泡沫鉆井與井筒多相流動試驗裝置研制

劉宗恩，韓兵奇，高旺熙

（中國石油大學（華東）機電裝備教學實習總廠，山東東營257061）

試驗研究

泡沫鉆井與井筒多相流動試驗裝置研制

劉宗恩，韓兵奇，高旺熙

（中國石油大學（華東）機電裝備教學實習總廠，山東東營257061）

泡沫鉆井在欠平衡鉆井工藝中占有重要地位，能解決低壓、低滲、易漏地層的鉆井難題。研制了泡沫鉆井與井筒多相流動試驗裝置，該裝置由井筒模擬系統、起升裝置、供液系統、供氣系統、采集系統等組成。模擬井筒采用透明有機玻璃材料，實現了試驗過程可視化。對裝置流體進行實時壓力、流量檢測，進行泡沫鉆井試驗定性和定量分析。試驗表明，該裝置能清晰觀察泡沫攜帶鉆屑及鉆鋌處流體對井壁的沖蝕過程，實時檢測鉆井液的黏度、流速、密度、剪切力等參數，定量分析鉆井液對鉆進過程的影響特性。

泡沫鉆井；多相流；試驗裝置

泡沫鉆井液具有密度低、黏度大、攜砂能力強等特點，能有效解決低壓、低滲、易漏地層的鉆井難題，減少鉆井液對地層的傷害，提高油氣井采收率，在欠平衡鉆井工藝中占有重要地位。目前，我國對泡沫鉆井液技術研究仍不充分，在現場應用中暴露出諸多技術問題［1］。鑒于此，研制了泡沫鉆井與井筒多相流動試驗裝置。

1　結構

泡沫鉆井與井筒多相流動試驗裝置主要由井筒模擬系統、起升裝置、供液系統、供氣系統、采集系統等組成（如圖1）。

圖1　泡沫鉆井與井筒多相流試驗裝置結構組成

1.1井筒模擬系統

井筒模擬系統由支架、有機玻璃井筒、模擬鉆桿、模擬鉆鋌、密封套、聯接法蘭、液體沖蝕巖心測試組件、井底液體補充組件、加砂系統、旋轉驅動系統、起升系統等組成［2-5］（如圖2）。

圖2　井筒模擬系統

為有效模擬各種工況，井筒及模擬鉆桿由3部分組成，即水平段、彎曲段、垂直段，其中彎曲段和垂直段安裝在一個垂直框架內，水平段安裝在一個獨立的框架上。根據試驗需要，兩部分可組合在一起，也可單獨使用水平段，在起升系統的控制下進行水平井、垂直井及斜井試驗。

水平段井筒由3段透明有機玻璃井筒通過法蘭連接而成，與起升系統配合使用，可調節井筒與地面的傾斜角度，進行各角度定向井試驗。其配備有鉆桿旋轉裝置，可直觀觀察旋轉鉆桿、鉆頭擾動作用下巖屑的運動情況。

水平段井筒的末節法蘭處設有液體沖蝕巖心測試組件，可安裝不同種類的巖心，以測試鉆鋌處的流體對井壁的沖蝕作用。

在水平段井筒末端設有井底液體補充組件，其與井筒組成射流結構，以向井底補充氣體或液體等流體，模擬鉆井過程中地層的出液情況，通過更改鉆井液與地層產液、產氣的壓力關系，模擬井漏、井噴等各種鉆進事故。

加砂系統用于模擬鉆井液攜帶鉆屑的效果，以電機帶動螺旋推進裝置實現巖屑的連續帶壓輸送，輸送速度可以設定并有數字顯示。

1.2起升裝置

起升裝置主要由液壓堆高車、水平井起升定位組件等組成。水平井的出入口端的起升輪軸裝入起升定位組件并確保聯接可靠，起升液壓堆高車的叉腳，水平井的出入口端可沿液壓堆高車導軌上升，井筒傾斜，按試驗要求進行各種角度的斜井試驗。當水平井完全直立后，即可進行垂直井試驗。

