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深水双梯度钻井空心球注入与分离技术研究 杨树东( 机械电子工程) 指导教师：黄东升高工陈国明教授 摘要 双梯度钻井又称为双密度钻井，是一种适用于深水钻井的新型钻 井技术。空心球双梯度钻井技术采用轻质空心球注入钻井液，对降低 钻井液密度具有独特的优势。空心球双梯度技术要求回收利用空心球 以降低钻井成本，本文重点研究采用旋流分离器海面分离回收空心 球。首先介绍了空心球双梯度钻井技术原理及相关理论，设计旋流分 离器的物理模型并建立旋流场的数学湍流模型，使用计算流体动力学 仿真软件对旋流器内部流场进行数值模拟，所得速度场和压力场与采 用旋流理论分析分析结果一致。旋流器的几何结构及操作条件与旋流 器分离效率密切相关。本文对影响旋流器能耗以及空心球和钻屑分离 效率的因素进行参数敏感性分析，确定各因素的影响趋势。通过正交 数值模拟实验，在一定的参数范围内对总体设计尺寸进行优化设计， 构建了较为理想的几何结构参数模型。空心球水下注入隔水管是实现 空心球双梯度钻井的关键技术之一，高浓度的空心球水下注入可以有 效降低钻井液密度。通过层次分析法确定备选注入方案的权重系数， 对空心球注入方案进行优选，探讨了被选方案的作业技术。对井下随 钻旋流分离装备进行概念设计，最后对该模型进行了数值模拟分析。 关键词：空心球旋流分离数值模拟双梯度钻井优化 s t u d y o nh o l l o wg l a s ss p h e r e si n je c t i o na n ds e p a r a t i o n t e c h n i q u e sf o rd e e p w a t e rd g d y a n gs h u d o n g ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys e n i o re n g i n e e rh u a n g d o n g - s h e n ga n dp r o f e s s o rc h e ng u o r u i n g a b s t r a c t d u a lg r a d i e n td r i l l i n g ( d g d ) i sa l s ok n o w na sd u a ld e n s i t yd r i l l i n g ， w h i c hi san e wt y p eo fd r i l l i n gt e c h n o l o g yf o rd e e p w a t e rd r i l l i n g i th a s p e c u l i a ra d v a n t a g e st o u s el i g h t w e i g h th o l l o wg l a s ss p h e r e s ( h g s ) t o r e d u c et h ed e n s i t yo fm u di nr i s e ri nh o l l o wg l a s ss p h e r e sd u a lg r a d i e n t d r i l l i n g t h et e c h n o l o g yo fh g s d g dr e q u i r e sr e c y c l i n gh g si no r d e rt o r e d u c et h ec o s t so fd r i l l i n g ，a n dh y d r o c y c l o n ei sr e s e a r c h e dt or e c y c l eh g s a ts e as u r f a c ei nt h i sp a p e r t h ec o n c e p to fh g sd g da n dc o r r e l a t i o n t h e o r i e sa r e f i r s t l yi n t r o d u c e d ，h y d r o c y c l o n em o d e l sa r ed e s i g n e du n d e r s o m ec e r t a i nc o n d i t i o n sa n dm a t h e m a t i c a lt u r b u l e n c em o d e lo fe d d yf l o wi s e s t a b l i s h e d t h ef l o wf i e l di nt h eh y d r o c y c l o n ei ss i m u l a t e db y c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r e ，w h i c hs h o w st h a tv e l o c i t y a n dp r e s s u r ef i e l da c c o r dw i t ht h e o r e t i c a lf l o wf i e l do fh y d r o c y l o n e t