水平定向钻进中钻屑运移研究综述_邓建清.pdf
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1、第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022水平定向钻进中钻屑运移研究综述邓建清1,黄胜1,2,3,4,倪芃芃1,2,3,4,郭成超1,2,3,4,马保松1,2,3,4(1.中山大学 土木工程学院,广东 珠海 519082;2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519082;3.广东省地下空间开发工程技术研究中心,广州 510275;4.广东省海洋土木工程重点实验室,广州 510275)摘要:水平定向钻进技术为管道
2、铺设提供了新方法,得到了广泛的工程应用。井眼清洁问题已成为该技术成功应用所面临的重要挑战。在土木和石油钻井领域,研究者们利用室内实验与数值模拟方法对钻屑运移问题进行了广泛的研究。为此,综述相关研究,为水平定向钻进中解决此类问题提供依据。从流动压降和钻屑运移两方面,分析了钻井浆液流速和流变性能、钻杆转速、环空偏心度、钻屑粒径等因素对井眼清洁的影响,进一步揭示了钻井浆液和钻杆旋转的影响机理。最后,总结室内试验与数值模拟研究成果异同,并为解决水平定向钻进中井眼清洁问题提供相关建议。关键词:水平定向钻进;井眼清洁;流动压降;钻屑运移;钻井浆液;钻杆旋转中图分类号:TU990.3文献标识码:A文章编号:
3、1673-0836(2022)增 2-0714-15Cuttings Transportation in Horizontal Directional Drilling:A ReviewDeng Jianqing1,Huang Sheng1,2,3,4,Ni Pengpeng1,2,3,4,Guo Chengchao1,2,3,4,Ma Baosong1,2,3,4(1.School of Civil Engineering,Sun Yat-Sen University,Zhuhai,Guangdong 519082,P.R.China;2.Southern Marine Science an
4、d Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai),Zhuhai,Guangdong 519082,P.R.China;3.Guangdong Research Center for Underground Space Exploitation Technology,Guangzhou 510275,P.R.China;4.Guangdong Key Laboratory of Oceanic Civil Engineering,Guangzhou 510275,P.R.China)Abstract:Horizontal directional drillin
5、g provides a new method for pipeline installation,which has been widely used in civil engineering.The borehole cleaning is an essential challenge for the successful application of this technology.In the field of civil and petroleum engineering,researchers have conducted extensive research about cutt
6、ings transportation using laboratory experiments and numerical simulation methods.Therefore,a review of related research has been conducted to provide a basis for solving such problems in horizontal directional drilling.From the aspects of flow pressure drop and drill cuttings transportation,the imp
