CN108176264B - 多相体系钻井液混合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相体系钻井液混合器，包括：舱体、海水入口、基浆入口、添加剂入口、混合液出口；添加剂入口、混合液出口分别与舱体两端相连，海水入口、基浆入口位于舱体靠近添加剂入口一端且分居舱体两侧；舱体与海水入口间设有海水喷嘴，舱体与基浆入口间设有基浆喷嘴，舱体与添加剂入口间设有分流结构；海水喷嘴、基浆喷嘴均与舱体正对偏心设置；海水入口、基浆入口和添加剂入口将海水、基浆和添加剂通过喷嘴汇入舱体进行混合；混合后的混合液通过出口排出。相对于现有技术，所述多相体系钻井液混合器可以使流体加速增加湍流度，扭转使流体形成一次漩涡和增大剪切接触面积，更有利于混合。

Description

多相体系钻井液混合器

技术领域

本发明属于钻井技术领域，具体地，涉及一种多相体系钻井液混合器。

背景技术

在深水表层钻井中，由于深水海底常常潜伏着浅层流、浅层气。海底浅部地层地质年龄轻，压实时间短，造成安全密度窗口窄，地层渗透率一般较高等问题。钻井液平衡钻井已经是目前国际上成熟的钻井技术，在深水钻井中平衡钻井技术利用海水和钻井液的静压力来平衡底层压力，保证钻井的正常进行。在深水钻井时使用的钻井液，采用动态混合调节的方法制备，即将配好的基浆(重钻井液)、海水以及添加剂按钻井要求随时动态混合，并准确调节钻井液密度。高效混合器是实现这种方法的重要装置，它的混合效率直接影响着压井液的均匀性，从而影响动态压井的可靠性。混合器要求简单可靠、无运动部件、控制方便，整个系统具有很高的可靠性。

现有混合器存在结构复杂，体积大，不易安装等问题。并且喷嘴喷出的高速流体会在舱内产生非弹性碰撞，尤其是两相流体入口流量接近时，两相流体碰撞会形成径向流，直接流出混合器，碰撞亦导致高速流体动量损失，流体的高速低速剪切是混合的重要因素，动量损失也将影响混合的高效性，不能确保各种排量、混配比和三相流体混合下的均匀混合。

发明内容

为解决上述工程问题，实现对多相体系钻井液的高效均匀混合，本发明提供一种多相体系钻井液混合器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

多相体系钻井液混合器，包括：舱体、海水入口、基浆入口、添加剂入口、混合液出口；添加剂入口、混合液出口分别与舱体两端相连，海水入口、基浆入口位于舱体靠近添加剂入口一端且分居舱体两侧；舱体与海水入口间设有海水喷嘴，舱体与基浆入口间设有基浆喷嘴，舱体与添加剂入口间设有分流结构；海水喷嘴、基浆喷嘴均与舱体正对偏心设置，最优偏心距为垂直混合舱投影上无相交部分时的距离；海水入口、基浆入口和添加剂入口将海水、基浆和添加剂通过喷嘴汇入舱体进行混合；其中不需要时添加剂时可关闭添加剂入口，完成基浆和海水的混合；混合后的混合液通过出口排出。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、所述多相体系钻井液混合器，其喷嘴与舱体成T型，两喷嘴正对并与舱体的轴向线垂直且处于喷嘴刚好错开偏心位置，喷嘴采用缩径扭转结构，扭转角度为15-25度，缩径可以使流体加速增加湍流度，扭转使流体形成一次漩涡和增大剪切接触面积，更有利于混合。

2、喷嘴直接焊接到舱体，喷嘴直接焊接到舱体，该设计可以减小混合器的体积，并减少高速流体射出喷嘴后与喷嘴后流道内同类流体无效混合而降低流速从而降低湍流度。

3、喷嘴偏心式设计可以避免正对式T型混合器两种流体在混合器内产生非弹性碰撞，减少动量损失以及碰撞后产生的径向流，导致流体直接流出混合器，更有利于喷出的高速流体直接与舱内的低速流体产生剪切，并形成二次漩涡，增加流体在混合器内的混合时间，使流体高效混合，该混合器不受排量混配比等因素的影响。

4、添加剂入口采用分流结构，可以将添加剂分流至混合器壁处，使添加剂汇入高速流出的海水和基浆，在舱内漩涡内混合，避免添加剂直接从混合器中心流过减少混合时间，使三相混合更加均匀。

