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第 4 l 卷 第 4期 2 0 1 3年 8月 煤 田地质 与勘探 C 0札GE I 】 GY E XP I .0R Ⅱ0 N Vb 1 . 4l NO. 4 Aug . 201 3 文章编号 1 0 0 1 . 1 9 8 6 2 0 1 3 0 4 - 0 0 8 5 . 0 5 贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布模型 祁宏 军 中煤科工集团西安研究院,陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘要随着贯通式潜孔锤全孔反循环钻进技术及配套装备的不断发展和完善 ,其应用 日益广泛, 用于油气勘探开发气体钻井领域 时施工井眼直径和井深大,合理工艺参数的确定十分关键 。基于 贯通式潜孔锤双壁钻具 系统的结构特点,研究建立 了中心反循环排渣通道和环状注气通道内压力 分布模型,介绍了潜孔锤 内部和反循环钻头上压耗计算方法。系统压力分布模型的建立为确定合 理注气参数奠定了基础 ,为高压注气设备的合理选配提供 了依据 ,对保证 良好的钻进效果具有重 要 的 意义 。 关键词贯通式潜孔锤;反循环;气体钻井;压力分布模型 中图分类号P 6 3 4 文献标识码 A DO h 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 1 9 8 6 . 2 0 1 3 . 0 4 . 0 2 1 The pr e s s ur e di s t r i b ut i o n m o d e l o f a i r r e ve r s e c i r c u l a t i o n d r i l l i ng s y s t e m wi t h ho l l o w- t h r o ug h DTH ha mme r Q I H o n g j u n XF a n R e s e a r c hI n s t i t u t e , C h i n aC o a l T e c h n o l o g y&E n g i n e e r i n gG r o u p C 0 , X i a n 7 1 0 0 7 7 , C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t a n d i mp r o v e me n t o f wh o l e h o l e r e v e r s e c i r c u l a t i o n d r i l l i n g t e c h n i q u e wi t h h o l - l o w- t h r o u g h DT H h a mme t h e h o l l o w- t h r o u g h DTH h a mme r i s u s e d wi l d l y i n d i f f e r e n t d r i l l i n g fi e l d s . Wh e n i t i s u s e d t o d r i l l we l l s f o r o 订a n d g a s e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t . t h e d i a me t e r a n d d e p t h o f t h e we l l i s u s u a l l y b i g g e r c o mp a r e d wi th t h a t o f t h e b o r e h o l e i n o t h e r a p pl i c a t i o n fie l d s ,a n d the d e t e r mi n a t i o n o f dri l l i n g t e c h n i q u e p a r a me t e r s i s c r i t i c a 1 . On the b a s i s o f s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f d u a l - wa l l d r i l l i n g t o o l s , the p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n mo d e l s i n c e n t e r h o l e a n d a n n u l a r c h a n n e