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基于非光滑表面的反循环钻井弯管抗磨实验_朱丽红.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2023-05-25 基金项目:国家自然科学基金项目(51274235);海洋物探及勘探设备国家工程实验室重点科研平台基金专项课题(20CX02319A);教育部产学合作协同育人项目(220506517103435)作者简介:朱丽红(1982),女,山东新泰,博士,副教授,研究方向:石油工程方向的教学和科研工作,zhulihongjd_。引文格式:朱丽红,王京印,李之挚,等.基于非光
2、滑表面的反循环钻井弯管抗磨实验J.实验技术与管理,2023,40(11):35-39.Cite this article:ZHU L H,WANG J Y,LI Z Z,et al.Anti-wear experiment of reverse circulation drilling elbow based on non-smooth surfaceJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):35-39.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.
3、11.006 基于非光滑表面的反循环钻井弯管抗磨实验 朱丽红,王京印,李之挚,黄 勇(中国石油大学(华东)石油工程学院 非常规油气开发教育部重点实验室,山东 青岛 266580)摘 要:气体反循环钻井技术存在弯管刺漏问题,严重降低了钻孔时效。该文将仿生学中非光滑表面形态引用到弯管抗磨分析上,设计出具有一定分布特点的非光滑表面结构。搭建反循环钻井弯管非光滑表面抗磨实验系统,井底流场模拟器可还原携带岩屑的高速气流在井内的循环流场,对不同非光滑表面实验元件进行抗磨性分析。结果表明,圆形凹坑非光滑表面结构抗磨性最佳,并且凹坑直径越小、凹坑越密集,其抗磨性越好。改进弯管结构,在刺漏点增加可更换的盖板,并
4、将弯管内壁面和盖板底面分别加工成凸 C、沟 C、凹 C 非光滑表面,相同钻井条件下,凹 C 弯管抗磨性最大。实践表明,改进后弯管抗磨性增加,钻孔时效显著提高。关键词:反循环钻井;弯管刺漏;非光滑表面;抗磨性;结构改进 中图分类号:P634 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)11-0035-05 Anti-wear experiment of reverse circulation drilling elbow based on non-smooth surface ZHU Lihong,WANG Jingyin,LI Zhizhi,HUANG Yong(Key Labor
5、atory of Unconventional Oil&Gas Development,Ministry of Education,School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)Abstract:There is a problem of elbow washout in gas reverse circulation drilling technology,which seriously reduces the drilling effectiven
6、ess.The non-smooth surface morphology in bionics is applied to the anti-wear analysis of elbows and the non-smooth surface structure with certain distribution characteristics is designed.A non-smooth surface anti wear experimental system for reverse circulation drilling elbow is built,and a bottom h
