泵送钻井岩屑的流动形态及压力损失计算研究-辽宁化工2022年01期

摘      要：在渤海海域全面实施零排放的背景下，基于液压原理的密闭传输技术已成为钻井岩屑回收的重要方法。分析泵送钻井岩屑的流动形态以及准确地计算泵送钻井岩屑的压力损失，对于提升钻井岩屑的输送效率显得尤为重要。通过研究泵送钻井岩屑的流动形态，借鉴泵送混凝土压力损失的计算方法，采用3种方法分别计算出泵送钻井岩屑的全程压力损失，将其与现场实际监测结果进行对比分析，提出适用于密闭传输泵泵送钻井岩屑压力损失的计算方法，对钻井岩屑输送工艺设计、管线铺设、泵体选型具有一定的指导意义。

关  键  词：密闭传输;钻井岩屑;流动形态;压力损失

中图分类号：TE929     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）01-0100-04

随着海洋石油钻井规模不断扩大，钻完井废弃物对环境的影响越来越严重，渤海海域已全面实施零排放，在此背景下钻井废弃物的回收总量激增，受海洋钻井平台空间限制，需要对钻井废弃物及时转移和处理^[1-2]，当前主要使用的螺旋输送器存在搭接过长、收集占用空间大和劳动强度大等问题，为保障渤海油田勘探开发的顺利实施，基于液压原理的密闭传输技术已成为钻井岩屑回收的重要方法。因此提升钻井岩屑的可泵性以及输送效率十分重要，亟需解决的关键问题是如何准确地计算泵送钻井岩屑的压力损失^[3]。

泵送过程的压力损失主要包含3部分：钻井岩屑在水平泵管内流动产生的摩擦阻力损失;钻井岩屑在通过弯管、锥形管、橡胶软管时产生的阻力损失;钻f194243f4e66b8c8c6f6d1a9b2185b75井岩屑在垂直管内流动的压力损失^[4]。目前针对泵送钻井岩屑压力损失的研究较少，鉴于钻井岩屑的流变性和泵送性与混凝土相似，因此本文借鉴泵送混凝土压力损失的计算方法展开计算。国内外学者针对混凝土泵送压力损失做了许多研究，已经形成了相关技术规程和计算方法，常使用的计算方法为《混凝土泵送施工技术规程》计算方法^[5-6]。汪东坡和刘拓在《混凝土泵送施工技术规程》的基础上，考虑了垂直管道内的受重力作用的压力损失，将泵送压力损失分为水平管、弯头、垂直管3部分分别计算，最后计算出总压力损失^[7-8]。李悦等利用FLUENT软件进行混凝土在泵管内流动的数值模拟计算，将混凝土设为主相为水泥砂浆、次相为粗集料的两相流，得出混凝土在泵管内的沿程压力分布以及水平直管、弯管的压力损失^[9]。

因此，本文通过研究泵送钻井岩屑的流动形态，借鉴泵送混凝土的压力损失的计算方法，采用3种方法分别计算出泵送钻井岩屑的全程压力损失，将其与现场实际监测结果进行对比分析，提出适用于密闭传输泵泵送钻井岩屑压力损失的计算方法，为密闭传输技术的现场应用提供指导。

1  现场泵送钻井岩屑作业概况

某海洋平台泵送钻井岩屑的管道布置包括水平无缝钢管50 m，半径1 m的90°弯头7个，平台到工作船的泵送采用的垂直橡胶软管29 m，工作船上泵送钻井岩屑的水平橡胶软管15 m，全程泵管直径为100 mm，采用密闭传输泵进行泵送钻井岩屑作业，密闭传输泵的流量为30 m³·h^-1，即流速V=1.06 m·s^-1， 现场使用压力传感器监测泵口处压力为4.34 MPa。

2  泵送钻井岩屑的流动形态

钻井岩屑一般认为是泥浆与岩屑固体颗粒组成的流固两相流，由于固体颗粒间的相互作用，流体内部质点间或流层间因相对运动而产生剪切应力，流体黏度和流体性质也会发生变化，呈现出塑性流形态，钻井岩屑为非牛顿流体，一般认为属于宾汉姆流体^[10-11]，其流变方程为：

