氣體鉆井全井段環(huán)空流場改善方法

摘 要

摘要：氣體鉆井以可壓縮氣基流體作為循環(huán)介質(zhì)，環(huán)空流速沿井深分布不均，容易導(dǎo)致下部井段井眼凈化不良、上部井段沖蝕嚴(yán)重等問題。因此，有必要對氣體鉆井全井段環(huán)空流場進行優(yōu)化改
摘要：氣體鉆井以可壓縮氣基流體作為循環(huán)介質(zhì)，環(huán)空流速沿井深分布不均，容易導(dǎo)致下部井段井眼凈化不良、上部井段沖蝕嚴(yán)重等問題。因此，有必要對氣體鉆井全井段環(huán)空流場進行優(yōu)化改善。借助現(xiàn)代計算流體力學(xué)，考慮鉆具偏心、旋轉(zhuǎn)、截面突變等復(fù)雜情況，建立了氣體鉆井的環(huán)空流體動力學(xué)數(shù)值分析模型，計算得到了任意井深處環(huán)空多相流動規(guī)律，并對其影響因素進行了分析，總結(jié)出了一套全井段環(huán)空流場改善方法，并采用有限體積法對該方法的可行性進行了數(shù)值評價。結(jié)果表明：井口加載回壓配合井下氣體分流技術(shù)能有效地限制上部井段環(huán)空流速，減少沖蝕，降低井底壓力和地面注氣壓力，提高下部井段井眼凈化能力和水力能量利用效率，實現(xiàn)改善全井段環(huán)空流場的目的。
關(guān)鍵詞：氣體鉆井；環(huán)空流場；數(shù)值分析；流體力學(xué)；回壓；井下氣體分流
0 引言
    氣體鉆井技術(shù)以氣基流體作為循環(huán)介質(zhì)，能保持鉆進過程處于絕對欠平衡狀態(tài)，提高機械鉆速，及時發(fā)現(xiàn)和保護油氣層[1]。氣基流體在下部井段受壓減速，攜帶巖屑能力弱，在上部井段減壓膨脹，沖蝕作用明顯[2]，水力能量利用效率低。因此，有必要對氣體鉆井環(huán)空速度場、壓力場、濃度場分布進行改善。
    隨著氣體鉆井技術(shù)的推廣運用，國內(nèi)外加強了對環(huán)空流體動力學(xué)的研究，采用解析法[3～4]和有限體積法[5]對環(huán)空流場分布規(guī)律進行了分析，提出通過井口加載回壓削弱沖蝕作用[5]，通過井下氣體分流降低井底壓力[6～7]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，已公開發(fā)表的文獻還沒有形成一套完整的氣體鉆井全井段環(huán)空流場改善方法。因此，基于現(xiàn)代計算流體力學(xué)基本原理，考慮鉆具偏心、旋轉(zhuǎn)、截面突變等復(fù)雜情況，建立模型，對環(huán)空流場進行定量分析，提出了一套全井段環(huán)空流場改善方法，并對該方法的可行性進行了數(shù)值論證。
1 計算模型
1.1 基本假設(shè)
    1) 環(huán)空流動為氣固兩相流，兩相間不存在質(zhì)量交換。
    2) 顆粒直徑沿程保持不變[4]。
1.2 力學(xué)模型
1.2.1連續(xù)性方程
氣體鉆井環(huán)空氣固兩相間不存在質(zhì)量交換，連續(xù)性方程描述如下：
 
式中vm為混合速度，m/s；ρm為混合密度，kg/m3。
1.2.2動量方程
    系統(tǒng)體積力由重力產(chǎn)生，動量方程描述如下：
 
式中n為相數(shù)；μm為混合黏度，kg/(m·s)；αk為k相的體積分?jǐn)?shù)；g為重力加速度，m/s2；vdr,k為k相的漂移速度，m/s；p為壓力，Pa；ρk為k相的密度，kg/m3。
1.2.3能量方程
氣體體積受溫度影響較大，環(huán)空流場評價必須考慮能量交換過程，系統(tǒng)不存在熱源項，能量方程簡化如下：
 
