摘 要

摘　要：隨著我國薄層低壓油氣藏的開發(fā)需求，充氣欠平衡鉆水平井技術(shù)成為國內(nèi)外鉆井界關(guān)注的熱點，井眼凈化不暢造成鉆具摩阻扭矩的增大嚴重制約著水平井眼的延伸能力，氣液固復(fù)雜多

摘　要：隨著我國薄層低壓油氣藏的開發(fā)需求，充氣欠平衡鉆水平井技術(shù)成為國內(nèi)外鉆井界關(guān)注的熱點，井眼凈化不暢造成鉆具摩阻扭矩的增大嚴重制約著水平井眼的延伸能力，氣液固復(fù)雜多相流動，特別是認識固相運移規(guī)律是欠平衡條件下巖屑運移的核心內(nèi)容。為此，在分析水平井與直井多相流條件下的巖屑受力與運移規(guī)律異同的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣液固流動機理以及大平面沙丘顆粒運移理論，利用大型多相流實驗臺架開展了水平井段巖屑運移可視化實驗，研究巖屑受力、運移形式及動態(tài)運移規(guī)律，獲得了井眼凈化注液量、注氣量、液體流速、巖屑濃度等數(shù)據(jù)，進而對比找到了模擬攜巖臨界速度與實測攜巖臨界速度的誤差，用實測速度修正了水平井井筒攜巖臨界速度預(yù)測數(shù)學(xué)模型，研究出了能夠滿足現(xiàn)場施工設(shè)計需要的鉆進和循環(huán)工況的攜巖速度模型和巖屑動態(tài)運移規(guī)律，對于優(yōu)化鉆井施工參數(shù)以及降低鉆井安全風(fēng)險均有重要意義。

關(guān)鍵詞：欠平衡  水平井  多相流  攜巖  巖屑運移  懸浮  滾動  躍移  可視化實驗

A visualization experiment of cuttings transport in underbalanced horizontal wells

Abstract：With the increasing demand for thin-layer and low-pressure hydrocarbon reservoir development，aerated underbalanced horizontal drilling has become the focus in the drilling circle all over the world．The extension capacitv of horizontal wells is seriously restricted by increased friction and torque due to poor borehole cleaning．Therefore，it is essential to learn about the gas liquid-solid muhiphase flow，especially the solid transport law，and thereby，to study how the cuttings transport under the underbalanced conditions．In view of this，we firstly analyzed the similarities and differences of horizontal and vertical wells in the cuttings force and transport law under the muhiphase flow condition．Based on the gas-liquid solid flow mechanism and large plane dune Darticle transport theory，a visualization experiment was conducted of cuttings transport in horizontal section on a large multiphase flow experimental bench，so as to study the cuttings force，transport form and dynamic transport law．Data including borehole cleaning liquid injection，gas injection，liquid flow，and cuttings concentration were obtained．Moreover，by comparison，the error was found between the simulated critical cuttings carrying velocity and the experimental one．The experimental velocity was used to modify the critical cuttings carrying mathematical model for horizontal wells．Finally，the cuttings carrying model and dynamic cuttings transport law were established，satisfying the drilling and circulation conditions required in the field construction and design，which is significantly important to optimize the parameters and mitigate safety risks in drilling．

Keywords：underbalanced，horizontal well，multiphase flow，cuttings carrying，cuttings transport，suspension，rolling，saltation,visualization experiment

充氣欠平衡鉆井是指在鉆井過程中含氣鉆井液作用在井底的壓力低于地層孔隙壓力，能大幅度減少井漏、保護和及時發(fā)現(xiàn)儲層，而鉆水平井可大幅度暴露儲層，數(shù)倍提高油氣芒量。因此，利用水平井特殊軌跡增產(chǎn)的特點，與利用充氣欠平衡消除儲層傷害增產(chǎn)的特點相結(jié)合，產(chǎn)生了“充氣欠平衡鉆水平井”新技術(shù)^[1-3]。