1.3供氣系統

供氣系統主要由螺桿式空氣壓縮機、儲氣罐、減壓器、單向閥及相應的管線流程等組成，為氣體鉆井或泡沫鉆井的泡沫提供氣體，通過減壓器可調節系統內氣體的流量及壓力。

1.4供液系統

供液系統主要由水箱、多級離心泵、過濾水箱及相應的管線流程等組成，為泡沫鉆井所需的泡沫提供水基，并可模擬鉆井過程中地層的出液。

1.5采集系統

采集系統由壓力傳感器、氣體渦輪流量傳感器、液體渦輪流量傳感器、采集板卡、計算機等組成，將系統的壓力、氣體流量、液體流量等傳送給計算機并進行處理和顯示。

2　工作原理

供液系統提供的水（可添加起泡劑，若無水則可視為空氣鉆井）與供氣系統提供的氣混合，由鉆桿送達井底，攜帶由加砂系統加入的巖屑（包含地層出液或氣侵氣）經環空返回地面。在井底單獨注入水可模擬溢流、井涌等復雜鉆井工況；單獨注入氣體可模擬氣侵；水、氣單獨或一起加入的量較大時可模擬井噴。在井底設有液體沖蝕巖心測試組件，可安裝不同種類的巖心，以測試鉆鋌處的流體對井壁的沖蝕作用。

3　主要技術參數

3.1透明有機玻璃井筒

工作壓力0.8 MPa

工作溫度室溫

井筒尺寸內徑65 mm，壁厚10 mm，長度3 m

配套不銹鋼模擬鉆桿

內徑20 mm，壁厚3.5 mm，長度3 m

3.2螺桿式空壓機

排量2 m3／min

最高壓力0.8 MPa

功率15 k W

4　創新點

1） 使用軟彈性材料制成彎曲段鉆桿，實現了試驗室內鉆桿彎曲段旋轉可視化，可直接觀察有無鉆桿擾動情況下彎曲段鉆屑的分布及運移情況。

2） 井筒透明，可直觀觀察巖屑在井筒內的運移情況。

3） 配合攝像記錄設備，可定性定量的進行巖屑在不同井斜角下的運移機理，巖屑顆粒的啟動機理——巖屑顆粒是以滾動起動為主，還是以上升起動為主。

4） 可直觀模擬井漏、氣侵、井噴等各種鉆井事故。

5） 通過安裝不同種類的巖心，可測試鉆鋌處的流體對井壁的沖蝕作用。

5　結論

1） 試驗表明，該裝置能清晰觀察鉆屑在井筒內的分布及由井底到地面的上升過程，充分展示泡沫攜帶巖屑的能力，并通過各傳感器實時檢測鉆井液的黏度、流速、密度、剪切力等參數，定量的分析鉆井液特性對巖屑攜帶能力的影響。

2） 在旋轉鉆進過程中，鉆桿對環空鉆屑的擾動與鉆桿靜止時的泡沫攜帶鉆屑形成鮮明對比。

3） 通過更換井底巖心，透過有機玻璃井筒能清晰觀察鉆鋌處流體對井壁的沖蝕作用，并能通過計算機采集數據，定量分析巖性影響。

4） 通過改變通入水量和氣量的大小，觀察溢流、井涌、井漏、井噴等事故的形成過程，分析其原因。

［1］平立秋，汪志明，魏建光.欠平衡鉆井多相流模型評價分析［J］.西南石油大學學報，2007，29（1）：75-78.

［2］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］.東營：石油大學出版社，2000.

［3］劉希圣.鉆井工藝原理［M］.北京：石油工業出版社，1981.

［4］代鋒，孫凱，厲爽，等.欠平衡鉆井井筒多相流技術研究［J］.石油礦場機械，2009，38（1）：5-8.

［5］劉偉，李麗.通南巴深井優快鉆井技術［J］.石油礦場機械，2008，37（9）：78-82.

Development of Experimental Unit about Foam Drilling and Multiphase Flowing in Well

LIU Zonen，HAN Bingqi，GAOWangxi
（Mechanical&Electrical Plant Factory，China University of Petroleum（Huadong），Dongying 257061，China）

It is important for foam drilling to drill in drilling technology，and it can solve problems such as drilling in low-pressure，low permeability，leaky layer，and it must be researched deeply. Therefore，an experimental unit about foam drilling and multiphase flowing in well was devel-oped.It is made up of simulation wellbore system，hoisting units，liquid system，gas system，data acquisition system，etc.The transparent Polymethyl methacrylate was used in simulation well-bore，and visualization was achieved.The pressure and flow discharge of the fluid in units was mo-nitored in line，and the qualitative and quantitative analysis was achieved.Tests showed that it was clearly to see the course of the foam drilling fluid carrying cuttings and the fluid eroding well-bore in drill collar，and the parameters of the drilling fluid had been monitored in line，such as vis-cosity，flow rate，density，shearing force，etc.and could analysis the performance of drilling fluid influencing on drilling quantitatively.

foam drilling；multiphase flowing；testing equipment

TE92

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.11.013

1001-3482（2015）11-0056-03

2015-05-04

劉宗恩（1972-），男，山東萊陽人，高級工程師，碩士，現從事石油機械產品開發研究工作，E-mail：13854690363＠163.com。