贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布模型_祁宏军.pdf

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第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COAL GEOLOGY reverse circulation; air drilling; pressure distribution model 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[12)。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[35]。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一一空 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。 收稿日期2013四02-27 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[6-7)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QinO和气 源压力P.)至关重要[8)。 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, 作者简介祁宏军(1973一),男,吉林镇资人,硕士,工程师,从事钻井技术与工程研究. ChaoXing 86 煤田地质与勘探第41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。 气i改==汁中三= ,,,护";.句」『---r-11I卡T牛T」- 严-1I I r-1 1 手吗 到坠会-鲤主 l,.-宁-比4二俨- r;f fl 图1贯通式潜孔锤气体钻井系统 Fig. 1 Through type DTH hammer air drilling system I-排渣弯管;2一双通道气水龙头;3一排渣胶管;4一双壁钻杆; 5一双壁主动钻杆;←螺旋扶正器;7一贯通式溺于L锤;8一反循环钻头 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 横截面以困形和圆环形为主,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 i f;+石(pv 0 言(pvf b.圆环通道 [。ρδ 一乙+一(ρv 0 θt oz δθI ry、ρ 一(ρv)+一(ρviP pg士}-/4 θt oz飞I2Do -Di 、‘,J 且 , .. 、 2 3 式中ρ为气体密度,ρ=ρ(z,。,kg/m3;P为气体 压力,PPz,t, Pa; v为气体流速,vvz,。,mis; f为摩擦阻力系数;Do为环状间隙外径,m;鸟为 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“-”号。 令式1←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f采用Guo提出的揣流状态 摩擦因子关系式计算[10-11 f I / 1 n、| I Dn -D,, I I 2101I一旦一--...11.14 I I -\. Ra J I 式中Ra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 ρ_ Pg Qg Ps Qs +纠Q, - mix Qg Qs Q, 式中ρm为混合流体单相流密度,kg/m3;Pg为气 体密度,kg/m3;Ps为岩屑密度,kg/m3;纠为地层液 态流体密度,kg/m3;Qg为混合物中气体的体积流量, 旷/min;Qs为混合物中岩屑的体积流量,m3/min;白 为混合物中地层液态流体的体积流量,m3/min。 以ρmix代替式(1)和式(2)中的ρ,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,在贯通式谱孔锤反循环钻进系统 的中心通道内距地表z,深处取一微元段dz,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,且由微元段内流体介质流动速度不变,即 vConst,由式1)和式(2)得中心通道内压力分布控 ChaoXing 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 87 z, z, dz 图2中心通道内混合均匀单相流徽元模型 Fig. 2 Mixed homogenous single phase flow in center channel 制方程 P Pmix g 11 +立二|由5 UUA υ I 2gDC I 式中De为中心通道直径,m。定义ρmixg为 Ymix (混合流体单相流重度,N/m勺,即 Y, ix -Pmix -”也+wgWi -g- UUA U且AQs Qg Qi 6 式中Wg、Wi、Ws为气相、液相、固相的重量流量, N/s。