隨著我國低壓薄層油氣藏的開發(fā)需求，充氣欠平衡鉆水平井技術(shù)成為國內(nèi)外鉆井界關(guān)注的熱點，而它的工程難點之一在于含氣鉆井液條件下的水平段井眼凈化。這是由于井眼凈化不暢所造成鉆具摩阻扭矩增大從而嚴重制約著水平井眼的延伸能力的提高^[4]。而欠平衡鉆井條件下巖屑運移的科學(xué)核心是欠平衡條件下井筒內(nèi)氣液固耦合復(fù)雜多相流動，由于井下各組分間的相間相互作用機理以及巖屑固相運移形式無法可視化，因此，開展水平段氣液固復(fù)雜介質(zhì)耦合可視化流動實驗研究，最終形成復(fù)雜介質(zhì)多相流動條件下的氣液固耦合流動規(guī)律認識及數(shù)學(xué)描述。這對于優(yōu)化鉆井施工參數(shù)以及降低鉆井安全風(fēng)險均有著積極意義。

1　巖屑在水平井簡中的運移規(guī)律分析

1．1　水平井巖屑運移特殊性

由于管流運動與巖屑顆粒重力的方向性差異，直井段與水平井段巖屑運移規(guī)律大為不同(圖1、2)。由圖l可以看出：在鉆頭破巖后大顆粒尺寸巖屑在鉆鋌處由于流速高可以較為順暢地運移；到了鉆鋌與鉆桿交界處由于環(huán)空面積陡然增加，大顆粒巖屑可能發(fā)生堆積。對比直井段與水平井段，直井段中較大巖屑會回落至井底重復(fù)破碎；而水平井段一旦產(chǎn)生流體所不能攜帶的大顆粒巖屑，這些巖屑只會停留在下井壁等待鉆具的碾壓直至形成小顆粒才被流體順利攜走。

 

 

1．2　水平井巖屑顆粒的運動形式

水平井中巖屑運移情況可以分為懸浮、滾動、躍移3種形式。

1．2．1懸浮

懸浮是巖屑顆粒運動的重要方式，引起巖屑顆粒懸浮的主要因素是紊動作用(圖3)。懸浮運動的形式是隨鉆井液漂流，懸浮運動時受到2種力的作用：①重力，使巖屑顆粒向下井壁沉降；②氣液兩相流推動力，使巖屑顆粒沿井筒向下游運動。巖屑顆粒向下游運動的速度與氣液兩相流速度有關(guān)，巖屑顆粒輸送量可間接代表巖屑顆粒向下游運動的速度，流量越大，可帶走的巖屑顆粒量也越多。懸浮顆粒在沉降過程中被渦流帶回上層，使巖屑顆粒上下漂移，沉降速度變慢，巖屑懸浮照片如圖4所示。

 

 

1．2．2滾動

位于巖屑床表面突出位置的顆粒，當液流拖曳力(FD)大于顆粒阻力時(圖5)，便開始以滑動的形式運動。由于井壁表面粗糙不平，滑動往往會轉(zhuǎn)化為滾動，在運動中都與下井壁保持接觸，巖屑實際滾動如圖6所示。

 

 

1．2．3躍移

跳起的巖屑當落到下井壁時對巖屑床的巖屑有沖擊作用，作用力的大小則與其躍起的高度和鉆井液流速有關(guān)。若巖屑躍起較低，則其從液流中取得的動量不大，在落回巖屑床后不會繼續(xù)跳動。若躍起較高，則落到巖屑床后還可以重新跳起。躍起高度與鉆井液密度成反比，這就是在水平井中巖屑運移的最為特殊的一類運動方式——躍移，巖屑躍移受力圖如圖7所示。

 

2　多相流體流動攜巖模型

2．1　巖屑滾動運動

巖屑在下井壁滾動時是以單顆粒個體運動為主，在氣液兩相流動的作用下，巖屑沿下井壁滾動向下游運移。

2．1．1巖屑顆粒滾動受力分析

在氣液量較小時，顆粒首先在井壁處于單顆粒滾動運動，其受力包括：橫向上氣流對其拖曳力(FD)，與井壁的摩擦力(F摩擦)；縱向上受到重力(G)、浮力(F浮)和支撐力(N)，如圖5所示。