7、ole flow field simulator to restore the circulating flow field of high-speed airflow carrying rock cuttings in the well is used.Based on the simulator,the anti-wear performance of different non-smooth surface experimental components are analyzed.The results show that the anti-wear of the circular co
8、ncave non-smooth surface structure is best.The smaller the concave diameter and the denser the concave,the better its anti-wear.The structure of the elbow is improved and a replaceable cover plate at the washout point is added.It is machined the inner wall of the elbow and the bottom surface of the
9、cover plate into convex C,groove C,and concave C non-smooth surfaces,respectively.Under the same drilling conditions,the concave C elbow is the highest anti-wear.Practice has shown that after improvement,the anti-wear of the elbow is increased,and the drilling effectiveness is significantly improved
10、.Key words:reverse circulation drilling;elbow washout;non-smooth surface;anti-wear;structure improvement 随着油气资源勘探开发难度的加大,气体反循环钻井技术应用优势越来越突出。其采用压缩空气作为循环介质,岩心沿钻具中心通道上返至地面,全程在封闭的双壁钻具内完成循环,岩心采取率高,对井壁无冲蚀,对低压、低渗地层“零污染”,已成为美国、加拿大等欧美国家最常用的地质勘探手段1-2。弯管是36 实 验 技 术 与 管 理 反循环排屑管道的重要组成部分,钻进产生的岩屑经高速气流携带流经双通道气水水龙头
11、再通过弯管进入排渣管,到达岩屑槽。岩屑颗粒对弯管磨损严重,根据河南某钼矿的实际钻进数据记录,平均每钻进 35 m,弯管即被含有岩屑的高速气流刺漏,使得钻进中频繁更换弯管,而弯管与双通道气水龙头组合复杂,拆卸困难,严重降低了钻孔时效3-7。因此,有必要改进弯管结构,改善其抗磨性能,提高钻进效率。国内外针对弯管寿命问题开展了一系列研究,但主要集中在弯管内壁面磨损量分析及固体颗粒对弯管刺漏位置的预测等,并在弯管刺漏点位置单纯增加弯管壁厚,效果均不理想8-10。NASA 研究中心 Walsh11-12最早进行改变表面微结构减小阻力的研究,为非光滑表面减阻技术奠定了基础。仿生学和摩擦学相关实践表明,与光
12、滑表面相比,非光滑表面具有降阻功能,因此具有更好的抗磨性。在寻求减少摩擦阻力方法时,发现很多水生动物和飞行动物以及一些生活在土中的生物,它们具有的非光滑表面阻力最小,并不是人们所臆想的光滑表面13-15。因此,本文将仿生学中非光滑表面形态引用到弯管抗磨分析上,搭建基于仿生学的非光滑表面反循环钻井弯管抗磨实验系统,并通过室内实验,对不同结构、不同尺寸的非光滑表面抗磨性能进行分析,优选出适用于反循环钻井弯管的非光滑几何表面形态,根据实验结果改进弯管结构,结合实际钻井条件,对改进弯管的抗磨性进行分析,有效地降低固相颗粒对弯管壁面的冲蚀磨损,延长弯管使用寿命。1 反循环钻井中弯管磨损 气体反循环钻井技
