多梯度控壓鉆井可行性室內模擬試驗*

張銳堯 李軍 葉道輝 全兵 肖平 楊宏偉

(1. 中石化石油機械股份有限公司 2. 中國石油大學(北京) )

0 引 言

在深水鉆井過程中, 由于海水低溫與地層高溫所形成的復雜溫度場環境以及孔隙壓力高、 破裂壓力低所形成的窄壓力窗口特征, 使得溢流、 氣侵或漏失等井下復雜情況頻發[1-3], 井筒壓力控制難度大。 現有井底恒壓控壓鉆井技術在深水地層中的適應性較差; 基于水下泵注入低密度介質的雙梯度鉆井技術只能對泥線以上隔水管環空內的密度梯度進行調節, 其可控壓力范圍有限[4-5]。 深水多梯度控壓鉆井作為近年來提出的適用于深水窄安全密度窗口地層鉆井的新技術[6-8], 其顯著優勢是利用井下分離器將低密度空心球從鉆柱內的鉆井液中分離并注入環空中, 然后通過改變不同多梯度參數(如分離器位置或數量、 空心球體積分數或密度) 來實現對井筒壓力剖面的靈活調節, 并且可以較大程度地簡化井身結構[9-13]。 目前該新技術還處于起步階段, 現有學者主要針對多梯度參數對井筒溫度和壓力的影響規律方面開展了大量理論研究, 但是針對多梯度參數對井筒壓力分布規律的試驗研究較少。 由于現有理論和相關配套技術還不完善, 進行現場試驗的難度大且風險高, 所以通過室內模擬試驗來探究不同多梯度參數條件下井筒壓力梯度的變化規律是現有條件下最有必要且較為可靠的一種研究手段。 為此, 筆者利用自主研制的多梯度鉆井室內模擬試驗系統, 以分離器附近的關鍵井段作為研究對象, 開展了多因素的影響試驗, 獲得了不同條件下的壓力梯度變化規律。 所得研究成果有助于更深入地了解多梯度參數對井筒壓力分布的影響規律, 從而促進該鉆井方法的進一步發展, 也可為多梯度控壓鉆井方法的工藝設計提供一定參考。

1 試驗系統及工作原理介紹

1.1 試驗系統

圖1 為多梯度鉆井室內模擬試驗系統, 主要包括如下幾個組成部分: ①模擬井筒(含模擬鉆柱與環空); ②流體循環系統; ③控制與監測系統;④數據采集與測量系統; ⑤過濾分離器短節。

圖1 多梯度鉆井室內模擬試驗系統Fig.1 Laboratory simulation test system for multi-gradient MPD

模擬井筒由模擬鉆桿和模擬環空同軸線裝配而成, 它是整個試驗系統觀察與測試的核心區域; 其頂端為流體入口, 底端為底流口; 上部入口與注入管線相連, 底流口與回流管線相連, 過濾分離器的分離口則與分離管線相連。 控制與監測系統的上部為監測軟件平臺, 可以對泵的排量、 閥門的開度、渦輪流量計以及壓力傳感器的測試數據進行監測;下部為控制器, 可以實現對泵排量、 閥門開度等參數進行調節和控制。 循環系統主要包括攪拌池、GW 型高壓泵、 注入管線、 返回管線、 儲集池以及氣動閥門等。 高壓泵采用了獨特的葉片結構且具有單流道或雙流道形式, 使得該泵具備非常好的過流特性, 能有效地輸送含有固體物和長纖維物質的介質, 且不會引起堵塞。 采集與測量系統主要包括壓差傳感器和數據采集卡。

在模擬井筒的軸向自上而下依次安裝3 個壓差傳感器1、 2、 3, 其測試結果為Δp1、 Δp2和Δp3。過濾分離器的分離口距離模擬井筒頂端的距離為1.76 m。 為了保證3 個壓差傳感器的輸入端與輸出端的間距相等而不會引起誤差, 對應的安裝位置分別為: 傳感器1 的輸入和輸出端距離模擬井筒的頂端分別為0.76 和1.76 m; 傳感器2 的輸入和輸出端距離頂端分別為1.76 (分離口處) 和2.76 m;傳感器3 的輸入端和輸出端距離頂端分別為2.76和3.76 m。 上述壓差傳感器所測量對應環空內的壓力數據會通過數據采集卡傳輸到監測系統。

新型井下過濾分離器短節的外徑為125 mm,長度為1 082 mm, 與模擬鉆桿通過螺紋連接, 主要功能是對注入的空心球進行分離。 圖2 為過濾分離器的二維結構圖。