h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y o fh y d r o c y c l o n ei sa f f e c t e d i n t e n s i v e l yb y t h e g e o m e t r y s t r u c t u r e sa n d o p e r a t i n g c o n d i t i o n t h e e l e m e n t s ，w h o s e p a r a m e t r i cs e n s i t i v i t y i sa n a l y z e d ，d e t e r m i n et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo f h g sa n ds o l i d c u t t i n g sa n dt h ep r e s s u r el o s to fh y d r o c y l o n e ，a n dt h e i n f l u e n c et e n d e n c i e sa r ed e s c r i b e d o p t i m i z a t i o no fh y d r o c l y o n es t r u c t u r e s i sc a r r i e do u tb yo r t h o g o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ( l a t i ns q u a r e d e s i g n ) a ts o m ec e r t a i nl e v e l s ，a n dr e l a t i v e l y i d e a lg e o m e t r ym o d e li s o b t a i n e d s u c c e s s f u li n j e c t i o no fh g su n d e r w a t e rt or i s e ri st h eo n ep i v o t a l t e c h n i q u eo fh g sd g dt e c h n o l o g y ，i n j e c t i o no fh i g hc o n c e n t r a t i o ns p h e r e s c a nr e d u c et h ed e n s i t yo fd r i l l i n g f l u i de f f e c t i v e l y t h eb e s ti n j e c t i o n s c h e m ei ss e l e c t e dv i aa n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s sw h i c hd e t e r m i n et h e w e i g h i n gf a c t o r ，t h ep r o c e s so fc h o s e ni n j e c t i o ns c h e m ea r et h e o r e t i c a l l y r e s e a r c h e d h y d r o c y l o n es e p a r a t i o nw h i l ed r i l l i n gd o w n h o l ei sc o n c e p t d e s i g n e d ，a n df i n a l l yt h ed e s i g n e dm o d e li sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e da n d a n a l y z e db yc f d k e yw o r d s ：h o l l o wg l a s ss p h e r e s ，h y d r o c y c l o n es e p a r a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，d u a lg r a d i e n td r i l l i n g ，o 州m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名： 杪砀扔函 廿门年厂月j - 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名 o o - 7 年广月玎日 抄7 年广月加 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着国民经济的持续快速发展，对石油天然气资源需求不断增长， 油气资源勘探开发转向海洋尤其转向深海己成必然趋势，这也符合世界 油气勘探开发潮流。我国海洋油气资源丰富，有着漫长的海岸线，仅南 沙海域总面积1 1 6 万平方公里，蕴藏着丰富的油气资源。据初步测算，总 资源量相当于5 8 1 亿吨油当量，约是近海油气资源量的1 9 倍【1 】。 