ZM―2型深水表层动态压井装置研究与应用
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摘 要 深水表层钻井中钻遇浅层流十分危险，表层动态压井装置是钻遇浅层流问题有效处理手段。本文从原理、特点以及关键装置等方面对zm-2型动态压井钻井装置进行了介绍，结合工艺流程，通过理论分析，得到了钻井液密度、排量、混配比，钻井液总需求量等参数的计算方法，同时配合实际应用，展示ZM-2型装置的优势。
关键词 ZM-2型动态压井设备 浅层流 深水 应用
中图分类号：TE52 文献标识码：A
1动态压井钻井的原理 计算与优势
1.1原理
动态压井钻井的实质是按比例将海水与加重钻井液基浆混合，使之达到预先设计好的大排量钻井所需的钻井液比重和流变性要求，通过改变海水和加重钻井液基浆的混合比例，改变经混浆装置出来的压井钻井液的密度和流变性。动态压井钻井技术本质上是一种双梯度钻井方式，适用于未下隔水管前的钻井。动态压井钻井所需密度及排量的基本原则：在该密度与排量下，井内的流动循环摩阻加液柱压力略大于地层孔隙压力而小于地层破裂压力。发现浅层流后，按照计量好的密度与排量迅速泵入环空进行压井。根据海上钻井的基本条件，压井液密度满足
Pr= 1gh1+pfr+ 2gh2 （1）
式中：Pr为浅层流地层压力（Mpa）； 1为动态压井钻井时的钻井液密度（g/cm3）；h1为泥线以下深度（m）； 2为海水密度（g/cm3）；h2为海水深度（m）。
1.2 加重钻井液与稀释液比例关系
动态压井钻进期间，推算出加重钻井液与稀释液海水的关系
V1/ V2=（ 1- ） /（ - 2） （2）
V= V1+V2 （3）
式中： 为压井液密度（kg/m3）； 1为加重钻井液密度（kg/cm3）；V1为加重钻井液体积（m3）； 2为稀释液密度（kg/cm3）；V2为稀释液体积（m3）；V为压井液体积（m3）。得出加重钻井液与稀释液关系。随着入井压井液的排量增大，海水稀释液和加重钻井液的需求量不断增加，且两者需求量差值在逐渐增大。
1.3钻井液基浆总需求量
动态压井钻进时，压井钻井液总需求量等于压井钻井期间消耗量与压井钻进前钻具内容积之和。
1.4优势
（1）可有效解决浅水流动诱发严重的井漏问题，对付浅气层、浅水层有效办法；（2）有效实施对当量钻井液密度控制，延伸表层套管下入深度，从而增加后续层段套管下入深度，有利于井身结构的优化；（3）减少工作船的钻井液运输量和储存量，节省平台空间，降低总体成本；（4）提高井壁稳定性，有利于提高表层井身质量，保证固井质量。
2 ZM-2型装置的研究
2.1 混合器喷嘴结构优化
动态压井装置的主要功能部件之一为混合器，可提供动态压井钻井作业所需要的混配功能，还能够提供剪切功能，核心部件喷嘴的设计更是决定混合器的混浆效果。综合优化选型最终确定C类作为ZM-2型装置的喷嘴。
2.2 ZM-2装置的特征
ZM-2装置的特征在于：它包括管状的混合装置本体，所述混合装置本体的周向分别通过接口连接高密度钻井液入口和海水入口，另一端设置有混合液出口，两所述接口的中心分别通过喉部安装横截面呈梅花状的喷嘴，两所述接口的轴线在所述混合装置本体的截面位置上相互错开90度，且嘴射流方向与所述混合装置本体的轴线方向垂直。本装置通过从两喷嘴喷出的两组高速低压流体相互错开，在混合装置本体的低速区域产生剪切混合，使混合组分的粒度减小，混合地更加均匀。采用本装置密度调节速度快，调整精度高，混合效果好，尤其是对于高粘度非牛顿流体加重钻井液与海水等具有良好的混合效果。
图1：剪切喷嘴 图2：ZM-2型混合装置本体
3现场应用
南海流花某井水深742m，海底泥线深度768m，一开导管喷射钻进至835.95m，二开设计中完井深1455m。开钻前进行数据模拟计算，假设钻进至1100m钻遇浅层流，需进行动态压井钻进，需要的压井液密度1.25g/cm3，稀释液密度1.03g/cm3，加重钻井液密度1.90g/cm3。本井在实际钻进中并未遇到浅层流。因裸眼段需垫入200m3密度为1.25g/cm3的压井液，现场仅备有加重钻井液密度1.90g/cm3，稀释液海水1.03g/cm3，需要使用ZM-2装置混出密度为1.25g/cm3的垫浆压井液200m3。加重钻井液总需求量50.57m3，稀释液总需求量149.43m3，现场入井压井液排量采用3.2m3/min。严格按照理论计算比例进行混浆后，取样检测发现压井液密度及性能完全符合实际需求，海上首次应用宣告成功。
4结论
动态压井钻井技术是解决深水表层钻遇浅层流问题的一种有效手段，是保证深水表层钻井作业高效顺利的一种有效措施。自主研发的ZM-2型动态压井装置完全能满足深海表层动态压井钻进的需求，成功打破国外对该项技术的垄断。ZM-2型动态压井装置在南海流花深水井得到成功应用。