13、术对井壁无冲蚀,对低压、低渗地层“零污染”,是一种高效的绿色环保钻井方法16。整个循环系统在封闭条件进行,钻进系统结构如图 1所示。压缩空气从空压机输出经高压胶管进入双通道水龙头,进入双壁钻杆的环状通道,带动井下动力工具往复运动冲击钻头,工作后的气体经排气孔排出,携带岩屑进入中心通道上返,到达井口的双通道气水龙头,经弯管转向后排到岩样槽,完成全部反循环。高速气流携带岩屑颗粒在惯性力作用下,与弯管内壁面碰撞,冲蚀磨损严重,造成弯管刺漏,如图 2 所示,刺漏点位于弯管进气入口的正上方。弯管一旦刺漏,反循环系统不再封闭,需更换弯管,而水龙头与弯管组合结构复杂,拆卸困难,严重降低了钻进时效。因此有必要
14、针对弯管磨损问题开展研究,为改进现有弯管的结构提供理论依据。图 1 气体反循环钻进系统图 图 2 弯管磨损刺漏点 2 基于仿生学的非光滑表面弯管内壁面设计 从仿生学角度分析,为适应周边自然环境,生物体表面经过长期自然选择,形成具有不同非光滑表面的几何形态17-19,主要包括凹坑状,凸包状,波状和鳞片状 4 大类,部分生物示例及非光滑表面形态微观结构如图 3 所示20-21。生物体表非光滑表面优越的环境适应能力是由形状、尺寸等多种因素共同耦合作用形成的22。因此本文以海生、陆上等几种比较典型的动物体表为基础,对非光滑表面形态和尺寸进行分析,如表 1 所示。图 3 几种生物非光滑表面形态 朱丽红,
15、等:基于非光滑表面的反循环钻井弯管抗磨实验 37 表 1 几种典型非光滑表面形状和尺寸 典型生物表面 蛤蜊 人类牙齿 螳螂头部 螳螂背板 白贝壳 海生贝 形状 柱状凸起 圆柱状凸起 凸起 凹陷 圆形凹坑 圆圈沟槽 尺寸/m 50100 2030 5080 150-160 2030 50-60 密度/(个mm2)2040 1030 50 70100 10 3050 分布状态 均匀 均匀 阵状均布 阵状均布 随机 平行均布 在设计非光滑表面形态时,要考虑生物原型的尺寸、形态及密度,还要考虑材料本身的力学特性与生物原型材料的硬度、强度不同,确定设计原则为:试件的形态、尺寸与生物原型接近或相似;采用均
16、匀分布状态。本文结合工业加工的难易程度以及凹坑、沟槽形态的相似性,设计反循环弯管非光滑内壁面形态,包括正方形凸起、圆圈沟槽和圆形凹坑。微结构采用均匀分布状态。为便于进行冲蚀磨损实验,所有实验元件加工成圆柱形,直径为 60 mm,厚度为 10 mm,非光滑表面形状参数如表 2。根据表 2 参数,绘制的非光滑表面实验元件加工结构示意如图 4 所示,图 4(a)表 2 非光滑表面形状尺寸 非光滑表面形状 元件名称 微结构尺寸/mm 凸 A 边长 1,高 0.5,间距 1 凸 B 边长 2,高 1,间距 2 正方形凸起 凸 C 边长 3,高 1.5,间距 3 沟 A 槽深 0.5,宽 1,间距 1 沟
17、 B 槽深 1,宽 2,间距 2 圆圈沟槽 沟 C 槽深 1.5,宽 3,间距 3 凹 A 直径 1,深 0.5,间距 1 凹 B 直径 2,深 1,间距 2 圆形凹坑 凹 C 直径 3,深 1.5,间距 3 光滑平面 光平/图 4 非光滑表面实验元件结构 中凸 A、凸 B、凸 C 的边长、高、间距依次增大,图 4(b)中沟 A、沟 B、沟 C 的槽深、宽、间距依次增大,图 4(c)中凹 A、凹 B、凹 C 的直径、深、间距依次增大。3 非光滑表面抗磨实验 3.1 实验系统 考虑到反循环钻进系统的复杂性及弯管内壁非光滑表面加工的难度,搭建反循环钻井弯管非光滑表面抗磨实验系统,整个实验系统主要由
18、动力系统、测量系统、井底流场模拟器、排渣系统 4 大部分组成。实验台架由井底流场模拟器和固定支架组成,如图 5所示,井底流场模拟器底部连接进屑管,侧面连接进气管,上部连接排渣管。各个管路上连接相应的流量计和压力计。为便于观察进屑管内岩屑进入情况和方便井底流场模拟器的安装,井底流场模拟器与固定支架底板间由 4 根高度为 30 cm 的立柱连接,留有操作空间。图 5 非光滑表面抗磨实验台架 采用型号为 2VFC-6/8 电固风冷式空气压缩机提供动力,主要技术参数:公称排气压力 0.80 MPa、容积流量 6 m3/min、轴功率 37 kW 和钻速 980 r/min。井底流场模拟器是整个实验台架
