基于氣體鉆井的反循環實驗器教學裝置研制

黃 勇， 朱麗紅， 鄒德永， 王京印

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

基于氣體鉆井的反循環實驗器教學裝置研制

黃 勇， 朱麗紅， 鄒德永， 王京印

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

反循環鉆井過程中，壓縮氣體沿雙壁鉆桿環狀間隙進入井底，在井底借助反循環鉆頭抽吸作用形成反循環流場，而后攜帶巖屑沿中心通道上返至地面。根據氣體反循環鉆井工作原理和鉆井工具結構特征，研制了氣體反循環鉆井井底流場模擬實驗裝置，該型實驗裝置能夠模擬反循環鉆井中井底流體的運動過程，并能對井底反循環效果進行驗證和評價。反循環實驗器教學裝置的研制完善了氣體反循環鉆井技術的實驗教學環節，同時激發學生們深入研究反循環鉆具結構的興趣。

氣體鉆井； 反循環； 實驗器； 實驗教學

0 引 言

隨著勘探的不斷深入，常規石油天然氣資源增儲增產難度越來越大，非常規油氣資源的戰略地位日趨重要[1-3]。與此同時，對油氣勘探技術的要求也不斷提高，新工藝正在沖擊和淘汰著傳統工藝[4-7]。特別是在非常規油氣資源鉆探中，氣體反循環鉆井工藝有取代正循環鉆井工藝之趨勢[8-9]。氣體反循環鉆井技術具有鉆井效率高、注氣量小、經濟環保等諸多優點，其在煤層氣、頁巖油氣等非常規油氣鉆探中具有廣闊的發展潛力和應用前景[10-13]。

氣體反循環鉆井技術利用壓縮空氣作為循環介質，通過雙壁鉆桿建立一套與正循環方式相反的封閉循環系統[14-15]。反循環鉆井過程中，壓縮氣體沿雙壁鉆桿環狀間隙進入井底，在井底借助反循環鉆頭抽吸形成反循環流場，而后攜帶巖屑沿中心通道上返地面。氣體反循環鉆井技術的核心是促使井底形成反循環流場。目前主要借助于Fluent軟件通過數值模擬向學生們演示反循環井底流場過程，直觀性不如實驗方法好，較抽象。因此，本文研制一種反循環實驗器，用于完善氣體反循環鉆井技術的實驗教學環節。

1 實驗系統設計

反循環井底流場主要由反循環鉆頭、雙臂鉆桿、井壁、孔底四部分組成。井底氣體流量的變化能夠直接反映反循環效果，因此,根據井底氣體流量分配進行實驗系統設計，如圖1所示。系統主要包括：空壓機、排屑管、反循環實驗器及傳感器等。基本原理是：空壓機產生的壓縮空氣沿供氣管路進入反循環實驗器，先沿內、外管的環狀間隙到達旋流發生器，再經旋流發生器上的旋噴孔產生強烈的抽吸作用，根據抽吸能力確定攜屑量，實現井底反循環流場，最后沿內管的內壁即中心通道排出。記錄壓力表、流量計等實驗數據。抽吸能力越強，外環空上流量計和壓力表的讀數越小，說明井底流場反循環效果好。而抽吸能力的強弱可通過中心通道上的壓力表讀數來判斷。

圖1 反循環實驗系統示意圖

2 實驗系統組成

(1) 空壓機及供氣管路。實驗采用型號為2VFC-6/8電固風冷式空氣壓縮機，主要技術參數包括：鉆速980 r/min,排氣壓力0.80 MPa,容積流量6 m3/min,軸功率37 kW。

(2) 壓力表和流量計。氣體流量與壓力是氣體反循環鉆井井底流場的2個主要參數。本實驗裝置中采用浮子流量計測量氣體流量，采用彈性式壓力表測量氣體壓力。

(3) 反循環實驗器。反循環實驗器是整個實驗系統的核心，如圖2所示，主要包括進氣組件、鉆頭組件、環空組件和排氣組件。實驗時，高壓氣體經進氣接頭進入反循環實驗器，經進氣座、導流板、內與外管間隙進入鉆頭組件。氣體經過流孔進入旋流發生器，由旋噴孔噴出形成旋流，旋流沿內管壁面上升最終經排氣管排出。受鉆頭組件內旋流抽吸作用，外部氣體經外缸進氣口，再經環空間隙(襯套與鉆頭基體間空隙)進入鉆頭組件。

1-排氣接頭，2-壓力表接頭，3-進氣座，4-密封圈，5-進氣接頭，6-導流板，7-內管，8-外管，9-壓蓋，10-過流孔，11-鉆頭基體，12-襯套，13-外缸，14-密封圈，15-底板，16-旋噴孔，17-旋流發生器，18-外缸出口，19-密封圈

圖2 反循環實驗器結構原理圖

反循環實驗器中采用的鉆頭模型是根據旋風式反循環鉆頭原理設計的，包括鉆頭基體與旋流發生器兩部分。鉆頭基體的主要作用：①與襯套內壁面配合形成環狀間隙空間；②將輸入的高壓氣體導入旋流發生器內。