2．1．2巖屑顆粒滾動啟動條件

要確定單顆粒巖屑滾動前進最小氣液量則需要建立水平方向上的數(shù)學(xué)方程：

 

式中CD為阻力系數(shù)，元因次；rm為流體密度，kg／m³；um為流體流動速度，m／s；ds為巖屑直徑，m；k為摩擦阻力系數(shù)，無因次；G為巖屑顆粒重力，N。

通過不同顆粒的重力(G)和不同材料摩擦阻力系數(shù)(k)則可反求最小流速(um)。

2．2　巖屑躍移運動

2．2．1巖屑顆粒躍移受力分析^[5-9]

欠平衡鉆井中，巖屑在環(huán)空中的運移，受到的作用力主要包括重力、阻力、薩夫曼升力、浮力、巴塞特力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力和馬格努斯效應(yīng)力等，圖8為巖屑受力分析圖。

 

在水平井段中，它是構(gòu)成水平摩擦阻力的主要作用力，其計算公式為：

W＝rsVsg                 (2)

式中W為巖屑重力，N；rs為巖屑密度，kg／m³；Vs為巖屑顆粒體積，m³；g為重力加速度，m／s²。

施加在巖屑上的動力主要是氣液兩相的阻力。阻力受雷諾數(shù)、巖屑形狀、巖屑尺寸及流體流動狀態(tài)和流體可壓縮性等許多因素的影響，其方向與流體相對顆粒的速度方向一致，其計算公式為：

 

式中FD為阻力，N；CD為阻力系數(shù)，無因次；um為流體流動速度，m／s；us為巖屑運移速度，m／s；ds為巖屑直徑，m。

2．2．2巖屑顆粒躍移啟動條件

根據(jù)圖8中對巖屑顆粒的受力分析，忽略黏聚力和浮力的作用，堆積體顆粒極限受力平衡方程式可變形為：

FD＝fiW                 (4)

分層流：fi＝64／Nre

紊流(段塞流、攪動流、環(huán)霧流)：

 

推導(dǎo)躍移啟動時受力平衡式^[5-8]：

 

式中fi為氣液界面摩擦系數(shù)，無因次；D為管道當量直徑，m；Re為雷諾數(shù)；mi為混合物黏度，Pa·s；mg為氣相黏度，Pa·s；ag為空泡率；m1為液相黏度，Pa·s；a1為持液率；CD為阻力系數(shù)，無量綱，是Re的函數(shù)：rm為混合物真實密度，kg／m³；um為氣液混合速度，m／s；當um繼續(xù)增大，該平衡狀態(tài)將被打破，巖屑開始運移；ui為巖屑顆粒床平均摩阻系數(shù)，無因次；e為巖屑顆粒堆積空隙程度，無因次；a／b與巖屑堆積程度相關(guān)，無因次。

3　水平井段可視化實驗及分析

研究建立總長為25m、實驗環(huán)空外管內(nèi)徑為l40mm、內(nèi)管外徑為63mm、內(nèi)管內(nèi)徑為55mm的環(huán)空可視化有機玻璃實驗裝置，采用壓縮空氣和水作為實驗流體，采用當量直徑為6mm的模擬巖屑作為實驗介質(zhì)，開展了不同注液量的臨界攜巖可視化實驗，并測試流體力學(xué)參數(shù)，從而得到不同實驗條件下的井眼凈化臨界攜巖數(shù)據(jù)。

3．1　實驗研究內(nèi)容

1)水平井段多相流與攜巖大型臺架模擬實驗(模擬旋轉(zhuǎn)鉆進鉆動鉆桿)。

2)水平井段多相流與攜巖大型臺架模擬實驗(模擬滑動鉆進及停鉆循環(huán))。

3．2　實驗設(shè)備

實驗設(shè)備包括實驗架、空壓機、儲氣罐、儲水罐、液體泵、流量計等(圖9)，用于模擬井下一定壓力范圍內(nèi)一定流速范圍的氣流流動情況。實驗測試部分主要包括實驗管段壓力、氣體流量、液體流量、實驗現(xiàn)象圖像等的監(jiān)測與記錄部分。