19、的核心,由内管、外管和井底模拟钻头组成,内、外管组合模拟双壁钻杆。高速气流由进气管道进入,沿内外管环状间隙到达井底,与井底岩屑混合,沿中心通道上返,完成反循环钻进井底流场模拟,最后携带岩屑的高速气流经排渣38 实 验 技 术 与 管 理 管道排出。通过流量计和压力表控制循环流体参数,使其真实还原井底流场。图 5(b)为实验元件固定器三维剖面效果图,两个固定器由螺栓连接,中间放置槽内装有实验元件。为保证流体通畅,在放置非光滑表面实验元件的固定器内圆环上设有 5 个通风孔,如图 5(c)所示。固定器两端与排渣管相连,从安全和环保角度考虑,在固定器外套有厚壁筒形橡胶管,如图 5(d)所示。携带岩屑的
20、高速气流经排渣管进入固定器,完成对非光滑表面元件的冲蚀磨损后进入岩屑槽。3.2 实验结果分析 设置气体进口速度为 30 m/s,岩屑进口速度为30 m/s,岩屑质量流量为 0.05 kg/s,岩屑粒径为 1 mm,岩屑密度为 2 700 kg/m3,在完全相同的实验条件下,冲蚀 2 h 后,对比各个非光滑表面实验元件的磨损量。磨损后实验元件如图 6 所示,图 6(a)中沟槽宽度和深度变化明显,其中沟 A 型实验元件部分沟槽被冲蚀磨平;图 6(b)中正方形凸起元件与其他非光滑表面元件相比,冲蚀现象最明显,凸起部分被冲蚀成不同程度的变形,凸起越密集变形越明显;图 6(c)中的圆形凹坑元件,凹坑越密
21、集,磨损变化越不明显,随着凹坑直径的增大,存在着一定的扩径现象。对磨损后的实验元件称重,与实验前元件重量对比,得到磨损量(磨损前重量磨损后重量)如表 3 所示。图 6 磨损后的非光滑表面元件 表 3 不同非光滑表面元件的磨损量 元件 凸 A 凸 B 凸 C 沟 A 沟 B 沟 C 凹 A 凹 B 凹 C光涌表面磨损 量/g 51 47 43 35 31 29 21 17 1182 对比图 6 中磨损后的实验元件,可直观观察到正方形凸起元件磨损严重,圆圈沟槽元件磨损次之,圆形凹坑元件磨损最轻。为增加对比性,相同实验条件下,测量了光滑表面的磨损量,说明正方形凸起、圆圈沟槽和圆形凹坑三种非光滑表面结
22、构的抗磨性明显优于光滑表面的抗磨性。表 3 称重对比数据进一步证实了圆形凹坑是最佳抗磨形态,并且凹坑尺寸越小、凹坑越密集,抗磨性能越好。4 改进后的弯管结构 考虑到双通道气水龙头与弯管组合结构的复杂性,及弯管拆卸的难度,对反循环钻井弯管进行结构改进,如图 7 所示。在弯管刺漏点位置设置可更换的盖板,盖板通过螺栓固定在弯管外壁面上。弯管的内壁面和盖板底面分别加工成凸 C、沟 C、凹 C 非光滑表面,与表 2 中非光滑表面形状参数相对应。盖板可增加弯管易磨损位置的壁面厚度,一旦弯管内壁面磨损被刺漏,盖板底面非光滑表面也可提高其抗磨性,并且只需要更换新的盖板即可解决弯管磨损问题。图 7 双通道气水龙
23、头与改进后弯管结构图 加工出改进后的 3 种弯管,结合实际钻进条件,每种弯管工作 2 h 后发现,3 种改进的弯管盖板均未发生刺漏。卸下弯管和盖板,发现凸 C 弯管和沟 C弯管盖板底面存在冲蚀,凹 C 弯管盖板底面未被冲蚀。测量弯管磨损点的最大冲蚀深度,如表 4 所示。将改进后凹 C 弯管应用到某锰银矿,单孔最大钻进深度 130 m,弯管未发生刺漏,大大提高了钻进时效。朱丽红,等:基于非光滑表面的反循环钻井弯管抗磨实验 39 实践表明,改进后的弯管既考虑了磨损维修方便,又提高了使用寿命。表 4 不同类型弯管磨损点的最大冲蚀深度 冲蚀位置 凸 C 弯管 盖板 沟 C 弯管 盖板 凹 C 弯管 盖
24、板 凹 C 弯管内壁面最大冲蚀深度/mm 2.3 0.6 0 0.8 5 结论 本文针对反循环钻井中弯管刺漏问题,开展了基于非光滑表面的反循环钻井弯管抗磨实验研究,结合实际工程问题需求,将仿生学中非光滑表面形态应用到弯管抗磨分析上,设计了反循环钻井弯管非光滑表面抗磨实验系统。根据实验结果改进弯管结构,结合实际钻井条件进行弯管抗磨性分析,得出具体结论如下:(1)将仿生学中的非光滑表面形态用来提高弯管抗磨性,以海生、陆上等几种比较典型的动物体表为基础,对非光滑表面形态和尺寸进行分析,设计出具有一定分布特点的非光滑表面结构,并加工出实验元件。(2)搭建反循环钻井弯管非光滑表面抗磨实验系统,井底流场模
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