与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更加复杂，易于出现常规钻 井装备和方法难以克服的技术难题：锚泊钻机本身必须承受笨重的锚泊 系统的重量，这给钻机固定增加了难度；隔水管除了承受自身重量，还 承受了严重的机械载荷，如海流及恶劣的海况，防止隔水管脱扣是一个 关键问题；在海底泥线处的高压和低温环境对钻井液性能影响而产生特 殊的难题；海底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物控制对钻井的 可能风险；特别难于控制钻井液当量密度在泥浆密度窗口( 孔隙压力和破 裂压力间隙) 。 常规的海洋钻井技术在同尺寸的井眼中只有一个液柱梯度，即井底 压力由水面( 平台) 到井底的泥浆柱压力产生，地层压力、破裂压力和泥 浆柱压力梯度以水面为参考点，地层压力和破裂压力之间的余量较小， 而隔水管中泥浆柱重量很大，将给钻井工艺带来一系列的问题。如果深 水钻井所用的泥浆密度太小，泥浆柱压力小于地层孔隙压力，将导致地 层流体侵入井眼，从而带来一系列的井控问题；如果泥浆密度太大，泥 浆柱压力超过地层破裂压力，将导致地层流体断裂、坍塌，从而出现卡 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 钻、井径扩大、泥浆漏失、洗井困难等钻井问题，使钻井作业十分困难 【2 】。 1 2 深水钻井研究现状 1 9 6 7 年，t o t a l f i n a e l f 已经开始涉及深水钻井作业，真正有意义 的是在1 9 7 6 年使用p e l e r i n 钻井船在阿尔及利亚打破世界纪录在9 2 5 m 的 水深钻了一口井【3 】。 深水的概念现在每年都在更新：1 9 9 2 年墨西哥湾，3 0 0 m b p 视为深 水；“d e e p s t a r ”成立，6 0 0 m 碰d 被视为重大挑战。2 0 0 0 年d e e p s t a r 和石油界 曾以1 , 8 0 0 m 为可行目标，2 ，1 0 0 m 为可能目标。2 0 0 4 年钻井至水深 3 ，0 0 0 m ，生产设备已安置近2 ，0 0 0 m 水深。 国外上世纪6 0 年代提出和发展的双梯度钻井( d u a lg r a d i e md r i l l i n g ， 简称d g d ) 技术，应用于解决( 减轻) 引言所述的技术问题 4 1 。 实现双梯度钻井的方法主要分为无隔水管钻井、海底泵举升泥浆和 隔水管稀释三类，目前己开展五个成熟的工业联合项目( j o i n ti n d u s t r y p r o j e c t ，简称j i p ) ，研究了海底泵泥浆举升、隔水管气举、隔水管稀释、 以及注空心微球等多种实现方法，如图1 1 所示。其中海底泵举升泥浆方 法中按照使用海底泵类型和动力又可以分为三种：海水驱动隔膜泵、电 力驱动离心泵、电潜泵。隔水管稀释按照注入流体的不同又分为：注空 心微球、注气和注低密度流体三种方法。在海底泵举升泥浆双梯度钻井 中可以使用隔水管，也可以不使用隔水管。而隔水管稀释方法需要隔水 管，消除了海底泵的需要，大大的减少了海底装置的数量，另外该方法 也可以应用在海底泥浆举升和无隔水管系统中。根据需要，这些几种实 现方法可以互相联合使用。c o n o c o 领导的j i p 研究的海底泥浆举升钻井 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 ( s u b s c am u d l i f id r i l l i n g ，简称s m d ) 系统，b a k e r 和t r a n s o c e a n 研究的 d e e p v i s i o n 双梯度钻井系统，s h e l l 的海底泵系统 s u b s e ap u m p i n g s y s t e m ，简称s s p s ) ，m t i 空心微球双梯度钻井系统( h o l l o wg l a s s s p h e r e s ，简称h g s ) ，l s u 的隔水管气举( 稀释) 双梯度钻井系统【5 】o 图1 - 1 双梯度钻井方法的分类 世界海洋石油总的趋势是走向深水，国内进入深水才刚刚起步，深 水技术与世界先进水平相比尚有较大的差距，譬如，现在世界的深水钻 井水深已经达到3 0 5 0 m ，而我国钻井装备只能进入至u 5 0 0 m ；油田开发的 作业水深国外是2 9 6 3 m ，我国仅是3 3 0 m 。 无论采用哪种钻井方式，都要密切注意井底的压力控制，并且要采 用安全钻井液密度。安全钻井液密度的下限是，钻井液的最低密度要大 于地层的孔隙压力以防止井壁坍塌；安全钻井液密度的上限是能压裂地 层导致漏失。两者之间要有一个平衡，既要保持足够的密度来携带岩 屑，又要避免压裂地层。 1 3 空心球技术研究背景 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 国外石油公司在上世纪4 0 年代末期就开始使用空气钻井技术，主要 目的是可以提高钻井速度和克服严重的井漏。 在欠压油气藏或者衰竭油气藏进行欠平衡钻井时，钻井液密度要求 小于水的密度( 即比重小于1 ) ，很多类型的钻井液系统由1 0 0 气体向 1 0 0 液体过渡( 气体、雾状、泡沫、液体及两状态之间) 。