式中keff為有效熱傳導(dǎo)率，W/(m·k)；Ek為第k相流體的能量，J；T為溫度，K。
1.2.4相對速度方程
   vqp=vp-vq    (4)
式中vp為顆粒速度，m/s；vq為氣體速度，m/s。
1.2.5顆粒體積分?jǐn)?shù)方程
   
式中αp為顆粒體積分?jǐn)?shù)；ρq為顆粒密度，kg/m3；vdr,p為漂移速度，m/s。
1.2.6 RNGk-ε湍流方程[5]
   氣體鉆井存在流道截面突變、鉆具旋轉(zhuǎn)、偏心等復(fù)雜情況，流體運動時會出現(xiàn)強漩流。重整化群(RNGk-ε)湍流方程改進了ε方程，并為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式，更加適合對氣體鉆井環(huán)空流場進行數(shù)值評價。
1.3 邊界條件
    巖屑初始濃度由機械鉆速確定，物理模型建立過程中參考坐標(biāo)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，以考慮鉆具的轉(zhuǎn)動。
2 算例分析
2.1 計算參數(shù)
    井身結(jié)構(gòu)為Φ215.9mm井眼、井深3400m、Φ244.5mm套管下至2400m、套管內(nèi)徑為222.4mm。
   鉆具結(jié)構(gòu)為Φ215.9mm鉆頭+Φ158.75mm鉆鋌(5柱)+ Φ127mm鉆桿。
    巖屑密度為2600kg/m3、機械鉆速為20m/h、顆粒直徑為3 mm、地溫梯度為2.2°/100m、轉(zhuǎn)速為60r/min。
2.2 設(shè)計參數(shù)條件下的環(huán)空流場
    采用建立的計算模型，對氣體鉆井環(huán)空流體動力學(xué)進行了數(shù)值模擬。根據(jù)壓力分布圖可知(圖1)，在下部井段(尤其是鉆鋌段)環(huán)空壓力下降較快，鉆鋌段長度僅占總井深的3.97%，壓降卻達到了整個環(huán)空壓降的20.8%。環(huán)空速度場沿井深分布不均，在“關(guān)鍵點”(實質(zhì)是鉆鋌與鉆桿連接處、存在截面突變那一段)和井底，氣流速度分別為10.01m/s和11.49m/s，該處容易出現(xiàn)井眼凈化不良的問題。氣體在向上運移過程中，減壓膨脹，到達井口時，流速達到71.61m/s，是“關(guān)鍵點”氣流速度的7.15倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了井眼凈化的要求，夾雜固體顆粒的高速氣流必將對環(huán)空井壁和鉆具造成沖蝕。
    氣體鉆井速度場沿井深呈現(xiàn)出“上大下小”的特征，提高井眼凈化能力和減小沖蝕作用難以得到同時滿足，環(huán)空速度場分布有待改善。
    取不同注氣量對氣體鉆井環(huán)空流場進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：井底壓力隨注氣量的增加先減后增，存在一個臨界點(圖2)。計算條件下，注氣量從97.96m3/min增加到146.94m3/min，“關(guān)鍵點”、井底氣體速度僅增加4.4%和4.0%，而井口氣流速度卻增加了近5倍。所以超過一定值后，繼續(xù)增加注氣量，并不能有效提高下部井段氣流速度，從而提高下部井段井眼凈化能力，反而會導(dǎo)致上部井段沖蝕嚴(yán)重和水力能量的不必要浪費。
 