圖2 過濾分離器二維結構Fig.2 Two-dimensional structure of the filter separator

其總體結構包括上接頭、 第一級外筒、 第二級外筒、 過濾結構、 第三級外筒以及下接頭等。 其中: 核心部分為第二級外筒和第三級外筒之間的過濾結構(包括球形過濾塞和金屬過濾網)。 球形過濾塞上開設有3 個直徑為26 mm 的通孔, 金屬過濾網覆蓋在球形過濾塞的球形端面上, 圓周上通過螺栓進行鎖緊。 當鉆井液和空心球的混合流體從模擬鉆桿的上部入口處注入, 然后流經過濾分離器的過濾結構時, 由于設計的金屬過濾網孔徑小于試驗所選取的空心球直徑, 依據多孔介質過濾機理[14-17], 空心球無法通過金屬過濾網而被過濾分離。 被分離器分離的空心球會在部分鉆井液的沖刷作用下, 沿著過濾結構的光滑球形端面下滑, 并從分離口流出, 最終進入到儲集池中。

1.2 工作原理

圖3 為多梯度控壓鉆井室內模擬試驗系統簡圖。 從左至右分別是攪拌池、 高壓泵、 注入管線、模擬井筒、 返回管線和儲集池。 試驗過程中, 利用攪拌器將空心球與清水在攪拌池中混合均勻。 通過控制系統開啟所有閥門以及高壓泵, 將混合流體由模擬井筒的上部入口泵入到模擬鉆柱內。 當混合流體進入過濾分離器時, 由于所選擇的空心球直徑大于過濾結構的濾網孔徑, 所以空心球無法通過過濾結構而被分離。 當空心球被分離后, 會短暫停留在過濾結構的球形外表面上, 然后在少部分鉆井液的攜帶作用下進入分離口。 此時, 需要保持閥門3 關閉, 則被分離的空心球會從分離口直接進入模擬環空的上部, 而其余流體則通過過濾分離器后進入模擬鉆柱的下部, 并從其底部上返進入模擬環空的下部。 隨著流體的進一步循環, 模擬環空內的流體會進入到儲集池2 中, 并對空心球進行回收。 當完成1 個循環周期后, 記錄該條件下的壓差測試結果。然后通過調節泵的排量、 更換不同直徑和密度的空心球或改變空心球質量濃度, 進一步得到對應條件下模擬環空內的壓力梯度變化規律。 具體試驗流程見下文。

圖3 多梯度控壓鉆井試驗系統簡圖Fig.3 Schematic diagram of the laboratory simulation test system for multi-gradient MPD

1.3 試驗流程

在開展井筒壓力梯度測試試驗過程中, 保持閥3 處于關閉狀態。 具體試驗流程如下:

(1) 先檢查和連接好試驗設備與儀器, 保證正常使用。

(2) 向攪拌池中注入2 m3清水, 然后接通電源, 并啟動控制器和監測軟件。

(3) 開啟閥門1、 2 以及回壓閥, 完成對管路的清洗后, 停泵并關閉閥1。

(4) 往攪拌池中加入稱好質量的0.25 mm 的空心球, 攪拌均勻后將混合流體注入模擬井筒內。

(5) 當混合流體經過1 個完整循環后, 記錄3個壓差傳感器的傳輸結果; 然后停泵, 同時停止數據采集。

(6) 分別調節泵的頻率 (排量) 為25 Hz(13.9 L/s)、 30 Hz (16.6 L/s)、 35Hz (19.4 L/s), 重復步驟(5), 記錄對應條件下的壓差值。

(7) 重復步驟(3), 向攪拌池中分別加入質量濃度為1.8、 3.0 和4.2 g/L 的空心球, 重復步驟(5), 記錄對應條件下的壓差值。

(8) 重復步驟(3), 然后向攪拌池中添加直徑分別為0.3 和0.6 mm 的空心球, 重復步驟(5), 記錄對應條件下的壓差值。

(9) 重復步驟(3), 向攪拌池中添加密度分別為350 和650 kg/m3的空心球, 重復步驟(5),記錄對應條件下的壓差值。

(10) 重復步驟(3), 向攪拌池中添加一定含量的聚丙烯酰胺, 然后攪拌均勻; 并利用黏度計測試部分樣本流體的黏度, 當增黏劑的質量濃度分別達到0.15、 0.30 和0.45 g/L 時, 重復步驟(5),記錄對應條件下的壓差值。

(11) 測試完成后, 開泵循環清洗管路; 然后停泵, 并回收空心球。

(12) 試驗結束, 關閉電源, 整理現場設備。

2 試驗結果分析

多梯度控壓鉆井試驗測試結果如圖4 ～圖8 所示。 在單一影響條件下, 壓差傳感器1、 2、 3 所對應的壓差值先增加后減小。 壓差值1 為輕質流體段壓差, 其值較小; 壓差值2 為重質流體段壓差, 壓差值明顯增加; 壓差值3 和2 對應的流體密度相同, 由于傳感器2 的輸入端為分離口處, 受到低密度空心球的影響, 輸入端的壓力值會略微降低, 而輸出端壓力不變, 因此壓差值2 略大于壓差值3。