 

3．3　實驗流程

在井底以不同速度注入模擬巖屑，保持一定的注氣量，然后加大注液量(注液量可從0～5L／s控制)，待實驗管段懸浮模擬巖屑后，認為該氣量即為該實驗條件下的臨界流量。穩(wěn)定注液2min后逐步加大液量，待井底巖屑攜帶完傘后停止實驗，測試參數(shù)包括注液量、注氣量、液體流速、巖屑速度、巖屑濃度等。整個實驗流壓控制在0.1～0.6MPa。

3．4　實驗分析

圖10、11分別為鉆柱轉(zhuǎn)動、鉆柱不轉(zhuǎn)動時的巖屑運移實驗現(xiàn)象。

 

 

通過觀察可以看出：與鉆柱停止轉(zhuǎn)動相比，由于鉆井液的黏性，在鉆柱轉(zhuǎn)動過程中會對周圍的鉆井液有黏滯、黏結(jié)作用，從而攪動巖屑床表面的巖屑。因此，在注入相等氣量的工況下，其攜巖效果更好；巖屑的運移方式主要是躍移。

3．5　實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

臨界流速是指巖屑發(fā)生躍移時的最低混合物流速。在達到臨界攜巖的狀態(tài)下，實測了氣液兩相混合真實攜巖臨界速度，再與多相流數(shù)值模擬軟件計算出的臨界混合速度對比，得出兩者的誤差。表l、2為鉆柱轉(zhuǎn)動和鉆柱不轉(zhuǎn)動時的結(jié)果對比。

 

 

綜合以上實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象，可以看出：與鉆柱停止轉(zhuǎn)動相比，鉆柱的旋轉(zhuǎn)使作為模擬鉆井液的清水呈螺旋運動，環(huán)空流場的壓力呈波動形狀分布，對巖屑運移有攪動和支撐作用，有利于巖屑運移；同時，由于鉆井液又具有黏性，在鉆柱轉(zhuǎn)動過程中會對周圍的鉆井液有黏滯黏結(jié)作用，從而攪動巖屑床表面的巖屑，因此在注入相等氣量的工況下，鉆柱停止轉(zhuǎn)動下的攜巖效果更好。

4　模型修正

4．1　水平井攜巖臨界速度模型修正(鉆具轉(zhuǎn)動)

從實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，實際最低連續(xù)攜巖綜合流速相當于模型公式的躍移臨界流速的124％作為修正模型，即

 

4．2　水平井攜巖臨界速度模型修正(鉆具不動)

從實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，實際最低連續(xù)攜巖綜合流速相當于鉆具轉(zhuǎn)動時模型公式的躍移臨界流速的118％作為修正模型，即

 

5　結(jié)論

1)充氣欠平衡鉆水平井的工程核心問題之一在于水平段井眼凈化，井眼凈化不暢所造成鉆具摩阻扭矩的增大從而嚴重制約著水平井眼的延伸能力。而欠平衡條件下巖屑的運移屬于氣液固復(fù)雜多相流動，各組分間的相互作用機理以及巖屑固相運移形式在井下無法實現(xiàn)可視化。因此，有必要開展可視化實驗研究。

2)對比直井段與水平井段而言，直井段中較大巖屑會回落至井底重復(fù)破碎，而水平井段一旦產(chǎn)牛流體所不能攜帶的大顆粒巖屑，這些巖屑只會停留在下井壁等待鉆具的碾壓直至形成小顆粒，以被流體攜帶至下游。