l we r e e s t a b l i s h e d , a n d t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f p r e s s u r e d r o p o n r e v e r s e d r i l l i n g bi t wa s i n t r o d u c e d . T h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n mo d e l s c a n b e u s e d for d e t e r mi n a t i o n o f t h e r e a s o n a b l e p a r a me t e r s o f t h e c o mp r e s s e d a i r s o u r c e a s a b a s e ,a t the s a me t i me ,i t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e s e l e c t i o n o f h i g h - p r e s s u r e e q u i p me n t s . T h e r e s e a r c h o n t h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n mo d e l o f r e v e r s e c i r c u l a t i o n dri l l i n g s y s t e m i s me a n i n g f u l t o e n s u r e g o o d d r i l l i n g e ffe c t . Ke y wo r d s h o l l o w- t h r o u g h DTH h a mme r ; r e v e r s e c i r c u l a t i o n ; a i r dri l l i n g ; p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n mo d e l 气体钻井技术是最早发展起来的一种欠平衡钻 井技术,利用压缩气体 空气、氮气、天然气、柴油 机尾气等 作为钻井循环介质将 井底 随钻头钻进产 生的岩屑携带到地表[ 卜 。气体钻井技术在低压、低 渗、低产油气藏的高效开发和提高复杂地质构造钻 井速度等方面有着广泛 的应用前景 ,成为钻井技术 发展的一个热点,在国内外得到了广泛应用【 ] 】 。空 气锤 也称气动潜孔锤、气动冲击器 进入油气勘探 开发领域后 ,形成 了气体钻井新的分支技术空 气锤钻井技术 ,它具有常规气体钻井技术所不具备 的优势 ,能够大幅提高大尺寸井眼、硬岩地层钻进 中的机械钻进效率。 1 贯通式潜孔锤全孔反循环工作原理 贯通式潜孔锤全孔反循环钻进技术及配套装备 的应用领域不断拓展 ,面对的客观使用条件趋于多 样化。 用于油气勘探开发气体钻井领域【 6 。 】 时施工井 眼直径和深度大 ,为保证 良好的反循环钻进效果 , 确定合理的注气参数 包括注气体积流量 Q i . 。和气 源压力 尸 s 至关重要 】 。 研究建立贯通式潜孔锤反循环钻进系统压力分 布模型 ,进行循环系统压力损耗分析 ,是确定合理 的注气参数的基础 ,也是进行高压注气设备合理选 配的重要依据。同时, 对于可压缩的气体循环介质 , 收稿 日期 2 0 1 3 . 0 2 . 2 7 作者简介 祁宏军 1 9 7 3 一 ,男,吉林镇赉人 ,硕士 ,工程师,从事钻井技术与工程研究 8 6 煤田地质与勘探 第 4 1 卷 研究循环系统的压力分布规律也是预测循环系统内 速度场分布的前提条件【 9 】 。 如图 1所示 ,贯通式潜孔锤反循环气体钻井系 统的流道包含四大部分 a .井内输气部分 ,这部分 气体流道 的长度随着井深的增加而延长;b .井底做 功部分 ,其上产生的压力降与气源参数有关 ;c -反 循环钻头部分 ,这部分流道不随井深增加而变化 ; d . 井内排渣部分 , 这部分流道随井深的增加而延长。 醪 图 l 贯通式潜孔锤气体钻井系统 Fi g.1 Thr o ug h t y pe DTH ha mme r a i r d r i l l i n g s ys t e m 1 排渣弯管;2 一双通道气水龙头;3 排渣胶管;4 一双壁钻杆; 5 双壁主动钻杆 ;6 螺旋扶正器;7 贯通式潜孔锤;8 反循环钻头 2 基本流动方程 贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布计 算遵循“ 倒算法” 原则 ,即将中心通道出口作为压力 计算 的起点 , 依次进行中心通道内压降、 钻头压降、 潜孔锤内压降、双壁钻具环状间隙内压降的计算 , 直到井 口为止。 贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统的流体通道 横截面以圆形和圆环形为主 ,且流体通道的过流断 面积远小于流道的长度 ,故将压缩气体在双壁钻具 系统内的流动简化为一维问题进行研究 ,遵循如下 基本流动方程。 a .圆管通道 v 。 1 v p p g _ O fv-2 2 O p 鲁 V 。 3 v 鲁 v 2 P 一 p f v 2 4 式中 为气体密度,P P z , f ,k g / m ; P为气体 压力, , 0, P a ;1 , 为气体流速 ,1 , v z , 0, m/ s ; .厂为摩擦阻力系数 ;D o 为环状间隙外径 ,m;D l 为 环状间隙内径 ,m;D为圆管内径,m。 式 2 和式 4 中等号右端最后一项分别代表压 缩气体在圆管和圆环通道内流动过程所受到的摩擦 阻力 ,向上流动时取“ ” 号 ,向下流动时取“ 一 ” 号。 令式 1 卜 式 4 中含对时间偏导数的项为零得 一 维稳态流动基本方程。 式中摩擦阻力系数 厂采用 G u o 提出的湍流状态 摩擦 因子关系式计算[ 1 O - l l 】 毒2log 1.14 式 中 R a 为流道侧壁的绝对粗糙度 ,m。 3 双壁钻具系统内压 力分布 3 . 1 中心通道 内压力分布控制方程 贯通式潜孔锤双壁钻具系统的中心通道是反循 环排渣通道 ,采用混合流体单相均匀流模型来研究 的压力分布,即假设 a .可压缩的气体与不可压缩 的岩屑及可能产生的液态地层流体混合达到均匀一 致 ; b .岩屑大小及密度一致 ; c .岩屑与气体之间保 持一致 的运动速度 亦即岩屑在上返过程 中相对气 体无相对滑移速度 ;d .同时假设这种混合单相流 体的流动遵循基本的流体力学方程。混合流体单相 流的密度为 ’ ’ ’ 式中 ‰为混合流体单相流密度,k g / m ; 为气 体密度, k g / m3 ; 为岩屑密度,k g / m ; 为地层液 态流体密度 , k g / m s ; 为混合物中气体的体积流量, m / mi n ;Q s 为混合物中岩屑的体积流量 , m3 / m i n ; 为混合物中地层液态流体的体积流量,m 3 / mi n 。 以 代替式 1 和式 2 中的 P,且式 2 中摩 擦阻力项取“ ” 号 中心通道 内的上升流摩擦阻力方 向与重力方向相同 , 并令含对时间偏导项为零 ,即 得中心通道 内混合流体单相均匀流稳态流动时的连 续方程和动量方程 。 如图 2所示 ,在贯通式潜孔锤反循环钻进系统 的中心通道 内距地表 z 1 深处取一微元段 1 z, 假设中 心通道内混合流体单相均匀流处于一维稳态流动状 态 ,且 d z 微 元段 内流体 介质 流动速 度不 变 ,即 1 , C o n s t , 由式 1 和式 2 得中心通道内压力分布控 进 一 第 4期 祁宏军贯通 式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布模型 8 7 一, j ● 一 l . .. X . 嘎 . . t0 ; . ‘ 暑 C Z j . ’ , j ’. J _, 。 、 、 ~ / 图 2 中心通道 内混合 均匀单 相 流微兀 模型 F i g . 2 M i x e d h o mo g e n o u s s i n g l e p h a s e flo w i n c e n t e r c h a n n e l 制方程 Pm i x“ g“ l 式 中 为 中心通道 直径 ,m。定 义 ‰ g为 混合 流 体单 相流 重度, N / m , 即 一 g 6 式中 、 w s 为气相、液相、固相的重量流量 , N / s 。计算式如下 w s Q s g 7 [ v m 2 i t P, g g g S i P w Q l 。 g Q s 2 it P o T ‘ Q 0 p妇 式 中 为气体相对密度 ,气体介质为空气时 , S d1 ; 为液相地层流体相对清水的相对密度 ; 、 i 为分别为标准状态下气体和空气 的密度 , k g / m ; 为清水的密度,k g / m ; 8 ir 为空气的 摩 尔 质 量 ,g / too l ; T o为 标 准 状 态 下 的温 度 , r o2 7 3 K;t o 为标准状态下 的压力 ,尸 0 0 . 1 0 1 3 2 5 MP a ;Q o 为标准状态下气体的体积流量 , m3 / mi n ; Q l 为液相地层流体体积出流量 , m3 / mi n ;尸 、T 、Q 为 计算点处的压力 、温度 、气体的体积流量 ;D b i 为 钻头外径,m;V m 为机械钻速,m / h 。 