附图说明

图1为自反馈多相钻井液混合系统结构示意图；

图2为自反馈多相钻井液混合系统工作流程示意图；

图3为多相体系钻井液混合器剖视示意图；

图4为多相体系钻井液混合器右视示意图；

图5为多相体系钻井液混合器喷嘴示意图；

图6为多相体系钻井液混合器喷嘴形状示意图；

图7为多相体系钻井液混合器添加剂入口剖面示意图；

图8为多相体系钻井液混合器轴线方向密度变化示意图；

图9为多相体系钻井液混合器出口不同混配比平均密度及均方差；

图10为多相体系钻井液混合器三相混合密度变化示意图；

图中：1a、海水池，1b、基浆池，1c、添加剂池，2a、砂浆泵，2b、剪切泵，2c、离心泵，3a、第一溢流阀，3b、第二溢流阀，3c、第三溢流阀，4a、第一流量计，4b、第二流量计，4c、第三流量计，5a、第一控制阀，5b、第二控制阀，5c、第三控制阀，6、混合器，7、密度自反馈模块，8、现场控制箱，9、远程水力参数设计计算控制模块，海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b、舱体602、海水入口603、基浆入口604、添加剂入口605、混合液出口606、分流结构607。

具体实施方式

如图1所示，自反馈钻井液混合系统，包括：混合器6、海水池1a、基浆池1b、添加剂池1c；海水池1a通过第一管路与混合器6相连，基浆池1b通过第二管路与混合器6相连，添加剂池1c通过第三管路与混合器6相连；其中，海水池1a容纳海水，用于给第一管路提供海水原料；基浆池1b容纳基浆池，用于给第二管路提供基浆原料，并破坏高粘流体的网状结构；添加剂池1c容纳添加剂，用于给第三管路提供添加剂原料；海水、基浆、添加剂进入混合器6混合后经密度自反馈模块7进入泥浆池或者泥浆泵管汇。

第一管路上由海水池1a至混合器6方向依次安装砂浆泵2a、第一流量计4a和第一控制阀5a；其中，砂浆泵2a和第一流量计4a间设有溢流回流旁路，溢流回流旁路连接至海水池1a，溢流回流旁路上设有第一溢流阀3a；砂浆泵2a抽取海水进入第一管路，第一流量计4a测量第一管路中海水流量，第一溢流阀3a工作时打开，海水溢流回海水池1a中。

第二管路上由基浆池1b至混合器6方向依次安装剪切泵2b、第二流量计4b和第二控制阀5b；其中，剪切泵2b和第二流量计4b间装有溢流回流旁路，溢流回流旁路上设有第二溢流阀3b，溢流回流旁路连接至基浆池1b；剪切泵2b抽取基浆进入第二管路，第二流量计4b测量第二管路中基浆流量，第二溢流阀3b工作时打开，基浆溢流回基浆池1b中。

第三管路上由添加剂池1c至混合器6方向依次安装离心泵2c、第三流量计4c和第三控制阀5c；其中，离心泵2c和第三流量计4c间设有溢流回流旁路，溢流回流旁路连接至添加剂池1c，溢流回流旁路上设有第三溢流阀3c；离心泵2c抽取添加剂进入第三管路，第三流量计4c测量第三管路中添加剂流量，第三溢流阀3c工作时打开，添加剂溢流回添加剂池中。

第一管路中的第一流量计4a、第二管路中的第二流量计4b、第三管路中的第三流量计4c通过有线或者无线的方式与现场控制箱8连接；第一管路中的第一控制阀计5a、第二管路中的第二流量计5b、第三管路中的第三流量计5c通过有线或者无线的方式与现场控制箱8；密度自反馈模块7通过有线或者无线的方式与现场控制箱8连接；现场控制箱8与远程水力参数设计计算控制模块9通过有线或无线的方式连接。第一管路中的第一流量计4a向现场控制箱8传输海水流量信号，现场控制箱8将海水流量信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9；远程水力参数设计计算控制模块9传输控制信号到现场控制箱8，现场控制箱8将控制信号传输至第一控制阀控制5a调节海水流量。第二管路中的第二流量计4b向现场控制箱8传输基浆流量信号，现场控制箱8将基浆流量信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9，远程水力参数设计计算控制模块9传输控制信号到现场控制箱8，现场控制箱8将控制信号传输至第二控制阀控制5b调节基浆流量。第三管路中的第三流量计4c向现场控制箱8传输添加剂流量信号，现场控制箱8将添加剂流量信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9；远程水力参数设计计算控制模块9传输控制信号到现场控制箱8，现场控制箱8将控制信号传输至第三控制阀控制5c调节添加剂流量。密度自反馈模块7将混合器出口密度信号传输给现场控制箱8，现场控制箱8将密度信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9。

