L/s、37 L/s。室內測試共計開展150 min，測試結果表明：鋼粒子精確調控裝置可根據鉆井液排量實時調控粒子輸送量，調控誤差小于1%，滿足粒子沖擊鉆井系統作業需求見表1。

表1 試驗記錄

3.2 現場應用

粒子沖擊鉆井系統在江沙X井進行了現場試驗，試驗層位沙溪廟，巖性砂巖、泥巖互層，試驗井眼尺寸?215.9 mm，試驗井段2 365～2 470 m，在泵壓19～22 MPa、排量26～30 L/s、鉆壓8～12 t、鉆井液密度1.86 g/cm3、鋼粒子直徑1.7 mm和粒子體積分數1%～3%工況下，總進尺105 m，平均機械鉆速13.26 m/h，系統累計連續無故障工作時間32.99 h，整體性能穩定。其中，鋼粒子精確調控裝置可根據試驗實時鉆井液排量調控鋼粒子體積分數，調控誤差小于0.97%；稱重無軸螺旋輸送機構、粒子提升機構等核心設備均未出現卡堵和鋼粒子堆積現象，整體運行穩定，滿足粒子沖擊鉆井作業需求。

4 結論與建議

(1)鋼粒子精確調控裝置運用在線自整定輸送方法和稱重無軸螺旋輸送機構，實現了鋼粒子連續精確調控輸送，調控誤差小于1%，為物料連續計量輸送提供了一種新的技術手段。

(2)現場應用表明裝置核心機構均未出現卡堵和鋼粒子堆積現象，整體運行穩定，滿足粒子沖擊鉆井系統需求。

(3)鋼粒子精確調控裝置主要用于粒子沖擊鉆井系統前端粒子體積分數精度控制，但受現有系統后端配套設備的限制，無法完全滿足粒子沖擊鉆井系統鋼粒子和鉆井液需均勻混合輸送的技術要求，建議完善系統后端配套設備，進一步最大化發揮該裝置的效用。