鉆頭基體分為上下兩部分(見圖3)。鉆頭基體上部通過與內、外管配合，與實際鉆井中雙壁鉆桿的環狀間隙和中心通道相對應，將反循環實驗器內的進、排氣通道隔離。鉆頭基體下部腔室用于容納旋流發生器。壓縮氣體經6個分布在中心孔外側的縱向小孔進入旋流發生器，形成上升旋流后經中心孔進入內管。

圖3 鉆頭基體

旋流發生器是反循環實驗器的重要部件(見圖4)，其上設置的旋噴孔是形成井底反循環流場的核心結構。旋噴孔的數量直接影響著反循環效果。旋流發生器上部開有環槽，與鉆頭基體上的縱向小孔配合，不需要調整角度，即可形成進氣流道。為與下部旋噴孔相通便于輸送氣相流體，在旋流發生器軸向設有3個直孔，氣流經旋噴孔在中心孔內形成上升旋流，實現反循環井底流場模擬。

襯套(見圖5)是為改造反循環實驗器增加的輔助部件，主要作用是模擬井壁。襯套內腔與鉆頭組件配合形成外環空間隙，模擬實際鉆井中鉆頭與井壁間的外環空間隙。同時在襯套上端面開有4個徑向橫槽，使外環空與外界大氣形成通路。襯套下端面與鉆頭基體配合，具有一定的高度差，形成底出刃。

內管主要用于模擬進氣通道和排氣通道，如圖6所示。內管的內腔與排氣接頭相連，形成反循環鉆井的排氣通道，即中心通道。內管外壁面與進氣接頭、外管配合，端面上設置有密封槽，形成反循環鉆井的進氣通道，即雙壁鉆桿的環狀間隙。

用底板(見圖7)模擬鉆孔底面，底板通過自身外側的6個圓孔固定于實驗器外缸底部，底板中心位置設有3個支撐螺釘，用于固定旋流發生器。

圖5 襯套

圖6 內管

圖7 底板

3 實驗過程及結果

反循環實驗器與氣體反循環鉆井技術井底結構之間的對應關系如圖8所示。反循環實驗器的主體結構如圖8(a)所示。用外缸與底板的配合體(圖8(b))模擬實際鉆孔底面。鉆頭基體與襯套的配合體(圖8(c))模擬井壁與鉆頭之間的環空間隙。鉆頭基體、旋流發生器及內管的配合體(圖8(d))構成旋風反循環鉆頭結構。襯套與旋流發生器的位置關系(圖8(e))用于模擬井壁與鉆頭的位置關系。組裝反循環實驗器，安裝流量計、壓力計等測量儀表，反循環實驗系統如圖9所示。

旋流發生器的旋噴孔對井底反循環效果影響顯著，借助反循環實驗器可對不同結構參數的旋噴孔反循環效果進行測試。旋噴孔結構參數包括: 旋噴孔直徑d、旋噴孔角度θ、旋噴孔高度h，在相同進氣流量條件下，監測外環空間隙入口流量，實驗結果見表1。實驗結果表明，旋流發生器內上升旋流的入射速度、上升角度、距井底的距離對反循環效果有顯著的影響。

圖8 反循環實驗器分解圖

圖9 反循環實驗系統實物圖

編號結構參數d/mmθ/(°)h/mm流量/(m3·h-1)134040167235050148336060126455060156556040129654050179754060102876050159974060137

4 結 語

根據氣體反循環鉆井工作原理和鉆井工具結構特征，研制的氣體反循環鉆井井底流場模擬實驗裝置可以有效地模擬反循環鉆井中井底流體的運動過程，通過流場特征參數的檢測對井底反循環效果進行評價，并可進一步優化反循環鉆具結構。反循環實驗教學裝置使學生們更直觀地觀察到氣體反循環鉆井技術的實現過程，完善氣體反循環鉆井技術實驗教學環節，同時提高學生深入研究反循環鉆具結構的學習興趣。

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Development of Reverse Circulation Experiment Teaching Device Based on Air Drilling

HUANGYong,ZHULihong,ZOUDeyong,WANGJingyin

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

In the process of reverse circulation drilling, compressed air goes through a reverse circulation experiment device to monitor the flow and pressure parameters. Then it is along the annular gap of the double wall drill pipe into the bottom of the well, through rotary injection hole of the reverse circulation bit, to form the rotating upwelling that has pumping action. Finally, cuttings are carried back to the surface along the center channel. According to the principle of reverse circulation drilling and structure of drilling tools, reverse circulation experiment device was developed. The experimental device can simulate the movement process of drilling fluid in the downhole, and verify and evaluate the effect of reverse circulation. The development of the reverse circulation experiment teaching device improved the experimental teaching of the air reverse circulation drilling technology and could stimulate the interest of the students to study the structure of the reverse circulation drilling tools.

gas drilling; reverse circulation; experiment device; experiment teaching

2016-05-12

國家自然科學基金項目(51274235);山東省英才基金項目(ZR2015EM027);中央高校基本科研業務經費資質(15CX05039A);中國石油大學(華東)校級教改項目(JY-B201503、JY-A201602)

黃 勇(1981-)，男，吉林永吉人，博士，講師，主要從事石油工程方面的教學與研究工作。

Tel.: 18563979479； E-mail: huangyongjlu@163.com

TE 355.3; G 642.423

A

1006-7167(2017)03-0052-03