现场控制箱8可以读取海水、基浆和添加剂流量以及混合器出口混合液密度，并能手动调节控制阀开度。远程水力参数设计与计算模块9可手动输入所需钻井液密度指令，也可以根据地层压力计算所需钻井液密度，并根据钻井液密度计算出所需海水、基浆及添加剂排量。

如图1、图2所示，远程水力参数设计与计算模块9可手动输入所需钻井液密度指令，或根据地层压力，利用远程水力参数设计与计算模块9进行设计计算钻井液密度，设计出基浆、海水和添加剂的比例及所需排量，通过第一管汇将海水、第二管汇将基浆和第三管汇将添加剂汇入混合器6，根据计算数据调整第一控制阀5a开度调节海水流量，调整第二控制阀5b开度调节基浆流量，调整第三控制阀5c开度调节添加剂流量。第一流量计4a将海水流量、第二流量计4b将基浆流量、第三流量计4c将添加剂流量数据传输给控制模块9与设计参数对比，进一步调整控制阀开度，直至海水、基浆、添加剂达到计算排量。当海水混配比小时，第一控制阀5a开度小，泵压升高，第一溢流阀3a打开，海水回流至海水池1a中；当基浆混配比小时，第二控制阀5b开度小，泵压升高，第二溢流阀3b打开，基浆回流至基浆池1b中；当添加剂混配比小时，第三控制阀5c开度小，泵压升高，第三溢流阀3c打开，添加剂回流至添加剂池1c中，实现海水、基浆和添加剂各种配比和排量的混合；密度自反馈模块7将混合器出口密度信号传输给现场控制箱8，现场控制箱8将密度信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9与指令或设计密度对比，达不到预期值重新计算海水、基浆和添加剂排量，形成闭环，直至密度达到要求，满足现场钻井需求，并可根据密度反馈值，及时发现流量计误差加以修正。

可以理解，当无需添加剂时，可将第三管路中添加剂入口12关闭，设计出基浆、海水的比例及所需排量，通过第一管汇将海水和第二管汇将基浆汇入混合器6，根据计算数据调整第一控制阀5a开度调节海水流量，调整第二控制阀5b开度调节基浆流量。第一流量计4a将海水流量和第二流量计4b将基浆流量数据传输给控制模块9与设计参数对比，进一步调整控制阀开度，直至海水、基浆达到计算排量。当海水混配比小时，第一控制阀5a开度小，泵压升高，第一溢流阀3a打开，海水回流至海水池1a中；当基浆混配比小时，第二控制阀5b开度小，泵压升高，第二溢流阀3b打开，基浆回流至基浆池1b中，实现海水和基浆各种配比和排量的混合；密度自反馈模块7将混合器出口密度信号传输给现场控制箱8，现场控制箱8将密度信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9与指令或设计密度对比，达不到预期值重新计算海水、基浆和添加剂排量，形成闭环，直至密度达到要求，满足现场钻井需求，并可根据密度反馈值，及时发现流量计误差加以修正。

如图3所示，混合器6，包括：舱体602、海水入口603、基浆入口604、添加剂入口605、混合液出口606；添加剂入口605、混合液出口606分别与舱体602两端相连，海水入口603、基浆入口604位于舱体602靠近添加剂605入口一端且分居舱体602两侧；舱体602与海水入口603间设有海水喷嘴601a，舱体602与基浆入口603间设有基浆喷嘴601b，舱体602与添加剂入口605间设有分流结构607；如图4所示，海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b均与舱体正对偏心设置，最优偏心距为垂直混合舱投影上无相交部分时的距离；海水入口603、基浆入口604和添加剂入口605将海水、基浆和添加剂通过喷嘴汇入舱体进行混合；其中不需要时添加剂时可关闭添加剂入口605，完成基浆和海水的混合；混合后的混合液通过出口606排出。