由于使用气液 两相，气相可压缩，这使得对于钻井液流动参数预测明显增加了难度， 而1 0 0 液体钻井液相对容易预测因为认为液体不可压缩。 在钻井液中添加轻质固体添加剂( l w s a ，l i g h t w e i g h ts o l i d a d d i t i v e ) ，可以解决( 减缓) 充气钻井液潜在的问题，例如：火灾危险，爆 炸以及井眼冲蚀等。同时还满足钻井液不可压缩，这就可以使用泥浆脉 冲随钻测量，且达到降低钻井液密度的目的。表l l 和表l - 2 分别列出了 欠平衡充气钻井液和l w s a 钻井液的优、缺点比较。 表1 - 1 欠平衡钻井液优点 空气气体雾状 泡沫几w s a 较高的钻井速度可处理地层水渗入 化工处理费用较低提高了井眼稳定性 使用方便井眼净化很好 环境影响降低 不需要压缩机费用 井漏降低无井下火灾危险 减少地层损害l w s a 可以使用泥浆脉冲m w d 表1 - 2 欠平衡钻井液缺点 空气气体雾状 泡沫l w s a 处理地层水渗入 井眼冲蚀添加剂费用 井底火灾危险 复杂性测量计算 井眼不稳定 钻井液使用的轻质固体添加剂，比重平均在0 3 o 6 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 上世纪7 0 年代初期，苏联科学家首次使用空心球作为轻质钻井液添 加剂，直至9 0 年代中末期，美国能源部( d o e ) 组建联合工业项目组 ( j i p ) ，其中再次使用空心球，即玻璃气泡球作为轻质产品填充物，玻璃 球平均直径为5 0 9 m 。 使用这种钻井液可以提高机械钻速( r o p ) 、降低地层损害以及减缓井 漏，代替充气钻井液可以免除压缩机费用以及使用泥浆脉冲随钻测井工 具，明显降低钻井的经济成本【6 】。 1 4 主要研究内容及技术路线 本文主要对空心球双梯度钻井相关技术及关键装备进行研究。内容 涉及到结构设计、数值模拟、优化分析等，内容如下： ( 1 ) 对双梯度钻井空心球技术理论分析，探讨该技术的关键装备； ( 2 ) 对h g s 技术的海面分离装备进行研究，数值模拟分析后优化设计 分离结构； ( 3 ) 对h g s 注入技术进行研究，实现h g s 水下注入。 针对以上主要研究工作，通过理论分析、计算机辅助设计实体建模 技术、流体动力学仿真软件数值模拟、正交优化理论以及层次分析法方 案优选等，本文主要采用以下解决方案： ， ( 1 ) 在调研基础上，结合钻井工艺，分析空心球的物理特性( 强度、密 度及尺寸等) 以及对钻井液的影响( 如，粘度、屈服强度、密度等) ，分析 空心球注入极限深度： ( 2 ) 对h g s 进行回收利用，海面回收分离，本文主要研究旋流器分离 回收，对旋流分离机理进行研究； ( 3 ) 计算机辅助设计旋流模型，利用计算流体动力学软件数值模拟旋 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第】章绪论 流分离空心球，分析数值旋流分离的流场，对旋流分离结构影响分离效 率趋势作了探讨，通过实验设计方法( d o e ) ，优化分析空心球旋流分离 结构参数； ( 4 ) 在调研海底空心球注入方案的基础上，分析各个注入方案的优缺 点，对方案技术、经济计算，然后通过综合技术经济分析，在多个方案 中选出最佳方案： ( 5 ) 分析海底注入作业技术，概念设计随钻分离注入的结构，数值模 拟分析该结构。 研究双梯度钻井空心球技术，将有助于深水钻井技术在国内现场早 日投产，同时也为后来研究双梯度钻井提供一定的基础。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 第2 章空心球双梯度钻井理论研究 2 1 双梯度钻井原理 双梯度钻井( 也称双密度钻井、无隔水管钻井) 是一种非常规钻井技 术口- 9 1 。该技术的主要思想是：去除隔水管的使用或采用一定的措施，如 采用小直径管线旁路返回泥浆而隔水管内充满海水，或在隔水管中注入 低密度介质( 空心微球、低密度流体、气体) ，来降低隔水管环空内流体 的密度，使之与海水相当，有效克服深水钻井中遇到的问题。 图2 1 为常规钻井和双梯度钻井由钻井液静水压力曲线图。由于深水 海底疏松的沉积和海水柱作用，地层压力( 曲线a ) 和破裂压力( 曲线b ) 靠 在一起，采用海上常规钻井方法( 曲线c ) 维持井眼环空压力在这两个曲线 中问非常困难，而双梯度钻井压力( 曲线d ) 在该区域的操作空间相对增 大。 图2 1 双梯度静水力学梯度图 因为常规钻井在同尺度的井眼中只包括一个液柱梯度，即井底压力 由水面( 平台) 到井底的泥浆柱压力来产生，井底压力表示为： 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 只= 如g 1 0 。( 2 - 1 ) 式中，r 为常规钻井井底压力，m p a ：h r r d ：为井总垂直深度，m ；p 。为常 规钻井泥浆密度，k g m 3 。 由式( 2 1 ) 可知，常规钻井井眼钻井液的静水压力梯度( 曲线c ) 是从海 面钻井船延伸的一条直线，该静水压力梯度在一个短的垂直距离上穿过 泥浆密度窗口，可能发生井漏的事故，因此为了保证井身的质量，需要 下多层套管柱。 