计算式如下 吨=Qspsglvm功tPsg‘IQs lvmD;it 飞=暂且如=誓旦叫马=去a Wi =叫PwQi g lsd =生- ρ町 式中sd为气体相对密度,气体介质为空气时, Sd 1; S1为液相地层流体相对清水的相对密度; ρg、ρa让为分别为标准状态下气体和空气的密度, kg/m3;ρw为清水的密度,kg/m3;M阳为空气的 摩尔质量,g/mol;瓦为标准状态下的温度, T0 273K;凡为标准状态下的压力,凡=0.101325 MPa; {lo为标准状态下气体的体积流量,mJ/min;Qi 为液相地层流体体积出流量,旷/min;p、T、Qg为 计算点处的压力、温度、气体的体积流量;Di,;1为 钻头外径,m;vm为机械钻速,m/h。 通常Qs、G值相对于Qg而言很小,因此式(6)中 Q, +马+Qi)近似以马代替;设微元段由内的平均 温度为几,将以与、wg、叫、Qg的表达式代人,得 S,M_,_Pf PT_π句PT_ Yrrux =」___,__二+S1PwQ,g .---2--_..vmD;;1P,K 一 凡几Qo 微元段dz内的气体上返流速为 v -{lg -P,,丑vO_ 4 -一-一11- Ac P兀『7tD; 式中岛为中心通道过流断面积,m2。 将Ynux和v的表达式代人式(5)中,得 dPI龟主+呐Z主|命7 l ζv P πZ二,S,M_,_T.. 龟=石tVm.LJi;itPsg+」Rg+均ρ'wlig 仇=l凡i2r4YQ,; 一.一一-- c 2g \.瓦)\πj D1 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 凡=凡I1+几干(k-IQ巧giI 8 -- I 2sg,{. M由kA;.凡| 式中几为气流上游压力,Pa;也为气流下游压 力,Pa;几为气流下游温度,K;R为通用气体常 数;k为气体比热比,J/kgK;Q为气体体积流 量,旷Is;ρ为气体密度,kg/m3;s为气体相对密 度;Mair为空气的相对分子质量(摩尔质量);也为流 道最小过流断面积,m2;几为气流下游压力,Pa。 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[12-13)。 3.4 环状闹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 ρ飞-Ps Qs+向Qi 一 山AQgQ1 式中ρ卢为混合物密度,kg/m3;岛为气体密度, kg/m3;纠为液态流体密度,kg/m3;马为混合物中 气体的体积流量,m3/min;Q1为混合物中液态流体 的体积流量,m3/min。 ChaoXing 88 煤田地质与勘探第41卷 以ρ,nu代替式(3)和式(4)中ρ,且式(4)中摩擦 阻力项取“-”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句深处 向上取一微元段dz,假设环状间隙内混合单相流处 于一维定常流动状态,即vConst,由式(3)和式(4 可得环状间隙内压力分布的控制方程 I r I 9 -pmix g I 1 2gDa-Di I 定义ρ,nug为y卢(混合流体单相流重度,N/m3, 即’ w_w, ix ixg=」一___10 QgQ1 式中Wg、叫为气相和液相的重量流量,N/s。计算 式如下 一sd凡Mairr. Wg一一一一一Q,g=卫二二旦Qgg RTOT盯 JVi S1 ρwQ1g 式(10)中白相对于Qg小得多,以Qg代替 (马+Q1),代人wg、m表达式得 rnix 坦主丛草生+S,owO,g RTav .. -『V马马v怠 式中丑v为微元段内的平均温度,K。 环状间隙微元段内气体流速为 以自Qg 乌TO 4 --’””-r 也PTo .oπ(D;一时) 式中4为环状间隙过流断面积,m2。 将y午x和Va的表达式代入式(9)中得 。=(才+aa咔)由(11 马=呼气+S1础g b_ _f._(主i2(主yQ 8 2glTo \1t D;-D2 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 ι[ i 1 2 ] . u2 1 +一一--一一I- c;c; cc 2g 式中u为缩流段流度,mis;Cc为收缩系数;Cu为 图3环状间隙内混合均匀单相流微元模型 Fig. 3 Mixed homogenous single phase flow in annular gap 流速系数。 截面积突出变大时的压力损耗计算式 鸟一(u1 -u2 2 _ n Ar u/ _ n Ar u/ 一-一一-一-一 2g A2 2g A2 -nAr 2g 式中U1为小过流断面上的速度,ml町的为大过流 断面上的速度,mis;马为大过流断面面积,m2;A 为单个扶正块横断面积,m2;n为扶正块数目。 4 双璧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 Tc Const 环状通道内采用基于地温梯度的线性温度模 型,即 Tz =+βz 式中β为地温梯度,K/m;ζ为地表绝对温度, K;王为距地表深z处的温度,K。 4.2 中心通道内压力分布模型 以1二=Const代替式(7)中的凡,方程两端积分 ChaoXing 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 89 由 zou p ’’ EJ 士2 - TC - Lue p -- ac TLL 一+ 士2 - P - a ELPL - pa -- J I 5.. 