7、act of drilling fluid flow velocity and rheological properties,drill pipe rotation speed,annular eccentricity,cuttings particle size and other factors for the borehole cleaning are summarized,and the mechanism of the impact of drilling fluid and drilling string rotation for the borehole cleaning are
8、 further revealed.Finally,the similarities and differences between laboratory tests and numerical simulation research results are discussed,and some suggestions for borehole cleaning in horizontal directional drilling are proposed.Keywords:horizontal directional drilling;borehole cleaning;frictional
9、 pressure loss;cuttings transportation;drilling fluid;drilling string rotation收稿日期:2022-04-15(修改稿)作者简介:邓建清(1996),男,江西吉安人,硕士生,主要从事非开挖水平定向钻井技术研究工作。E-mail:dengjq7 通讯作者:黄胜(1982),男,福建三明人,博士,副教授,主要从事非开挖技术研究。E-mail:huangsh98 基金项目:国家重点研发计划(2018YFC1802303);国家自然科学基金(51979254,52078506)0引言水平定向钻进(horizontal dire
10、ctional drilling,简称 HDD)是源于石油勘探行业的一种非开挖技术。因其对周围环境影响较小而被广泛用于各类管道的铺设1。HDD 的施工流程一般分为 3 个阶段:按照设计轨迹并利用导向钻头进行导向钻进。利用扩孔器逐级钻进扩孔直至目标孔径。利用钻机在钻孔中回拉管道。在导向孔钻进和扩孔阶段,钻头破碎岩土体产生大量的钻屑颗粒积聚在钻孔底部。在钻孔中堆积的钻屑颗粒难以被钻井浆液运移,形成固定钻屑床,引起动力增加、环空循环压力升高、机械卡钻等工程问题,最终导致工期延误,预算超标2-3。因而,井眼清洁效率低是造成孔内事故频发的重要原因,钻屑运移是 HDD 工程实践中亟需解决的重要问题。井眼清
11、洁是受多因素影响和耦合的工程问题,其影响因素主要分为:钻井浆液,包括钻井浆液的流速、密度、流变性能。钻屑颗粒,包括钻屑密度、粒径、浓度。作业参数,钻杆转速、钻速、环空井眼几何等4。其中,钻井浆液是清洁井眼的重要介质,需使其在钻具与钻孔环空中循环流动。钻井浆液主要由水、膨润土、小苏打和各类添加剂组成,在清除钻屑、润滑减阻、冷却钻头、保持钻孔稳定等方面发挥了重要作用5。本文利用室内试验和数值模拟相关研究成果,对钻井浆液流变性能、流动压降和钻屑运移研究内容进行了综述,分析了钻屑颗粒、钻井浆液、钻杆运动、井眼环空等因素的影响。本文探讨了钻屑颗粒浓度与钻井浆液流变性能之间的关系,进一步揭示了钻井浆液流速
12、和钻杆转速对流动压降和钻屑运移的作用机理。钻杆偏心度、钻屑粒径、井眼倾角等因素因在钻进作业中无法直接控制,作为次要因素进行研究。最后,根据综述结果提出展望,为HDD 工程施工中解决井眼清洁问题提供依据。1室内试验研究1.1室内各类实验简介相关的室内试验研究可以根据试验对象和目的可以分为钻井浆液流变性能试验、环空流动试验与钻屑运移试验。各类试验的初步简介如表 1所示。表 1三类室内试验简介Table 1Introduction to the three types of laboratory tests试验种类试验对象控制变量试验指标钻井浆液流变试验钻井浆液添加剂、钻屑浓度和粒径流变参数、塑性粘
13、度、表观粘度、动切力环空流动试验流动钻井浆液钻井液流量、钻杆运动、环空倾角等流动 压 降、环 空 流 速分布钻屑运移试验流动钻井浆液与钻屑颗粒钻井浆液、钻杆运动、钻屑颗粒钻屑 运 移 速 度、钻 屑运移 比 例、钻 屑 床 高度等钻井浆液的流变性能是指在外力作用下发生流动和变形的特征,与流动压降、钻屑排出密切密切相关,因而有必要对其进行研究。流变性能试验需按照 API 标准建议的步骤进行6。旋转粘度计被广泛用于测量流体流变性能,由电动机、恒速装置、变速装置、测量装置和支架箱体组成。试验中常用的钻井浆液为水基浆液,由水、各类高聚物添加剂、小苏打、膨润土组成。试验过程中需保证钻井浆液处于常温常压条