    氣體鉆井環(huán)空速度場沿井深分布不均，地面注氣壓力高，全井段環(huán)空流場還有待改善，以實現(xiàn)提高機械鉆速，節(jié)約鉆井成本的目的。
3 氣體鉆井環(huán)空流場改善方法
3.1 全井段環(huán)空流場改善原理
    與鉆井液相比，氣基流體具有較大的壓縮性，氣體體積受環(huán)境壓力影響較大，這既是導(dǎo)致環(huán)空速度場分布不均的主要原因，也是環(huán)空流場改善方法的理論依據(jù)。在井口加載一定回壓后，上部井段環(huán)空壓力增加，氣體壓縮，流速降低，削弱了沖蝕作用。下部鉆具組合中配上特別設(shè)計的井下氣體分流器(DHAD)，通過具有特殊結(jié)構(gòu)、外形和噴射角度的噴嘴，將鉆桿內(nèi)部分氣體直接分流，排入環(huán)空，在環(huán)空分流處形成局部壓降，下部井段環(huán)空壓力降低、氣體膨脹，流速加快，攜帶巖屑能力得以提高，同時降低注氣壓力，減少壓縮氣體的設(shè)備和燃油消耗，進而節(jié)約鉆井成本。氣體鉆井全井段環(huán)空流場改善的基本原理就是利用氣基流體的可壓縮性，通過改變環(huán)空壓力場分布來使速度場沿井深分布更加均勻、合理，進而實現(xiàn)改善環(huán)空速度場的目的。
3.2 全井段環(huán)空流場改善方法數(shù)值評價
    采用有限體積法，對加載不同回壓和通過井下氣體分流器(DHAD)分流20m3氣體后全井段環(huán)空流場進行了數(shù)值模擬，以評價環(huán)空流場改善方法的可行性。
    從井口壓力對環(huán)空流場的影響曲線(圖3)可以看到，井口壓力從0.1MPa增加到0.4MPa，井口、“關(guān)鍵點”、井底氣體速度分別減小75%、6.0%、3.8%，井底壓力增加3.99%，井口加載一定回壓后，上部井段環(huán)空流速明顯減小，削弱了夾雜固體顆粒的高速氣流對環(huán)空井壁和鉆具的沖蝕作用，而井口回壓的增加并不會明顯影響井底壓力。所以，通過在井口加載一定回壓，可實現(xiàn)對上部井段環(huán)空流場的改善。
 

    通過井下氣體分流器(DHAD)分流20m3氣體后(圖4)，環(huán)空氣體分流處產(chǎn)生了約0.3MPa的局部壓降，井底壓力降低了21.2%。下部井段環(huán)空壓力降低，氣體膨脹，流速加快，攜帶巖屑能力得以提升。實現(xiàn)了改善下部井段環(huán)空流場，降低井底壓力和注氣壓力的目的。數(shù)值模擬表明采用全井段環(huán)空流場改善方法可實現(xiàn)以下目的。
 

    1) 不增加注氣量的前提下，提高下部井段井眼凈化能力。
    2) 降低井底壓力和地面注氣壓力，減少壓縮氣體的設(shè)備，降低燃油消耗。
    3) 削弱上部井段夾雜固體顆粒的高速氣流對環(huán)空井壁和鉆具的沖蝕作用。
4 結(jié)論
    1) 對氣體鉆井全井段環(huán)空流場進行了數(shù)值模擬，指出了環(huán)空流場改善方向。
    2) 提出了氣體鉆井全井段環(huán)空流場改善方法，采用數(shù)值方法證明了該方法的可行性。
    3) 井口加載回壓配合井下氣體分流技術(shù)能有效提高下部井段井眼凈化能力，削弱對上部井段沖蝕作用，減小注氣壓力，降低注氣成本。
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(本文作者：劉偉1 李黔2 程橋3 伍賢柱4 王明華5 張萍1 唐洪發(fā)4 鄭新華6 段長春4 1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院；2.西南石油大學(xué)；3.新銳油田技術(shù)服務(wù)有限公司；4.川慶鉆探工程公司；5.川慶鉆探工程公司川西鉆探公司；6.中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院)