圖4 排量對壓差值的影響曲線Fig.4 Effects of pump flow rate on pressure gradient

圖5 空心球直徑對壓差值的影響曲線Fig.5 Effects of HGS diameter on pressure gradient

圖6 空心球密度對壓差值的影響曲線Fig.6 Effects of HGS density on pressure gradient

圖7 空心球質量濃度對壓差值的影響曲線Fig.7 Effects of HGS mass concentration on pressure gradient

圖8 增黏劑質量濃度對壓差值的影響曲線Fig.8 Effects of thickening agent mass concentration on pressure gradient

2.1 排量的影響

如圖4 所示, 當排量增大, 壓差值1 減小, 壓差值2 增大。 因為排量增大會顯著增強流體的沖刷作用, 從而為空心球從分離口進入環空內提供更大的動能, 因此更有利于空心球的分離。 由于分離器上部環空內的空心球含量增大, 于是輕質流體的密度減小, 所以壓差值1 減小。 分離口處的空心球含量增加使得該處的混合流體密度減小, 于是傳感器2 的輸入端壓力值減小, 而輸出端壓力值不變, 所以壓差值2 逐漸增加。

2.2 空心球直徑的影響

如圖5 所示, 空心球直徑增加, 壓差值1 減小, 壓差值2 增加。 這是因為空心球直徑增大, 其比表面積減小, 流體與空心球接觸面積逐漸減小,則流體對空心球的曳力作用減小, 被分離的空心球從分離口進入環空時所需克服的阻力減小, 所以分離過程更加容易。 因此, 進入分離器上部環空中的空心球含量增加, 混合流體密度減小, 壓力梯度降低, 進一步地導致壓差值1 減小。 然而, 壓差值2的輸入端為分離口處的壓力值, 空心球含量增加會使得該處的混合流體密度減小, 壓力值降低, 而輸出端的壓力值不變, 于是壓差值2 增加。

2.3 空心球密度的影響

如圖6 所示, 空心球密度增大, 壓差值1 增加, 壓差值2 減小。 因為空心球密度增大, 空心球受到的重力作用增大, 在分離進入環空時需要克服更大的阻力, 分離難度會增大。 因此, 分離器上部環空內輕質流體中的空心球含量減少, 輕質流體密度增大, 壓差值1 增加。 同理, 因為分離口處的流體密度增大, 傳感器2 的輸入端壓力值逐漸增大,而輸出端壓力不變, 所以壓差值2 逐漸減小。

2.4 空心球質量濃度的影響

如圖7 所示, 空心球質量濃度增大, 壓差值1減小, 壓差值2 增大。 因為空心球質量濃度增大,分離器上部環空內的輕質流體中空心球含量增加,使得空心球之間的接觸面積增大, 進一步減小了流體與空心球接觸面, 使流體對空心球的曳力作用減弱, 進而使空心球的分離更容易。 隨著輕質流體中空心球含量增加, 該段環空內的混合流體密度減小, 則壓差值1 減小。 此時, 分離器處的混合流體密度減小, 則傳感器2 的輸入端壓力值減小, 而輸出端壓力值不變, 于是壓差值2 增大。

2.5 增黏劑質量濃度的影響

由圖8 可知, 當提高增黏劑(聚丙烯酰胺)的質量濃度來增大流體黏度時, 壓差值1 增大, 壓差值2 減小。

因為隨著增黏劑質量濃度增大, 流體的黏度也逐漸增大, 進一步地提升了流體對空心球的曳力作用, 導致對空心球的分離難度增大。 因此, 分離器上部環空內輕質流體中的空心球含量減少, 混合流體的密度增大, 壓差值1 逐漸增大。 分離口處的空心球含量減少, 使得該處的混合流體密度增大, 則傳感器2 的輸入端壓力值增大, 而輸出端壓力值不變, 于是壓差值2 逐漸減小。

3 結 論

(1) 建立了基于過濾分離器的多梯度控壓鉆井室內模擬試驗系統, 獲得了關鍵井筒區域內壓力梯度隨多梯度參數和流體物性參數的變化規律, 從上至下呈先增加后減小的趨勢。

(2) 分離器上部環空內的壓力梯度與空心球密度呈正相關; 分離器處環空內的壓力梯度與空心球直徑或質量濃度呈正相關。 多梯度參數對井筒壓力梯度的影響規律可以為多梯度控壓鉆井參數的優化設計提供一定的參考。

(3) 多梯度參數對井筒壓力分布有顯著影響,通過合理匹配不同的參數組合, 可以實現對井筒壓力梯度的靈活調節, 驗證了多梯度控壓鉆井方法的可行性。