張銳堯 李 軍 明瑞卿 楊宏偉 高熱雨

(1.中國石油大學(北京) 2.中國石油勘探開發(fā)研究院)

0 引 言

深水區(qū)窄壓力窗口的地層特征和復雜的溫度場環(huán)境使得井筒壓力控制難度大，噴、漏、卡、塌等井下復雜情況頻發(fā)[1-4]，傳統(tǒng)鉆井技術在深水鉆井中面臨著極大的挑戰(zhàn)。與井底恒壓控壓鉆井和雙梯度鉆井技術相比，基于井下分離器短節(jié)的多梯度控壓鉆井技術最具發(fā)展前景[5-8]。

多梯度控壓鉆井技術的原理是先將鉆井液與空心球在鉆井液池中混合均勻，然后將混合流體通過上部鉆柱注入，當混合流體進入分離器時混合流體中的空心球會被分離，并直接注入環(huán)空中。如果以分離器為參考點，則其上部環(huán)空中為空心球與鉆井液混合后所形成的低密度流體，稱為輕質流體；下部環(huán)空中為原鉆井液，稱為重質流體。因此，在上、下環(huán)空中會形成兩個不同的密度梯度。當安裝兩個或者多個井下分離器對空心球進行多點分離時，則在環(huán)空中會形成多個密度梯度。該鉆井新技術的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面：其一，由于其主要的配套設備為井下分離器短節(jié)，所以在壓力控制以及設備的安裝與維護等方面操作更簡單，成本相對較低；其二，由于井底恒壓控壓鉆井技術只能適應淺水區(qū)，無法應對深水區(qū)的壓力控制問題[9-11]，而雙梯度鉆井技術只能改變隔水管環(huán)空內的流體密度，即只能對泥線以上的密度梯度進行調節(jié)，所以其壓力控制范圍相對有限[12-20]。多梯度控壓鉆井技術可以對環(huán)空內任意井段的鉆井液密度進行調節(jié)，可極大地擴展壓力控制范圍。

綜上所述，多梯度控壓鉆井技術具有較好的發(fā)展前景，但是井下分離器對空心球的高效分離是成功實現(xiàn)該技術的關鍵?，F(xiàn)有的井下旋流分離器的分離效率最高只能達到40%，難以達到多梯度鉆井的目的。鑒于此，本文研制了新的井下分離器短節(jié)，即井下過濾分離器，并利用多梯度鉆井室內模擬試驗系統(tǒng)，開展了分離效率試驗，從而驗證了井下過濾分離器能夠對空心球實現(xiàn)高效分離的特性。該研究結果可為多梯度控壓鉆井技術的發(fā)展提供一定的技術參考。

1 試驗系統(tǒng)、工作原理及試驗流程

1.1 試驗系統(tǒng)

圖1為多梯度控壓鉆井室內模擬試驗系統(tǒng)。其中圖1a所示為模擬井筒，主要由模擬鉆桿和模擬環(huán)空同軸線等裝配而成，它是整個試驗系統(tǒng)觀察與測試的核心區(qū)域。其中，模擬鉆桿由3段長度為1 m，外徑為127 mm，內徑為112 mm的鋼管連接而成。模擬環(huán)空由3段相同長度且內徑為215.9 mm的透明鋼化玻璃管組成。模擬井筒與試驗臺架同軸線且垂直安裝，其上端為流體的入口，下端有底流口。上部入口與注入管線相連，底流口與回流管線相連，過濾分離器的分離口則與分離管線相連。

圖1b所示為控制器與監(jiān)測平臺組成的控制柜。上部為監(jiān)測軟件平臺，可以對泵的排量、閥門的開度、渦輪流量計以及壓力傳感器的測試數據進行監(jiān)測；下部為控制器，可以對泵的排量及閥門開度等參數進行調節(jié)和控制。

圖1 多梯度控壓鉆井室內模擬試驗系統(tǒng)Fig.1 Indoor simulation test system for multi-gradient managed pressure drilling

圖1c為研制加工的過濾分離器短節(jié)。該短節(jié)的外徑為125 mm，長度為1 082 mm，通過螺紋與模擬鉆桿連接，主要功能是對注入的空心球進行分離。其總體結構包括上接頭、第一級外筒、第二級外筒、過濾結構、第三級外筒以及下接頭等。其核心部分為第二級外筒和第三級外筒之間的過濾結構(包括球形過濾塞和金屬過濾網)。球形過濾塞上開設有3個直徑為26 mm且呈圓周等距分布的小孔，金屬過濾網覆蓋在球形過濾塞的球形端面上，圓周上通過螺栓進行鎖緊，如圖1d所示。當鉆井液和空心球的混合流體從模擬鉆桿的上部入口處注入，然后流經過濾分離器時，由于設計的金屬過濾網的孔徑小于試驗所選取的空心球直徑，空心球無法通過金屬過濾網而被過濾分離，被分離的空心球會在部分鉆井液的沖刷作用下，沿著過濾結構的光滑球形端面下滑，并從分離口流出，最終進入到儲集池中。