如图5所示，海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b结构相同，均为哑铃形状，哑铃形状可以增大剪切区域，喷嘴形状属于现有技术；如图6所示，海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b入口采用哑铃型状扭转缩径结构，扭转角度为15-25度，缩径使流体加速增加湍流度，扭转可以增大剪切面积，并形成一次漩涡；海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b最短的厚度为8-10cm，既能保证形成高速流体和漩涡，又能使体积较小；海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b直接与舱体直接连接省去出口处低效混合区域，确保高速流体的湍流度，并使结构更加紧凑；偏心结构使两种流体在混合器内形成二次漩涡，漩涡有利于增加两种组分在舱内的接触时间和接触面积；这种结构利于两种组分体积扩散的方式在相互占有的空间内发生运动，流体受剪切、挤压、拉伸等作用，达到均匀分布，并避免高速流体在舱内产生非弹性碰撞，高速流体直接与舱体内的低速流体剪切混合，减少动量损失，增加流体在混合器内的混合时间，使两种流体更高效的混合，可以满足各种排量和混配比的需求。本发明结构更加紧凑，安装方式(水平、竖直)不受影响，节省海洋平台空间，可以使安装更加方便，节省安装时间。

如图7所示，添加剂入口采用分流结构607，分流结构607内部为圆台形，靠近添加剂入口位置为半球形，外部为空圆台形，外部小头与添加剂入口连接，大头与混合舱连接，分流结构内部与外部用4个矩形块连接在一起，分流结构可以将添加剂分流至混合器壁面处，使添加剂汇入高速流出的海水和基浆，在舱内漩涡内混合，避免添加剂直接从混合器中心流过减少混合时间，使三相混合更加均匀。

如图1、图2所示，采用上述自反馈钻井液混合系统进行混合钻井液的方法，步骤如下：

1、水力参数设计计算控制模块9得到所需钻井液密度指令，或根据地层压力，利用水力参数设计与计算模块9进行设计计算钻井液密度，并设计出海水、基浆及添加剂的比例及所需排量；

钻井液混合系统的水力参数设计计算控制模块9，根据地层压力计算压井所需泥浆密度及排量的原则是：在该密度与排量下，井内的流动循环摩阻加液柱压力等于地层孔隙压力而小于地层破裂压力；根据海上钻井的条件，压井液密度满足：

P_r≤P_wf＝ρ_mgh+P_fr+ρ_swgh_sw

式中：

P_r——地层压力，Pa；

P_wf——井底压力，Pa；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

h——泥线距井底深度，m；

P_fr——环空摩阻，Pa；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

环空摩阻的计算用以下公式：

式中：

D_wi——第i段井筒直径，m；

D_p——钻杆外径，cm；

Dc——钻铤外径，cm；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

μ——泥浆塑性粘度，Pa·s；

Q——排量，L/s；

H_i——第i段井筒长度；

B——常数，内平钻杆B＝0.51655，贯眼钻杆B＝0.57503；

最大终了泥浆密度根据地层破裂压力求得：

式中：

h——泥线距井底深度，m；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

ρ′_m——终了泥浆密度，kg/m³；

P_f——地层破裂压力，MPa；

在调节钻井泥浆密度的同时，需要对动态压井排量进行控制。实现压井所需钻井液排量为：

式中：

P_r——地层压力，Pa；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

h——泥线距井底深度，m；

μ——泥浆塑性粘度，Pa·s；

D_wi——第i段井筒直径，m；

D_p——钻杆外径，cm；

D_c——钻铤外径，cm；

h_i——第i段井筒长度；

B——常数，内平钻杆B＝0.51655，贯眼钻杆B＝0.57503；

保证井筒安全的最大钻井排量为：

钻井液排量还应满足携岩要求,达到携岩要求所需最小排量为：

式中：

Q_a——满足携岩要求的最小排量，L/s。

D_w——井筒直径，cm；

D_p——钻杆外径，cm；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

加重钻井液与海水的排量可用如下公式进行计算：

ρ_m(Q₁+Q₂+Q₃)＝ρ₀Q₁+ρ_swQ₂+ρ_tjQ₃

Q＝Q₁+Q₂+Q₃

Q₂＝aQ₃

式中：

a为所需预设海水与添加剂比例，无因次；

ρ₀加重钻井液基浆密度，kg/m³；

ρ_tj添加剂密度，kg/m³；

Q₁为加重钻井液基浆排量，L/s；

Q₂为海水排量，L/s；

Q₃为添加剂排量，L/s；

2、根据远程水力参数设计与计算模块9计算出的排量、比例数据调整第一控制阀控制海水流量、第二控制阀控制基浆流量、第三控制阀控制添加剂流量；

3、当海水需求流量小时，第一控制阀5a开度变小，砂浆泵2a泵泵压升高，第一溢流阀3a打开泄压，回流海水至海水池1a中；当基浆需求流量小时，第二控制阀5b开度变小，剪切泵2b泵压升高，第二溢流阀3b打开泄压，回流基浆至基浆池1b中；当添加剂需求流量小时，第三控制阀5c开度变小，离心泵2c泵压升高，第三溢流阀3c打开泄压，回流添加剂至添加剂池1c中；