由宾汉姆流变方程可以看出，只有当剪切应力大于屈服剪切应力时，钻井岩屑才开始流动，而某一处的剪切应力小于或等于屈服剪切应力时，则会发生堵管现象。

圆管内钻井岩屑在压力作用下的流速分布有如下两种状态：

图1（a）是岩屑与管壁间作用的剪切应力大于附着力，钻井岩屑因而产生滑移，称之为有滑移的宾汉姆流体，常见的钻井岩屑的流动属于这种流动。其形成原因是泵送压力与管壁间的附着力共同作用使钻井岩屑内部形成不均匀的剪切力场，剪切力场由圆心处逐渐增大至泵管界面处的最大值，钻井岩屑内的泥浆在压力作用下挤向外围，而岩屑颗粒受剪切力作用运移至剪切力较小处，造成管壁处的泥浆量增大形成润滑层，而泥浆的屈服应力小于钻井岩屑的屈服应力，则更有利于泵送，因此在开始泵送作业之前，可先压送一定量的泥浆或岩屑沉降后的上层离析浆体，这样能够润滑管壁，大大降低堵管事故的发生。

图1（b）代表的是不饱和的固体黏塑性体的流动，当钻井岩屑的含水较低时，其抗剪强度比剪切应力大，岩屑沿管壁像塞子一样被挤出，其内部无相对运动，属于半固体流动，这时泵送钻井岩屑所需的泵送压力较高，不易泵送。

3  泵送钻井岩屑压力损失计算方法

本文采用3种压力损失计算方法计算上述泵送钻井岩屑管路的全程压力损失，通过对比研究得出适用于泵送钻井岩屑压力损失的计算方法。

3.1 《混凝土泵送施工技术规程》计算方法

该种方法的原理是将弯管和软管的长度换算成水平输送长度L，由《混凝土泵送施工技术规程》计算出钻井岩屑在水平输送泵管内流动时每米产生的压力损失△p_H，进而求出钻井岩屑通过整个泵管内的总压力损失p₁。泵管水平长度换算如表1所示。

截止阀和分配阀的压力损失采用《混凝土泵送施工技术规程》中的数值。取单个截止阀   Δp₃=0.05 MPa，单个分配阀 Δp₄=0.2 MPa。

3.2  基于《混凝土泵送施工技术规程》的改进方法

该方法是将泵送钻井岩屑的全程压力损失划分为3部分：水平管的压力损失p₁、附件压力损失p₂、垂直管压力损失p₃。

3.2.1  水平管压力损失

参照《混凝土泵送施工技术规程》计算方法，同时将水平软管换算成水平管长度，其中L为换算后的水平管长度，计算求得：

p₁=0.017 8×（50+20/6.5×29）=2.48 MPa。（8）

3.2.2  系统附件压力损失

系统附件压力损失包括弯管、分配阀、截止阀的压力损失，按照《混凝土泵送施工技术规程》将弯管换算成水平管，分配阀、截止阀的压力损失分别为0.2 MPa和0.05 MPa，求得：

p₂=0.0178×7×9+2×（0.2+0.05）=1.62 MPa。（9）

3.2.3  垂直管压力损失

在垂直管压力损失的计算上，海洋平台泵送钻井岩屑与泵送混凝土不同，全程不存在向上垂直泵送，在向下垂直泵送时，压力损失主要包括两部分，一是管道内壁的摩擦损失p₃₁，二是钻屑向下泵送时自身的重力势能会转变成动能做功p₃₂。

p₃₁=0.017 8×（20/6.5×15）=0.82 MPa; （10）

p₃₂=ρgh=1 600×10×29×10^-6=0.46 MPa; （11）

p₃=p₃₁-p₃₂=0.82-0.46=0.36 MPa。    （12）

由此可得总压力损失p：

p=p₁+p₂+p₃=2.48+1.62+0.36=4.46 MPa。（13）

3.3  基于FLUENT的数值模拟方法

Fluent数值模拟流程图如图2所示。

计算思路是将钻井岩屑视为主相为泥浆、次相为岩屑颗粒的流固两相流，采用欧拉多相流模型，湍流模型选用标准的k-ε 模型，同时考虑重力作用。主要计算步骤：建立模型→划分网格→模型导入Fluent设置求解参数→迭代计算→计算结果后处理分析。