12 PI eγ(中bJc1-bcT/I 12 4.3 环状间隙内压力分布模型 以丑=+βz代替式(11)中的Tav,令 +βzH, P/Hu代入后积分有 I uβ句=I与H aaι-(aa +β)u2 J H 以zb、也作为已知条件确定积分常数,整理得 p 二[[哨子{pi击怖 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(12)和式(1月,计 算了气体注入量25旷/min、机械钻速10m/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,2000m 深井底压力约为1.34MPa,钻头、潜孔锤上产生的压 降约为1.94MPa,在环状间隙流道内随深度的增加压 力减小,地表注人压力约为5.16MPa。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戴值 Tablet Related parameters in pressure-plotting model 参数名称符号参数值参数名称符号参数值 地表温度fK r. 280 钻头直径Im Db;, 0.45 地温梯度/(℃ID斗β 0.03 环状间隙外径Im Do 0.105 标准状态下温度fKTao 273.5 环状间隙内径Im Di 0.089 中心通道平均温度fK T_ ‘二310 中心通道直径Im De 0.08 中心通道出口压力/Pa P, IOI 325 空气比热比k 1.4 标准状态下压力/Pa pgo IOI 325 空气摩尔质量/(kgmo1“1M 创Z0.029 重力加速度/(m-s“2g 9.8 气体常数/(J.molK“1 R 8.31 气体相对密度sd 固相岩屑密度/(kgm-3 ρz 2 700 管壁粗糙度ImRa 3.Sx 10-6 井深Imz 2 000 压力/MPa 2 3 4 5 6 / 200 400 600 800 轼每EI 删 1200 1400 l 600 I 800 2000 图4压力分布曲线 Fig. 4 pressure distribution curve I一中心孔通道;注气通道 6 结语 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 [I]许爱.气体钻井技术及其现场应用[月.石汹钻探技术,2006, 344 16-19. [2]赵业荣,孟英峰,雷桐,等.气体钻井理论与实践仙句.北京 石油工业出版社,2007. [3]孙继明,侯树刚,李铁成.空气钻井技术在普光D-1井的应用 [月石油钻探技术,2006,344 24-26. [4]肖新磊空气钻井技术在元坝、地区的应用问石油钻探技术, 2010, 384 35-37. (下转第92页) ChaoXing 92 煤田地质与勘探第41卷 各类技术文档等与零部件建立关系,从而形成知识 网络的管理模式。 在PDM系统中零部件具有以下的特性零部件 具有结构关系;零部件经常发生版本的演进,同时零 部件的改版过程需要严格的更改流程来控制;零部件 的主要技术描述文档是采用三维、二维设计图纸的方 式,同时零部件的主要制造指导文档是二维蓝图。 根据钻机零部件的结构特点,钻机设计过程中 常用的零部件除了自制加工件外,主要包括标准件、 外构件、通用件。通过零部件分类管理实现企业外 购件、标准件、通用件、自制件的分类;支持零部 件的信息、历史、状态、分类和标准化管理;建立 适合企业的标准件库。从PDM系统存储、三维CAD 集成、数据访问权限控制等技术角度考虑,将钻机 零部件分为三大类标准件、零部件、外购件。 通过PDM系统的零部件管理技术,可以对零 部件的更多信息进行有效管理,为零部件(图纸)的 快速、有效查询提供技术手段。零部件数据模型内 部关系逻辑如图2所示。 系 关 本 版 件 部 零 。,因 才规格关系 UGPART二维图 图2零部件数据模型内部关系逻辑图 Fig. 2 Internal logical relationship of component model 2.6 系统集成性 钻机设计采用UGNX三维设计软件,PDM与 该软件集成实现了数据、产品BOM、零部件属性等 双向或单相集成。即在PDM系统中填写零部件属性 后,在UGNX三维模型属性中会自动将PDM系统 中的属性映射到三维模型对应的属性中。如果设计人 员使用UGManager建立了产品结构,选择保存了 该产品装配,则该产品的装配自动在PDM系统中搭 建,不需要在PSE中再搭建,实现了产品BOM同步。 同时系统支持三维零件以及装配结构的预览功能。 4结语 针对钻机研发过程中产品数据管理存在的问 题,基于Teamcenter软件开发了钻机PDM系统, 建立一套集成共享的技术数据资料管理系统,实现 了钻机开发过程中的文档管理、流程管理、产品结 构管理、零部件分类管理、CAD软件集成等功能, 保证了钻机产品开发过程中的各种技术资料得到有 效控制,为钻机的产品设计、生产制造提供准确、 统一的数据。 参考文献 [1)张建明,J桂芹,刘庆修,等.煤矿井下坑道钻机产品数据管 理模型与系统[月.煤田地质与勘探,2010,384 72-76. 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