14、件下。为了模拟层流态的剪切速率,旋转粘度计设定的转速为 3,6,100,200,300,600 RPM。根据试验结果,一般采用塑性粘度、表观粘度、动切力和静切力等参数描述钻井浆液的流变性能。不同钻井浆液的流变性能不同,因此用流变模型对钻井浆液进行分类。经典的流变模型分为赫 巴模型、幂律模型和宾汉模型,如图1 所示。其中,y是赫 巴模型的动切力,K 是流体的稠度系数,n 是流体的流性指数,0是宾汉模型的动切力,p是塑性粘度。图 1各类流变模型关系曲线Fig.1Relationship curves of various rheological models5172022 年增刊 2邓建清,等:水
15、平定向钻进中钻屑运移研究综述流动压降是由于钻井浆液的粘稠性及其与环空井壁之间的摩擦而降低的流动压力,直接关系到钻井浆液的泵送压力7。环空流动试验被用于研究钻井浆液在环空间隙中流动的压力损失。环空流动试验系统较为复杂,主要包括管道环空流动装置(环空管道、储液罐和离心泵)、控制装置(用于控制浆液流量和钻杆运动的各类变频器,空调机组控制钻井浆液温度)、各类传感器(压力传感器和温度传感器)、数据采集端(手提电脑)。压力传感器一般布置在离进口端或出口端的一定距离处,以消除进出口端的影响。流动测试需要使用新鲜的钻井浆液。此外,还需在测试管段布设温度传感器,测试钻井浆液流动过程中的温度,以模拟恒温流动。通过
16、变频器和阀门调节环空管道中的流量直至达到所需流量。保持钻井浆液循环流动直至去除气泡,达到稳定流动状态。全过程开启数据采集终端采集流量、温度、压力等指标,最后记录浆液稳定流动时的数据。根据传感器两端的压力,得出流动压降。相关文献中,流动试验研究中模拟的环空参数、控制因素和分析指标总结如表 2 所示。其中,环空偏心度为内外管的圆心距与二者的半径之比,用百分率表示。环空倾角(90)为环空管道与竖直方向的夹角。钻屑运移试验用于分析钻井参数对钻屑排出的影响机理,是施工中清洁井眼的依据。现有大量的钻屑运移试验研究了钻井液、钻杆运动、环空偏心度、钻屑特征等因素对钻屑运移效果的影响。钻屑运移试验系统和环空流动
17、试验系统大体相似,还需钻屑注入与收集装置和钻屑运移捕捉装置。为了较为清楚地观察到钻屑运移过程,配置半透明至透明钻井浆液。此外,图像分析技术、粒子成像技术、粒子频谱技术被用于捕捉钻屑运移过程和速度。试验的一般流程为:在钻井浆液流动时注入钻屑,形成稳定钻屑床,并采集钻屑床初始高度和位移等数据。改变试验控制变量,如流量或流速、内管旋转速度、环空倾角等,捕捉钻屑运动过程图像,采集钻屑速度、钻屑床高度和位移等数据。钻屑运移效果常用钻屑运移速度、钻屑运移效率CTE(cuttings transport efficiency)、钻屑运移比例CTR(cutting transport ratio)、无因次钻屑
18、床高度等指标衡量。试验中注入的钻屑量为环空中堆积的钻屑量,收集的钻屑量为运移的钻屑量,通过称重注入钻屑量与收集钻屑量,进而得到钻屑运移效率或钻屑运移比例。无因次钻屑床高度定义为试验后钻屑床高度(H2)和试验前钻屑床高度(H10)的比值(H2H1100%),钻屑床高度(如图 2)通过处理图像得到。钻屑运移相关试验中的环空参数、控制因素、衡量指标归纳如表 3 所示。图 2钻屑床高度8Fig.2Cuttings bed height 81.2钻井浆液流变性能试验研究流变性能是钻井浆液的一项重要性质,决定了其携带钻屑的能力9-12。理想的钻井浆液流变性能应为:既能够维持足够大的剪切应力(动切力)以悬浮
19、钻屑,又能表现出足够低的粘度以便有效泵送。因而,现有的研究聚焦于钻井浆液体系的开发,以高分子聚合物、纳米颗粒和生物酶等作为处理剂从而改善钻井浆液的工作性能12-15。钻进过程中产生的小粒径钻屑颗粒与钻井浆液混合,进而影响钻井浆液的工作性能16-18。近年来,钻屑颗粒对钻井浆液流变性能的影响逐渐引起研究者们的重视。在钻井浆液流变性能相关试验中各类控制变量如表 4 所示。Sun 等19为研究水平定向钻进中钻屑侵入对低固相钻井浆液体系的影响,选用 0.07 mm 和 0.15 mm 的石英砂与水基钻井浆液混合,分析了钻屑粒径与浓度的影响。该试验得出:钻井浆液塑性黏度值随含砂量和粒径的增大而增大,而动