1.2 工作原理

根據上述試驗系統(tǒng)布局，得到了如圖2所示的試驗系統(tǒng)簡圖。由圖2可知，從左至右分別是攪拌池、高壓泵、注入管線、模擬井筒、返回管線和儲集池(2個)。試驗時，需要先將空心球與流體在攪拌池中混合均勻，然后通過控制系統(tǒng)開啟所有閥門以及高壓泵，攪拌池中的混合流體通過注入管線，由模擬井筒的上部入口進入到模擬鉆柱內。當混合流體進入如圖3所示的過濾分離器時，根據多孔介質的原理，空心球無法通過過濾結構而被分離[21]。被分離后的空心球在少部分鉆井液的攜帶下，直接由過濾結構的球形表面進入分離口，最終由閥門3所在的回流管線進入到儲集池1中進行回收。而其余流體則通過分離器后進入到模擬鉆柱的下部，進入到模擬環(huán)空中，最終進入儲集池2中。最后，將儲集池1中的空心球進行干燥和稱量，并與注入的空心球進行對比，即可得到該條件下的分離效率。

圖2 多梯度控壓鉆井試驗系統(tǒng)簡圖Fig.2 Schematic diagram of test system for multi-gradient managed pressure drilling

1—上接頭；2—螺栓；3—第一級外筒；4—第二級 外筒；5—套筒；6—第三級外筒；7—過濾結構。圖3 過濾分離器二維結構Fig.3 Two-dimensional structure of filter separator

1.3 試驗流程

基于多梯度控壓鉆井室內模擬試驗系統(tǒng)，分別開展了不同條件下的分離效率測試試驗。該試驗系統(tǒng)為閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，注入流體與返出流體可以循環(huán)使用，同時注入的空心球可以回收再利用。改變試驗條件，可進一步得到對應條件下的不同分離效率。根據圖2所示的試驗系統(tǒng)與工作原理，制訂了具體的試驗流程。

(1)檢查并確保試驗系統(tǒng)的所有設備與儀器正常后，連接所有設備與儀器。

(2)向攪拌池中注入2 m3清水，然后接通電源，并啟動控制器和監(jiān)測軟件。

(3)通過控制系統(tǒng)開啟循環(huán)系統(tǒng)中的所有閥門，同時開啟高壓泵，利用攪拌池中的清水對管路進行循環(huán)清洗。循環(huán)一段時間后，待返出管線內的流體干凈，清洗儲集池1和2中的濾網，關閉高壓泵和閥1。

(4)利用電子天平稱取一定質量的直徑為0.45 mm的空心球，并做記錄。然后將稱取的空心球倒入到攪拌池中，通過控制軟件啟動攪拌程序進行攪拌。待空心球和流體混合均勻后，先開啟閥1，然后在控制柜的軟件界面中設置泵的頻率為25 Hz，啟動高壓泵。

(5)循環(huán)過程中，混合流體中被分離的空心球會通過閥3進入儲集池1中，其余鉆井液則通過過濾分離器，由模擬鉆柱進入模擬環(huán)空內，最后經返出管線進入到儲集池2中。當攪拌池中的流體全部排出后，關閉高壓泵和閥1。

(6)對儲集池1中收集的空心球進行干燥、稱質量，并記錄。然后對比步驟(4)中注入的空心球質量與干燥后的空心球質量，從而計算該條件下的分離效率，并做記錄。

(7)重復步驟(2)～(6)，分別測試不同泵頻率(排量)為30 Hz (16.6 L/s)～45 Hz (25 L/s)共8個排量條件下的分離效率，并做記錄。同理，可以得到空心球直徑為0.6 mm時的分離效率。

(8)保持其他條件不變，重復步驟(2)～(6)，分別測試空心球直徑為0.15、0.30、0.45和0.60 mm條件下的分離效率。

(9)重復步驟(2)～(6)，分別測試空心球質量濃度為1.2～4.2 g/L時，空心球直徑分別為0.45和0.60 mm的分離效率，并做記錄。

(10)重復步驟(2)～(6)，分別測試空心球密度為150、350和650 kg/m3條件下的分離效率，并做記錄。

(11)當上述試驗測試完成后，保持其他條件不變，向攪拌池中添加聚丙烯酰胺增加清水的黏度。重復步驟(2)～(6)，測試增黏劑質量濃度為0.10～0.45 g/L時，空心球直徑分別為0.45和0.60 mm的分離效率，并做記錄。