采用双梯度方法可将海底环空压力降低到与周围海水压力相当，钻 井液返回回路中将产生两个液柱梯度，从水面到海底为与海水密度相近 的流体( 或海水) ，而海底到井底则为钻井液。井底压力随深度表示为： = 【岛以+ ( - h ) p 。, g x l o 。 式中，p o l o 为d g d 井底压力，m p a 风为水深，m ；h t f d 为井总垂直深 度，m ；p 。为海水密度，k g m j ；p m 为钻井液密度，k # m 3 。 由式( 2 - 2 ) 可知，采用d g d 井眼静水力曲线( 曲线d ) 将是从海底延伸的 一条直线，直线的斜度大大减小，因此在地层压力和破裂压力之间有一 个相对较大的垂直距离用于钻井。这样一方面可以减小隔水管的余量， 另一方面，海底以上隔水导管内流体密度与海水密度相近。所有的压力 以海底为参考点，与陆地钻井一样，破裂压力和孔隙压力之间间隙就相 对变宽，从而可以减少套管柱使用数量、使用小的钻井船，降低钻井费 用。 对于1 2 所述的双梯度钻井系统的各种钻井系统互有长短，根据多目 标多层次决策系统模糊优选方法1 0 。1 2 】的准则，对双梯度钻井方案进行优 选。分析计算结果表明，空心球双梯度钻井系统为最优方案f 5 3 - 5 5 1 。 在轻质空心球双梯度钻井系统中，空心球( 玻璃，塑料，复合材料， 金属等) 在泵的作用下进入井底，注射到隔水管底部减小管内泥浆的密度 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 至与海水相当。泥浆和球钻井平台上混合由泵打到井底稀释后进入隔水 管内以减小管内泥浆的密度。 2 2 空心球双梯度钻井技术 毛勒技术司( m a u r e rt e c h n o l o g yi n e ，简称m t i ) 研究空心微球双梯 度钻井系统1 1 3 , 1 4 1 ，系统示意图如图2 2 所示。 图2 - 2m a u r e r 空心微球双梯度钻井系统示意图 在空心球双梯度钻井系统中，空心球和钻井液在海面混合形成低密 度的钻井液，泵送到海底并注入隔水管的底部减少隔水管中钻井液的密 度使其与周围的海水密度相当。返回海面钻井液，通过海面分离装置从 钻井液中分离空心微球和钻屑，分离出的空心微球和钻屑进入海水池， 重的钻屑沉入底部，而轻的空心微球浮在水面，可以重新收集利用。通 过分离后，大部分钻井液进入钻柱，小部分钻井液与分离出的空心微球 重新混合形成低密度流体，泵送到海底注入隔水管内继续循环。 空心球的物理特性、空心球对钻井液的影响以及空心球对钻井工艺 是否影响都需要分析，实现双梯度空心球钻井技术的工艺关键是实现空 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 心球的水下注入及海面分离回收利用。 2 2 1 空心球的特性 空心球形状假定为厚度均匀的中空的理想球体，材料可用玻璃、复 合材料、塑料或其它材料。 t i m o s h e n k o 给出了球体的破裂压力公式【1 5 】： p c = 2 c r x 等 ( 2 - 3 ) 式中，d 为球的内径，m ；d 为球的外径，m ：p c 为破裂压力，m p a ：盯为 玻璃的剪切强度，m p a 。 由( 2 3 ) 式可以看出，球的破裂压力仅与空心球的内外径尺寸以及材 质的强度有关，而和其他参数无关。 空心球的密度： ；岛。d3i_广d3(2-4)pnos2 岛。可 式中，舶嚣为空心球的密度，k g m 3 ；以为空心球材料密度，k g m 3 。 将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) ，可得空心球破裂压力和空心球密度的关系 为： = t p ( 2 - 5 ) 式中，七值为仅与材料有关的定值，k = - 2 a 3 p s 。 式( 2 5 ) 说明空心球能承受的破裂压力在材质选定的情况下，只与空 心球的密度有关，与空心球的尺寸无关。 在保证降低密度的同时，还要保证空心球具有一定的强度。以上分 析说明，从破裂强度的角度，希望空心球的密度较大，但是双梯度钻井 添自i l w s a 的角度，却希望添加的空心球的密度值越小越好，需要综合 考虑取平衡值。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 美国3 m 公司提供具有不同强度和密度的产品系列，均是专为石油天 然气工业的低密度钻井液和水泥浆而设计。 表2 - 1 美国3 m 公司空心球规格表 产品系列 真实密度( 1 旷k g ，m 3 )平均破裂强度( m p a ) h g $ 2 0 0 003 2 1 4 h g s 3 0 0 00 3 52 l h g $ 4 0 0 003 8 2 8 h g s 5 0 0 00 3 8 3 5 h g s 6 0 0 0 0 4 6 。 4 1 h g s l 0 0 0 6 07 0 h g s l 8 0 0 0 0 6 01 2 4 从表2 1 中可知，平均破裂强度随真实密度的增加而增加；同样的真 实密度，因为产品的破裂强度随材质的抗剪切强度增加而增加。 给定破裂强度的空心球，可以计算空心球注入的极限水下深度： 。 