4、第一流量计4a将海水流量、第二流量计4b将基浆流量、第三流量计4c将添加剂流量数据传输给控制模块9与设计参数对比，进一步调整控制阀开度，直至海水、基浆、添加剂达到计算排量；

5、海水通过第一控制阀5a、基浆通过第二控制阀5b及添加剂通过第三控制阀5c后在混合器混合；

6、混合器出口密度自反馈模块7将所测密度反馈给控制模块与指令或设计密度对比，不能达到预期值时再次调整控制阀开度，形成闭环，直至密度达到要求，满足现场钻井需求，并可根据密度反馈值，及时发现流量计误差加以修正。

实验及模拟验证：如图8所示，基浆密度2.0g/cm³,海水密度1.025g/cm³，同在3:2混配比的条件下，不同排量下基浆和海水经混合器混合后的混合器轴线上的密度变化图。压井时是根据钻井液当量密度和环空循环摩阻来满足压井的需求。循环摩阻就与排量有着密切的联系，所以混合器必须能够满足混合不同排量钻井液的需求。尤其是在遇到突发情况需要大排量的时候，更是考验混合器的可靠性。从图8中可以混合器在20L/s-100L/s的排量下都可以快速的将基浆和海水在混合器内混合均匀并达到稳定。如图9所示：在排量为50L/s的情况下，不同基浆和海水混配比的条件下，理论混合后密度和模拟实验的混配密度及均方差，可以看出混合器出口密度与理论值误差微小并且稳定，可以满足现场需求。如图10所示：在海水30L/s，基浆20L/s，添加剂5L/s时混合混合效果图，均匀取x为中心轴线密度变化、x1-x8分别为混合舱内中心圆形截面上圆上均匀取8个点的混合舱内部轴向线密度变化，混合器长0.5m，可见混合出口处密度已混合均匀。

Claims (1)

1.一种多相体系钻井液混合器，包括：舱体、海水入口、基浆入口、添加剂入口、混合液出口，其特征在于：添加剂入口、混合液出口分别与舱体两端相连，海水入口、基浆入口位于舱体靠近添加剂入口一端且分居舱体两侧；舱体与海水入口间设有海水喷嘴，舱体与基浆入口间设有基浆喷嘴，舱体与添加剂入口间设有分流结构；海水喷嘴、基浆喷嘴均与舱体正对偏心设置，且海水喷嘴和基浆喷嘴的偏心距为其在垂直于混合舱投影上无相交部分的距离，偏心结构使两种流体在混合器内形成漩涡，漩涡有利于增加两种组分在舱内的接触时间和接触面积，有利于两种组分体积扩散的方式在相互占有的空间内发生运动，流体受剪切、挤压、拉伸作用，达到均匀分布，并避免高速流体在舱内产生非弹性碰撞，高速流体直接与舱体内的低速流体剪切混合，减少动量损失，增加流体在混合器内的混合时间，使两种流体更高效的混合；海水入口、基浆入口和添加剂入口将海水、基浆和添加剂通过喷嘴汇入舱体进行混合；其中不需要时添加剂时可关闭添加剂入口，完成基浆和海水的混合；混合后的混合液通过出口排出；海水喷嘴、基浆喷嘴结构相同，均为哑铃形状，海水喷嘴、基浆喷嘴入口采用哑铃型状扭转缩径结构，扭转角度为15-25度；海水喷嘴、基浆喷嘴最短的厚度为8-10cm；添加剂入口采用分流结构，分流结构内部为圆台形，靠近添加剂入口位置为半球形，外部为空圆台形，外部小头与添加剂入口连接，大头与混合舱连接，分流结构内部与外部用4个矩形块连接在一起，分流结构可以将添加剂分流至混合器壁面处，使添加剂汇入高速流出的海水和基浆，在舱内漩涡内混合，避免添加剂直接从混合器中心流过减少混合时间，使三相混合更加均匀。

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