按照某平台的实际管线铺设情况建立模型，划分网格后导入Fluent数值模拟软件，设置相关参数，将入口边界速度设为1.06 m·s^-1，出口边XxvOSaKjTyHYx1yV5j7zNZ85Whzl2uBxzpCNrUWILrE=界定义为压力出口，静压为0 MPa，模型初始化后开始求解计算，待计算完成后将计算结果导入CFD-Post进行后处理，查看静压力分布云图。其次，在进出口、弯管及垂直管路的进出口等位置分别设置截面，求取各截面的压力以及全程压力损失。各截面示意图如图3所示，压力分布云图如图4所示。

由全程压力云图可以看出，当泵口流速为  1.06 m·s^-1，即泵口流量为30 m³·h^-1时，钻井岩屑在泵口位置其沿程压力值最大，全程压力损失为  4.22 MPa。通过计算各截面的平均压力值，计算求得每米直管压力损失为0.034 MPa，每个弯头压力损失为0.06 MPa，每米垂直软管压力损失为   0.045 4 MPa，每米水平软管压力损失为0.049 MPa。

4  对比分析

3种计算方法所得的压力损失计算结果如表2所示。

由表2可以看出，泵送规程改进方法是在其基础上考虑了垂直向下泵送钻井岩屑时重力势能转化动能的因素，对《混凝土泵送施工技术规程》的计算结果进行了优化。数值模拟方法是将钻井岩屑视为主相为泥浆、次相为岩屑颗粒的流固两相流，采用欧拉多相流模型，考虑重力作用，模拟了钻井岩屑在泵管内的流动行为特征，流动状态更贴近现场实际。

5  结 论

1）泵送钻井岩屑的流动属于有滑移的宾汉姆流动，近管壁处形成的润滑层有利于钻井岩屑泵送，作业之前可以先压送一定量的泥浆或岩屑沉降后的上层离析浆体，这样能够润滑管壁，大大降低堵管事故的发生概率。

2）对比分析了3种泵送钻井岩屑压力损失计算方法，泵送规程改进方法和数值模拟方法的计算结果更贴合现场实测值，更适用于现场泵送钻井岩屑压力损失的计算，对钻井岩屑输送工艺设计、管线铺设、泵体选型具有一定的指导意义。

参考文献：

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[9]李悦，梅期威，王子赓，等. 泵送混凝土在泵管中流变性能的数值模拟研究[J]. 混凝土，2019（8）：119-121.

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[11]赵志缙.泵送混凝土的流动状态与压力损失[J].建筑机械化，1985（7）：4-7.

Research on the Flow Pattern and Pressure Loss Calculation Method of Pumped Drilling Cuttings

LIU Feng¹， YU Han¹，WANG Dong-sen¹， ZHANG Yu-chen¹， GUAN Yan-lei²， LIU Xiao-nian²， WANG Chao²

（1. CNOOC Tianjin Branch， Tianjin 300452， China;  2. Engineering Technology Branch of CNOOC Energy Development Co.， Ltd.， Tianjin 300452， China）

Abstract：  Under the background of zero emission in Bohai Sea， sealed transmission technology based on hydraulic principle has become an important way in drilling cuttings recovery. It is very important to analyze the flow pattern of drilling cuttings and accurately calculate the pressure loss of drilling cuttings for improving the efficiency of drilling cuttings transportation. In this paper， by studying the flow pattern of pumped drilling cuttings， drawing on the calculation method of pumping concrete pressure loss， three methods were used to calculate the pressure loss of pumped drilling cuttings throughout the process， and the results were compared with the actual monitoring results on site. A calculation method suitable for the pressure loss of drilling cuttings pumped by a closed transmission pump was proposed， which has certain guiding significance for the design of drilling cuttings transportation technology， pipeline laying， and pump body selection.

Key words：  Closed transmission; Drilling cuttings; Flow patterns; Pressure loss