通常 Q s 、Q I 值相对于 而言很小 ,因此式 6 中 【 Q s Q l J 近 似以Q g 代 替; 设 微 元段d z 内 的 平 均 温度为 , 将w s 、 w g 、 Q g 的 表达式代入, 得 S w. Q , g‘ P r o 一 2 g ‘ 旦 P o T . Q o 微元段 d z内的气体上返流速为 强 er o 啬 ~ 式中 A c 为中心通道过流断面积 ,m 。 将 m ix 和 v 的表达式代人式 5 中,得 P 口c6c讣 7 啬vm 碥 ro 2 g , T o 簧 3 . 2 反循环钻头上的压降 目前,反循环钻头上的底喷孔和内喷孔均为等截 面积的直孔,因此气流经过时不会出现超音速流动, 故钻头上的压力变化按亚声速流动计算 ,公式如下 l H I 式中 为气流上游压力 ,P a ; 为气流下游压 力 , P a ; 为气流下游温度 ,K ;R为通用气体常 数;七 为气体比热比,J / K ;Q为气体体积流 量 ,m3 / s ;p为气体密度 ,k g / m3 ; 为气体相对密 度; 为空气的相对分子质量 摩尔质量 ;4 I 为流 道最小过流断面积,m ; 为气流下游压力,P a 。 3 . 3 贯通式潜孔锤 内压降 针对某一规格型号的贯通式潜孔锤 ,其上产生 的压力降可根据模拟仿真 电算程序的计算结果来确 定 [ 1 2 - 1 3 ] 。 3 . 4 环状间隙内压 力分布控制方程 采用混合流体单相均匀流模型来研究环状间隙 的压力分布 ,即假设可压缩气体与不可压缩液体的 混合达到均匀一致 ,混合流体单相均匀流的流动遵 循基本流体力学方程。 环状间隙内混合均匀单相流体的密度为 式中 为混合物密度 ,k g / m ; 为气体密度 , k g / m3 ; 为液态流体密度 ,k g / m ; 为混合物中 气体的体积流量 ,m / mi n ; 为混合物中液态流体 的体积流量 ,m 3 / mi n 。 8 8 煤 田地质与勘探 第 4 l 卷 以 代替式 3 和式 4 中P,且式 4 中摩擦 阻力项取“ 一 ” 号 环状间隙内的下降流摩擦阻力方 向 与重力方向相反 , 并令含对时间偏导项为零 ,即得 环状间隙内混合单相流体一维稳态流动的连续方程 和动量方程。 如图 3所示 ,在井 内环状通道内距地表 z 1 深处 向上取一微元段 d z, 假设环状间隙内混合单相流处 于一维定常流动状态 ,即’ , C o n s t,由式 3 和式 4 可得环状间隙内压力分布的控制方程 一 l卜 丽 fy2 定义p L .Ⅸ g为 混合流体单相流重度,N / m , 即 1 0 式中 w g 、 为气相和液相的重量流量 , N / s 。计算 式如下 g g ‘ g 式 1 0 中 Q l 相对于 Q g 小得多 ,以 代替 Q g Q 1 , 代 入w g 、 表 达 式 得 S lP w g ‘ P r o 式 中 为微元段内的平均温度 ,K。 环状间隙微元段内气体流速为 v a≈鲁 4 式中 为环状间隙过流断面积 ,m 。 将 和 y a 的表达式代人式 9 中得 P 略d z 11 半 去 2 g L r o 双壁钻杆内外管之间的定位扶正块处产生的局 部压力损失则转化为截面突然缩小、扩大的局部阻 力损失问题。 截面积突然变小时的压力损耗计算式 c 壶一 2 J ’ u 2 式中 U为缩流段流度 , m/ s ;C c 为收缩系数 ; 为 一 中心通谴 ,j 、 ’ ‘ ~一 - 一 一 _ I 乞 宙 I 出 E £ ; ; 是 -警 { 0 ; 、 、一/ \ / 图 3 环状间隙内混合均匀单相流微元模型 F i g . 3 Mi x e d h o mo g e n o u s s i n g l e p h a s e f l o w i n a n n u l a r g a p 流速系数 。 截面积突出变大时的压力损耗计算式 竺 二 生. . 2 g 2 g 1 1 。 4 2 g 式中 “ l 为小过流断面上的速度,m/ s ; U 2 为大过流 断面上的速度, m / s;A 2 为大过流断面面积, m2 ;A 为单个扶正块横断面积,m2 ;n 为扶正块数 目。 4双壁钻具 系统 中心孔 与环 状间隙 内压 力分布 模型 4 . 1 循环 系统 内温度模型的选择 贯通式潜孔锤反循环钻进系统 内压缩气体的压 力场、温度场、速度场是相互影响的,温度作为一 个基本状态参数与压力分布直接相关 ,同时,循环 系统内压缩气体的物性参数 气体比热、导热系数 、 密度 、动力粘度等 也随温度变化而变化。 