20、切力随粒径的增大而减小。但当砂粒含量大于 20%时,动切力随着砂粒含量增大而降低。Du 等20基于曲线拟合得到了流变参数,提出了流动特性指数和一致性系数的经验关联式。结果表明:稠度系数随钻屑量的增加和钻屑粒径的减小而增大。随着钻屑量的增加和钻屑粒径的减小,流性指数呈下降趋势。Cayeux 等21引入了最大堆积比例浓度,用以表征钻井浆液能够悬浮的最大钻屑浓度,该浓度只与钻屑粒径相关。研究617地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷结果表明:随着固体颗粒浓度的增加,钻井浆液的流变行为呈指数增长。细颗粒比粗颗粒的有效粘度增加幅度更大。对于粒径45 m,当固体颗粒浓度为 3%9%时,随着粒径增
21、大,稠度系数减小。Bageri 等22研究了砂岩地层中不同矿物组分的钻屑颗粒对钻井浆液的影响。研究结果表明,钻屑颗粒有利于提高钻井浆液的流变性能。当钻屑浓度低于 15%时,含泥质钻屑颗粒的钻井浆液流变性能最好,因为增加粘土颗粒含量能够提高其流变性能。Minakov 等23通过室内试验研究了不同种类和粒径的纳米颗粒的影响。结果表明:纳米颗粒能够显著改变钻井浆液的流变性能。随着纳米颗粒或浓度的增加,钻井浆液的塑性粘度和动切力增加,而流性指数减小。根据研究结果可以得出:钻井浆液的流变性能受到钻屑颗粒的粒径和浓度的影响。在一定浓度范围内,动切力和粘度随着钻屑颗粒浓度的增加而增大,钻井浆液的流变性能得到
22、改善。钻屑颗粒与钻井浆液混合增加了浆液体系中固体与液体之间的接触概率,从而导致二者之间的内摩擦力增大,有利于提高钻井浆液的空间网架结构强度,增大钻井浆液的动切力。超过一定浓度范围后,钻井浆液的流变性能逐渐降低。这是由于钻屑受到重力而下沉,钻井浆液的空间网络结构受到严重破坏,其流变性能减弱。1.3环空流动试验研究HDD 施工过程中需要保持一定的浆液压力,其主要作用分别是:排除钻屑;保持钻孔稳定性,防止钻孔坍塌24-25。对钻井浆液流动压降的不良预估,会造成设计的泵压不足以克服流动阻力,进而导致钻孔中钻屑无法及时排除,引起钻孔坍塌、卡钻和铺管失败等工程事故3。此外,钻井浆液作为一种非牛顿流体具有较
23、复杂的流变性能,在钻孔环空中循环时流动规律更为复杂26。因此,有必要对钻井浆液的环空流动进行研究,分析其流动规律,以准确预估流动压降。以往的理论研究中,主要是对环空层流的流场分布规律进行分析,得到环空流速剖面,如图 3 所示38-41。根据相关的钻井浆液流态模型,建立了流动压降的理论计算模型42-45。此外,研究者们分析了钻井浆液流速、钻杆转速、偏心度等因素的影响43,46-47。表 2环空流动试验简介Table 2Introduction to annular flow tests作者(年份)环空直径比环空偏心度/%环空倾角/()环空长度/m控制因素分析指标Ahmed et al.(2008
24、)270.50(19.00 mm38.10 mm)0、100903.00钻杆转速流动压降Ozbayoglu et al.(2010)260.62(45.72 mm73.91 mm)无无3.66钻杆转速摩范宁摩擦系数Sorgun et al.(2011)280.62(45.72 mm73.91 mm)0、10090无钻井浆液流变性能、偏心度流动压降Kelessidis et al.(2011)290.57(40.00 mm70.00 mm)0、100905.00钻井浆液流速、环空偏心度流动压降Ali et al.(2014)300.75(50.00 mm67.00 mm)10030、9012.0
25、0环空形状、钻井浆液流速流动压降Erge et al.(2014)310.5(50.80 mm20.40 mm)1009028.73钻杆转速、钻杆屈曲流动压降Isabele et al.(2016)320.5(50.00 mm100.00 mm)0、0.46902.45环空偏心度、钻杆转速流动压降7172022 年增刊 2邓建清,等:水平定向钻进中钻屑运移研究综述表 3钻屑运移试验简介Table 3Brief introduction of cuttings transportation tests作者(年份)环空直径比环空偏心度(%)环空倾角()环空长度/m控制因素衡量指标Walker et
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