矗：i p c - i a p ( 2 - 6 ) p “ g 式中，p 枷为含空心球钻井液密度，k g m 3a p 为通过管程、环空及钻 头等摩擦阻力差之和，m p a 。 以h g s 5 0 0 0 为例分析，分别取a p = o 、3 5 、7 0 m p a ，对于不同钻井 液水下极限深度关系如图2 3 所示。 # 0 0 l - s 问 图2 - 3h g s 5 0 0 0 空心球的水下破裂深度 分析图2 3 可以看出，破裂深度随受到摩擦阻力增大及钻井液密度的 l l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 增加而降低。使用h g s 5 0 0 0 ，摩擦力能量损失较大( 7 o m p a ) i l 钻井液密 度较大( 1 7 x 1 0 3 k g m ) ，空心球破裂深度均在1 5 0 0 m 以上。 2 2 2 含空心球钻的井液特性 对于泥浆中含有多种组分( n ) 时，其密度为： p - - v f 岛 ( 2 5 ) s = l 式中，p i 为第i 种组分的密度；k g m 3 ；为第f 种组分所占总体积的百分比 浓度，惭) ，u = l 。 ，；l 式( 2 - 5 ) 作为以后章节中数值模拟仿真确定物料密度特性的一个依 据。对于含有空心球的钻井液，图2 4 为空心球和泥浆混合的示意图。 图2 _ 4 空心球与泥浆混合示意图 由式( 2 5 ) ，含h g s 的钻井液密度为： p = ( 1 一v ) p o + v p t a s( 2 6 ) 式中，p 为含h g s 的钻井液密度，k g m 3 助为不含h g s 钻井液密度， k g m 3 ；p h o s 为h g s 的密度，k m 3 ；v 为h g s 的体积浓度，。 钻井液密度不同，要求空心球注入的浓度值不一样。表2 2 列出了几 种有代表性钻井液。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 表2 - 2 几种典型钻井液特性 类型 比重( 1 矿k g ，m 3 ) 粘度( 1 0 。k g ，ms ) 屈服点( p a ) 水 ll0 水基 1 2 9 71 71 0 水基+ 聚合物l1 1 8 91 51 5 水基+ 聚合物2 i 4 4 l2 91 0 合成油 1 5 3 7 1 1 2 4 6 表2 2 中钻井液类型为水基与合成油是海洋石油钻井的典型代表。以 h g s 5 0 0 0 作为l w s a ，对于表中所示几种钻井液分析，各种不同钻井液 密度值对应的空心球浓度如图2 5 所示。 ； 己 i ii ；：。 i = l l 享端 蕊釜、 s 孓：乏o l 卜o i ：蔫砉是辽 、f 蓬鬻 o q 图2 5 空心球浓度与钻井液密度值的关系 体积浓度约3 0 的空心球注入水基钻井液，可降低钻井液密度与海 水密度相当，对于合成油钻井液则需要约4 5 。 岩屑颗粒在环空中，因其比重比泥浆大而下沉，同理，空心球( h g s l 因为比泥浆轻而上浮。泥浆中球的沉降速度方程： 匕2 + 0 4 4 5 8 e s o 如b 砖) v j _ 1 9 5 0 e 5 b o b u 、石d p - 1 ) = o ( 2 - 7 ) 式中，d 为球的直径，g m ；峙为沉降速度，c m s ：劝流体密度，g c m 3 ； 昂为球粒子密度，g c m 3 ；为钻井液的有效粘度，泊。 对于球体，b = l ，式( 2 7 ) 简化为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 v j 2 + 6 8 1 7 7 ( 面m , ，_ 。叫万d p 一1 ) = o 利用式( 2 8 ) 分析钻井液有效粘度、微球尺寸及钻井液密度分别对空 心球的滑移速度的影响。图2 6 及图2 7 分别为在钻井液有效粘度值分别 为1 、1 5 、1 7 、2 9 及1 1 2 厘泊时空心球( h g s 5 0 0 0 ) 不同直径( 0 , q c m ) 的滑移 速度及钻井液密度值分别为1 0 、1 1 8 9 、1 2 9 7 、1 4 4 1 , 及1 5 3 7 9 c m 3 时空心 球( h g s s 0 0 0 ) 不同直径( 0 - - 1 c m ) 的滑移速度。 2 0 | i a 日 图2 - 6 不同粘度值下空心球滑移速度图2 7 不同密度值下空心球滑移速度 空心球的滑移速度随钻井液的有效粘度降低、钻井液密度增加以及 空心球直径增大而增大。速度值2 0 1 0 c m s ，该值比钻井液的运动速度 低得多，可以忽略其在钻井液的相对滑移速度。 图2 8 空心球浓度与钻井液流变性能的关系 屈服点( y p ) 用于衡量钻井液携带岩屑的能力。文献 1 6 1 对含有空心球 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 的钻井液的流变性能参数塑性粘度( p 以及屈服点( y p ) 已有阐述，其特 性与传统钻井液的十分相似( 图2 8 ，在4 9 ) 。塑性粘度( p v ) 随着泥浆固 相增加而增加。p v 为6 0 厘泊，相对较高的球浓度为4 0 ，但是还是在钻 井液可接受的范围内。 