综合分析双壁钻具反循环钻进系统的特点 ,中 心通道采用等温模型 ,即 Co n s t 环状通道 内采用基于地温梯度 的线性温度模 型 ,即 z 式中 为地温梯度,K / m; 为地表绝对温度, K ; 为距地表深 z 处 的温度 ,K。 4 . 2 中心通道 内压力分布模型 以 T C o n s t 代替式 7 中的 , 方程两端积分 第 4期 祁宏军贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布模型 8 9. J ; T P d Pa c P 口 c J。~ r 2 a 1 P I e ‘ 6c 一 6 c I 12 L j 4 . 3 环状间隙内压力分布模型 以 r s p z代 替 式 1 1 中 的 , 令 p z ,1 , / / / 代人后积分有 』 a A - a 』 H a “ 以z b 、 作为已知条件确定积分常数 ,整理得 P l _2aa 瑶 一 ] 纠 l 1 3 5算例 基于上述贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统中 心通道及环状间隙内压力分布模型式 1 2 和式 1 3 , 计 算了气体注入量 2 5 m a / mi n 、机械钻速 1 0 m/ h条件下 的中心孔通道及双壁钻具环空注气通道内的压力分 布情况,压力分布模型中各参数值见表 1 。钻进循环 系统中心通道及环状间隙内压力分布曲线如图 4所 示。在中心通道内随着孔深的增加压力增大 , 2 0 0 0 m 深井底压力约为 1 . 3 4 MP a , 钻头、 潜孑 L 锤上产生的压 降约为 1 . 9 4 MP a , 在环状间隙流道内随深度的增加压 力减小 , 地表注入压力约为 5 . 1 6 MP a 。 从计算结果来 看 ,在贯通式潜孔锤反循环气体钻井循环系统中, 由于双壁钻具 的环状 间隙注气通道过流断面积较 小 , 且在钻杆两端存在用于同轴定位的扶正块 , 这使 得注气通道内因摩擦和局部阻力等产生的压降较大。 表 1 压力分布模型中相关参数值 Ta bl e 1 Re l a t e d par a me t er s i n pr e s s ur e - pl o t t i ng mo de l 参数名称 符号 参数值 参数名称 符号 参数值 地表温度/ K 2 8 0 钻头直径/ m D b “0 .4 5 地温梯度/ ℃. m 。 0 . 0 3 环状间隙外径/ m D o 0 . 1 0 5 标准状态下温度/ K 2 7 3 . 5 环状间隙内径/ m 皿 O . 0 8 9 中心通道平均温度/ K 3 l O 中心通道直径, m D 0 .0 8 中心通道出口压力/ P a 1 0 1 3 2 5 空气比热比 k 1 . 4 标准状态下压力/ P a 1 0 1 3 2 5 空气摩尔质量/ k g mo l Mw 0 . 0 2 9 重力加速度/ m. S 。 1 g 9 . 8 气体常数/ J . m o l K R 8 - 3 l 气体相对密度 1 固相岩屑密度/ k g m 。 2 7 0 0 管壁粗 糙度/ m R a 3 . 8 x 1 0 井深/ m 2 0 0 0 6 结语 1 4 0 0 l 6 0 O 1 8 0 0 2o o O 压力/ MP a O 1 2 3 4 5 6 图 4 压力分布曲线 Fi g. 4 p r e s s ur e di s t r i b ut i o n c u r ve l 一 中心孔通道 ;注气通道 贯通式潜孔锤是一类具有特殊结构形式的气 动 潜孔 冲击器 , 用于油气勘探开发气体钻井中能够兼容 气体钻井 、冲击 回转钻井和反循环钻井三者的优势 , 具有广阔的应用前景 , 开展贯通式潜孔锤反循环钻进 系统压力分布模型研究 , 为确定合理注气参数奠定了 基础 , 为高压注气设备的合理选配提供依据 , 对进行 气体钻井用贯通式潜孔锤反循环钻井系统 的合 理配 置具有重要指导意义 。 同时贯通式潜孔锤反循环钻进 系统 中心反循环排渣通道和环状注气通道 内压力分 布模型对其他类 型气体钻进循环系统的压力分布研 究具有借鉴意义。 参考文献 【 1 】许爱. 气体钻井技术及其现场应用[ J 】 _ 石油钻探技术,2 0 0 6 , 3 4 4 1 6 一 l 9 . [ 2 】赵业荣,孟英峰,雷桐,等. 气体钻井理论与实践[ M】 . 北京 石油工业出版社,2 0 0 7 . [ 3 】孙继明,侯树刚, 李铁成. 空气钻井技术在普光 D 一 1 井的应用 【 J 】 . 石油钻探技术 , 2 0 0 6 ,3 4 4 2 4 2 6 . 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