3)水平井段巖屑運移主要是躍移為主，巖屑運移主要依靠氣液綜合流速與鉆井液黏度，而鉆具的轉(zhuǎn)動有利于巖屑的運移，在保障攜巖順利的條件下，鉆柱停止轉(zhuǎn)動所需綜合流速是鉆柱轉(zhuǎn)動時的1.18倍。在實驗數(shù)據(jù)處理后，對所建立的考慮鉆井液黏切力、流態(tài)、巖屑床堆積程度等因素的攜巖運移速度模型進行了修正，該模型能滿足現(xiàn)場施工設(shè)計需要。

 

參考文獻

[1]楊春旭，唐洪林，崔海林，等．DPl9井小井眼欠平衡長水平段水平井的鉆井技術(shù)[J]．天然氣工業(yè)，2012，32(11)：76-80．

YANG Chunxu，TANG Honglin，CUI Hailin，et al．Technology for drilling prolonged horizontal section in an underbalanced slim hole：A case history of DPl9 well，Daniudi Gas Field，Ordos Basin[J]．Natural Gas Industrv，2012，32(11)：76-80．

[2]陳啟文，董瑜．王飛，等．蘇罩格氣田水平井開發(fā)技術(shù)優(yōu)化[J]．天然氣工業(yè)，2012，32(6)：39-42．

CHEN Qiwen，DONG Yu，WANG Fei，et al．Optimization of horizontal well development technology in the Sulige Gas Field[J]．Natural Gas Industry，2012，32(6)：39-42．

[3]鄧紅琳．大牛地致密砂巖氣田水平井鉆完井技術(shù)[J]．天然氣工業(yè)，2010，30(12)：59-62．

Deng Honglin．Drilling and completion technology for horizontal wells in Daniudi tight sandstone gas reservoirs[J]．Natural Gas Industry，2010，30(12)：59-62．

[4]徐坤吉，熊繼有，陳軍，等．深井水平井水平段水力延伸能力評價與分析[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，34(6)：101-106．

XU Kunji，XIONG Jiyou，．CHEN Jun，et al．The evaluation and analysis of hydraulic extensions ability of horizontal section in deep horizontal wells[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2012，34(6)：10l-l06．

[5]柳貢慧，宋廷遠，李軍．氣體鉆水平井氣體攜巖能力分析[J]．石油鉆探技術(shù)，2009，37(5)：25-28．

LIU Gonghui，SONG Tingyuan，LI Jun．Analysis of of cuttings transportation during drilling gas horizontal wells[J]．Petroleum Drilling Techniques，2009，37(5)：25-28．

[6]張義．煤層氣羽狀水平井充氣欠平衡鉆井環(huán)空流動特性研究[D]．北京：中國石油大學(xué)，2008．

ZHANG Yi．Research on air flow characteristics under balanced drilling ring inflatable pinnate horizontal well for coalbed gas[D]．Beijin9：China University of Petroleum，2008．

[7]蕈玉祥，馬駿．輸沙量對海岸沙丘表面風(fēng)沙流中不同粒徑沙粒垂向分布的影響[J]．中山大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，48(3)：102-107．

DONG Yuxiang，MA Jun．Influence of total sand transport rates on the vertical distribution of different sand grain sizes in wind sand flow on the coastal dune[J]．Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni：Natural Science Edition，2009，48(3)：102-107．

[8]袁兆永．水平井環(huán)空泡沫攜巖流動規(guī)律研究[D]．北京：中國石油大學(xué)，2009．

YUAN Zhaoyong．Study on、the annular cuttings transport flow in horizontal wells[D]．Beijin9：China University of Petroleum，2009．

[9]萬里平，何保生，唐洪明，等．沖砂洗井泡沫攜砂規(guī)律數(shù)值模擬研究[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，35(4)：101-106．

WAN Liping，HE Baosheng，TANG Hongming，et al．Numerical simulation on sand carrying rule of sand washing and flushing foam fluid[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2013，35(4)：101-106．

 

本文作者：魏納  孟英峰  李皋  朱寬亮  李永杰  徐小峰  辛春彥

作者單位：“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)

  中國石油冀東油田公司鉆采工藝研究院