图2 9 和图2 一1 0 分别显示了含空心球的钻井液p v 值和y p 值随空心球 浓度变化的情况。在空心球体积浓度相等的情况下，不含空心球的塑性 粘度变化很小，随浓度的增加，在6 5 ( 2 比在4 9 ( 2 稍微低一点：屈服点的 变化范围很小。 ； 暑 l 空o t # a # l 图2 9 塑性粘度 图2 1 0 屈服点 文献【1 7 】对于现场钻井时，两口不同的井分别记录p v 和y p 随钻深增 加的变化情况，如图2 9 及图2 1 0 所示。 i i 2 1 ly p 及p v 随井深变i t ( 井1 ) 图2 1 21 忡及p v 随井深变化( 井2 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 图2 1 1 表明在钻井1 时，因为l w s a 的浓度增加，p v 从1 2 增加到1 5 。 y p 从4 7 9 降低至3 3 5 。文献【1 6 】实验室工作揭示随着l w s a 的浓度增加y p 值也应该增加，井中l w s a 体积浓度没有超过1 4 ，这可能是因为浓度 太小还没有显示出任何定性的影响。图2 1 2 表明井2 加深时，p v 降低而 y p 增加。p v 的变化和期望截然相反，但是采取措施( 即加水) 把漏斗粘度 ( f v ) 降低到期望范围，同时也降低t p v 。对于这两套钻井液系统来说， 测量的p v 和y p 对于钻井液来讲，均在可接受的范围内。 总体上来说，要求钻井液具有携带钻屑的粘度，同时要保证空心球 在钻井液中能够得到均匀分散和分离能力，且保证钻井液密度在地层孔 隙压力当量密度和地层破裂压力当量密度窗口之间。 2 2 3 空心球的输送及混合 混合系统使用常规双隔膜泵把空心球从包装输送进入钻井液，隔膜 泵在很多钻井设备中常用，实验井钻井设备可用恒量泵。隔膜泵可以1 小 时将2 9 0 k g 的纯h g s 输送到泥浆中，最高输送速度可达3 0 分钟2 9 0 k g 。通 常使用气流把空心球直接输送至泵吸入1 2 ，固相空，t h , 球“流体化”使得更 容易输送至进入口处的软管。同时要保证空气不能被注入钻井液，因为 空气导致泡沫，只注入流体化的空，t l , 球不会导致钻井液发泡。 把h g s 混合到钻井液的计算意义最重大。在现场测试期间，产品可 以通过常规泥浆斗加入，或者直接倾倒入泥浆池中，但大量全面的现场 应用空心球不能采用直接倾倒的方式加入空一t l , 球，h g s 混入钻井液可采 用了制造商推荐产品的使用工序。 现场决定了使用初始泥浆量的多少，球的用量根据计算达到预计体 积百分比，并开始混合。建立初始少量泥浆，需要1 之箱2 9 0 k g 的空心 球，h g s 载荷到预期的浓度。钻井速度达1 8 - 2 4 m h 时，球的添加速度大 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 约为每2 3 小时1 箱。 2 2 4 空心球的海面分离技术 空心球混合入钻井液，注入隔水立管后与环空返回携带钻屑的钻井 液混合在一起，返回至海面。为了节约钻井成本，经济使用双梯度空心 球技术需要回收利用空心球。振动筛( 泥浆池) 、离心机及旋流分离器等 常规钻井固相处理装备用于回收空心球仍处于研究回收利用空心球技术 的前沿。 使用少量稀释剂和低胶凝点钻井液时，玻璃空心球分离时浮在顶 部。在实验室小规模很容易实现浮选，即只使用泥浆池，钻屑密度比分 离液密度大直接沉降，而空心球密度比之小，则上浮在分离液表面。大 尺寸分离可采用振动筛，图2 - 1 3 图示为分离液直接使用海水进行分离。 图2 1 3 直接采用海水分离( ，j 、规模分离) 先前工作证实，在线钻井时使用普通的两出口沉降离心机不能移除 带空心球的钻井液中的胶状重组分岩屑。在现场进行钻井时，用b r a n d 和 b a k e rp r o c e s s 的设备得到证实。但在做该结论时，3 m 公司发现，依据离 心机的旋转、不同速度及流量，常规两出口离心机仍可以很好分离空心 球。在这种配置下，h g s 仍然可能集聚在螺旋推进器( 如h g s 在钻井液中 的浓度比较高时) 从而阻塞了排料口。这个问题主要出现当h g s 和钻屑的 体积百分比较高。要么低密度的固相和高密度的同时排出，要么超过离 心机的能力而阻塞。 后来使用德国b a k e rp r o c e s s 生产的离心机( 三出口) 成功试验，很好处 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 理包括岩屑、玻璃球和液相三种组分水基钻井液，所有组分得到成功分 离。这种离一t l , 机，由b i r dh u m b o l d t ，b a k e rp r o c e s s 带i j 造，是一 个“多固相分离离心机”的审核样品( 图2 1 4 所示) ，是b a k e rh u g h e s 公司的 产品。通常这种离心机处理多固相，主要是回收相同形状密度不同塑料 粒子。微粒形状和尺寸没有太大的意义。 图2 1 4b a k e rh u g h e s 多固相离心机审核样机 理论上，左旋和右旋螺旋推进器和螺旋体配合，将产生相反方向的 物料输送。