(12)測試完成后，繼續(xù)開泵循環(huán)一段時間，待循環(huán)管路清洗完畢后，停泵，并清潔儲集池中的濾網，同時對空心球進行干燥，并回收利用。

(13)試驗結束，關閉電源，整理試驗場地。

2 試驗結果

基于上述試驗，研究了排量、空心球質量濃度、增黏劑質量濃度、空心球直徑和空心球密度對過濾分離器分離效率的影響，得到如圖4～圖7所示的試驗結果。

2.1 泵排量的影響

圖4a和圖4b分別表示空心球直徑為0.45和0.60 mm時，不同泵排量對過濾分離器分離效率的影響效果圖。由圖4可以看出，隨著排量從14 L/s逐漸增加到25 L/s，過濾分離器的分離效率呈逐漸提升的趨勢。這是因為空心球被過濾分離器分離后會短暫停留在過濾結構的球形外表面，而進入環(huán)空內則需要部分流體提供一定的動能。隨著排量的增加，進入過濾分離器內部的流體的流速增加，空心球獲得的動能增加，更有利于空心球進入環(huán)空中。因此，增加泵的排量有利于提升過濾分離器的分離效率。

圖4 泵排量對分離效率的影響Fig.4 Influence of pump displacement on separation efficiency

2.2 空心球質量濃度的影響

圖5a和圖5b分別表示直徑為0.45和0.60 mm空心球的質量濃度對過濾分離器分離效率的影響。由圖5可知，隨著空心球質量濃度從1.20 g/L逐漸增加到4.25 g/L，兩種條件下的分離效率都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。這是因為隨著空心球質量濃度的增加，球與球之間的接觸面積增加，流體與空心球之間的有效接觸面積減小，從而使得流體對空心球的曳力作用減小，所以過濾分離器的分離效率逐漸上升。因此，在多梯度鉆井過程中，如果滿足安全鉆井條件，則可以適當增大注入的空心球質量濃度。

2.3 流體黏度的影響

圖6a和圖6b表示空心球直徑分別為0.45和0.60 mm時，不同流體黏度對分離效率的影響。由圖6可知，隨著增黏劑(聚丙烯酰胺)的質量濃度從0.10 g/L逐漸增大到0.45 g/L，過濾分離器兩種直徑的空心球分離效率都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。這是因為隨著增黏劑的質量濃度逐漸增加，混合流體的黏度逐漸增大，從而使得流體對空心球的曳力作用逐漸增大，導致空心球的分離難度增大。

圖5 空心球質量濃度對分離效率的影響Fig.5 Influence of hollow sphere concentration on separation efficiency

圖6 增黏劑(聚丙烯酰胺)質量濃度對分離效率的影響Fig.6 Influence of viscosifier (PAM) concentration on separation efficiency

圖7 空心球直徑和密度的影響Fig.7 Influence of hollow sphere density and diameter on separation efficiency

2.4 空心球直徑和密度的影響

圖7a為不同直徑空心球對過濾分離器分離效率的影響圖。由圖7a可知，隨著空心球直徑從0.15 mm逐漸增大到0.60 mm，過濾分離器的分離效率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。這是因為隨著直徑的增加，空心球的表面積與體積之比逐漸減小，則流體與空心球的有效接觸面積減小，從而使得空心球受到流體的曳力作用減弱，分離效率逐漸提升。因此，在多梯度鉆井過程中，可以適當選擇直徑較大的空心球，從而提升過濾分離器的分離效率。

圖7b為不同空心球密度對過濾分離器分離效率的影響圖。由圖7b可知，隨著空心球密度從150 kg/m3增加到650 kg/m3，過濾分離器的分離效率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。這是因為隨著密度的增加，空心球受到的重力作用增加，被分離的空心球從過濾分離器處進入環(huán)空時所需要的動能會逐漸增大，從而增加了空心球的分離難度，所以分離效率逐漸降低。因此，在多梯度鉆井過程中，在滿足安全鉆井需求的條件下，應盡量選擇密度較小的空心球。

3 結 論

基于多梯度控壓鉆井模擬試驗系統(tǒng)，對新研制的井下過濾分離器的分離效率進行了研究，分別測試了排量、空心球質量濃度、流體黏度、空心球直徑和密度對分離效率的影響，得到如下結論：

(1)基于新研制的井下過濾分離器，搭建了多梯度控壓鉆井室內模擬試驗系統(tǒng)，為后續(xù)分離器的分離效率、空心球滑移速率或井筒壓力梯度試驗的進一步研究奠定了基礎。

(2)利用多梯度鉆井室內模擬試驗系統(tǒng)，對過濾分離器的分離效率進行測試，在現(xiàn)有試驗條件下過濾分離器的分離效率最高可以達到87%。

(3)過濾分離器的分離效率隨著泵排量、空心球質量濃度和直徑的增大而提高，隨著流體黏度和空心球密度的增大而降低。所以在滿足安全鉆井的條件下，可以適當提升泵排量和空心球質量濃度，或者選擇直徑較大或密度較小的空心球來提升過濾分離器的分離效率，從而能夠更好地發(fā)揮多梯度控壓鉆井的技術優(yōu)勢。