螺旋推进器在离心机内以相对转鼓速度较小旋转。这样，两 种产品分别被送至离心机的两端，推出液环面而提升从而排出。 旋流分离器是一个尖顶朝下的圆锥形漏斗，上部有圆柱体形部分与 圆锥相连，如图2 1 5 所示。 旋流器上方圆柱体圆心处有一垂直的短管，称为溢流管( 或顶流管、 旋流定向管) ，在圆柱体的圆柱面一侧有一个物料进口，沿切线方向与圆 柱体相连，漏斗底部锥尖处为底流口。旋流分离器在工作时，泥浆从进 1 2 管以切线方向进入旋流器，则液流产生螺旋形旋转运动，在高速的旋 转运动中，在离心力的作用下，比重较大的固体颗粒被甩到旋流器内 壁，沿螺旋线向下，而比重小的同液体一起在圆锥的中心线附近绕中心 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 以较小的半径呈螺旋线旋转着向下，运动一段距离后因圆锥体容积越来 越小，则这股液流被迫旋转着向上运动。有两股液流，一股比重大和质 量大的固体颗粒组成的液流不断从底流口排出；另外一股比重轻和质量 小的不停地从顶部溢流管排出。本文主要研究这种方式回收空心球，详 见第4 章。 戤、t 夕心 图2 - 1 5 常规旋流分离器 2 2 5 空心球的海底注入技术 w c m a u r e r 等人已研究了多种注入装置：钻杆球随钻注入系统、携 带液循环携带球、海水球注入系统、球气举升等以及多梯度钻井技 术。 ( 1 ) ，钻杆一球随钻注入系统， 空心球在海面先经钻杆进入海底；然后经分离器从泥浆中分离出 来，然后进入隔水管，分离后不含空心球的钻井液通过钻头进入井壁环 空，如图2 1 6 所示。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 薹 毒 f l ：生l l 防噎霉 i 王勿 、! 塑； 一“ 沥 i ： 囊 当 毒 f 壁赶 b 花鬟 j 廷 钻壬 这种诸如方式如果不考虑环空内返回携带含有岩屑，隔水管内和钻 杆内钻井液密度相等，所以不会产生“u 型管效应”，除非环空所含的岩 屑的含量非常多或密度十分大。 这样注入空心球的优点有：没有钻井液的稀释，可以达到较高的空 心球浓度，5 0 , - - 6 0 ；钻井液返回平台后不必分离空心球；设备所占空 间少；设备操作简单。 假定分离点的压力为p l ；分离点对应的环空压力为p 2 ；钻头的压力 假定p t 。 g 毛+ 号+ ( 譬 + 魂= g z ：+ 告+ ( 譬 + 嘻 c ：， 式中，( 莩 为动能的平均值，无法求出具体值表示，对于平均速度石则 很容易表示出，五= 等，( 莩 季，引入动能校正系数，用平均速度 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 一躺，r 口5 - 慌翥拥一z 外 加的机械能，j k g ：矗r 为流体在两截面间的流体阻力。 在分离点z l = z 2 ，且假定底流分离后。没有加载机械能魄。所以 旦p + f ! , 叠2 j = , 兰p 生+ ( 孚 + 乓 ( 2 一l o ) 假如单位管程压力损失一定，分离点距离钻头越远，管程流体阻力 损失就越大，单位管程能量损失消耗最大在钻头破岩处。 如果分离点距离钻头的距离越远，将会导致分离点压差a p ( 日o p r p 2 ) 增大。为了防止分离点钻井液短路流，必须保证该处密封。而该处需要 理论上分离全部的空心球，也就是必须有分离通道，这是问题主要矛盾 对立所在。如果使用间歇式的旋转密封分离：至少需要2 个均等的腔体， 假如腔体l 用于密封空间分离，理论上只使用筛网即可实现，腔体2 用于 释放空心球；腔体2 用于密封空间分离，腔体l 用于释放空心球，如此两 个腔体轮流变位交替。该结构的难点，实现腔体1 、2 变位( 考虑级差时旋 转即分离处钻杆上、下接头不同步) ，空心球能否有限时间内释放( 仅 仅靠浮选速度和环空泥浆返回速度决定) ，机械密封的实现等。 本文主要研究采用这种注入方式，详见第5 章。 ( 2 ) 携带液循环携带空心球 轻质携带液循环携带空心球进入海底，空心球从混合液( 轻质流体和 空心球) 中分离出来进入隔水管底部携带液经独立管线返回平台。如果轻 质携带液比海水轻，u 型管效应”将把轻质携带液带回平台而不需要泵 的作用。如果携带液比海水稍重，需一个小型泵在海底使其返回平台， 一个调节闸门使携带流体沿上返管线回到平台，如图2 1 7 所示。 2 i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心球双梯度钻井理论研究 图2 1 7 携带液循环携带空心球 该系统的最大优点是易实现空心球在泥浆中的高浓度( 4 0 - - 6 0 ) ，携 带液体也容易实现回收利用。 ( 3 ) 海水球注入系统 空心球被海水输送到海底，再用筛网进行分离，然后再注入到隔水 管内，海水则直接排回海洋中去，如图2 1 8 所示。 图2 - 1 8 海水- 球注入系统 这套海水输送d g d 系统的主要优点是由于海水被排放到海洋中不会 稀释隔水管内的泥浆。所以易实现空心球在泥浆中的高浓度( 4 0 - - 5 0 0 o ) 。 缺点是增加海底注射泵装备，操作可靠性降低，还需要考虑对环境的影 响。 ( 4 ) 球一气举升系统 2 2 中国石油大学( 华