摘 要

摘　要：隨著我國(guó)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(guó)內(nèi)外鉆井界關(guān)注的熱點(diǎn)，井眼凈化不暢造成鉆具摩阻扭矩的增大嚴(yán)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(guó)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(guó)內(nèi)外鉆井界關(guān)注的熱點(diǎn)，井眼凈化不暢造成鉆具摩阻扭矩的增大嚴(yán)重制約著水平井眼的延伸能力，氣液固復(fù)雜多相流動(dòng)，特別是認(rèn)識(shí)固相運(yùn)移規(guī)律是欠平衡條件下巖屑運(yùn)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(yùn)移規(guī)律異同的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣液固流動(dòng)機(jī)理以及大平面沙丘顆粒運(yùn)移理論，利用大型多相流實(shí)驗(yàn)臺(tái)架開展了水平井段巖屑運(yùn)移可視化實(shí)驗(yàn)，研究巖屑受力、運(yùn)移形式及動(dòng)態(tài)運(yùn)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(jìn)而對(duì)比找到了模擬攜巖臨界速度與實(shí)測(cè)攜巖臨界速度的誤差，用實(shí)測(cè)速度修正了水平井井筒攜巖臨界速度預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，研究出了能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)需要的鉆進(jìn)和循環(huán)工況的攜巖速度模型和巖屑動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化鉆井施工參數(shù)以及降低鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)均有重要意義。

關(guān)鍵詞：欠平衡  水平井  多相流  攜巖  巖屑運(yùn)移  懸浮  滾動(dòng)  躍移  可視化實(shí)驗(yàn)

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(guò)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(hù)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層，而鉆水平井可大幅度暴露儲(chǔ)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(diǎn)，與利用充氣欠平衡消除儲(chǔ)層傷害增產(chǎn)的特點(diǎn)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(guó)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(guó)內(nèi)外鉆井界關(guān)注的熱點(diǎn)，而它的工程難點(diǎn)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(yán)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(yùn)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(dòng)，由于井下各組分間的相間相互作用機(jī)理以及巖屑固相運(yùn)移形式無(wú)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(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，最終形成復(fù)雜介質(zhì)多相流動(dòng)條件下的氣液固耦合流動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)及數(shù)學(xué)描述。這對(duì)于優(yōu)化鉆井施工參數(shù)以及降低鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)均有著積極意義。

1　巖屑在水平井簡(jiǎn)中的運(yùn)移規(guī)律分析

1．1　水平井巖屑運(yùn)移特殊性

由于管流運(yùn)動(dòng)與巖屑顆粒重力的方向性差異，直井段與水平井段巖屑運(yùn)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(yùn)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(duì)比直井段與水平井段，直井段中較大巖屑會(huì)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(huì)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(yùn)動(dòng)形式

水平井中巖屑運(yùn)移情況可以分為懸浮、滾動(dòng)、躍移3種形式。

1．2．1懸浮

懸浮是巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)的重要方式，引起巖屑顆粒懸浮的主要因素是紊動(dòng)作用(圖3)。懸浮運(yùn)動(dòng)的形式是隨鉆井液漂流，懸浮運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)力，使巖屑顆粒沿井筒向下游運(yùn)動(dòng)。巖屑顆粒向下游運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(guò)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(dòng)

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

 

 

1．2．3躍移

跳起的巖屑當(dāng)落到下井壁時(shí)對(duì)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(dòng)量不大，在落回巖屑床后不會(huì)繼續(xù)跳動(dòng)。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(yùn)移的最為特殊的一類運(yùn)動(dòng)方式——躍移，巖屑躍移受力圖如圖7所示。

 

2　多相流體流動(dòng)攜巖模型

2．1　巖屑滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)

巖屑在下井壁滾動(dòng)時(shí)是以單顆粒個(gè)體運(yùn)動(dòng)為主，在氣液兩相流動(dòng)的作用下，巖屑沿下井壁滾動(dòng)向下游運(yùn)移。

2．1．1巖屑顆粒滾動(dòng)受力分析

在氣液量較小時(shí)，顆粒首先在井壁處于單顆粒滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其受力包括：橫向上氣流對(duì)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(dòng)啟動(dòng)條件

要確定單顆粒巖屑滾動(dòng)前進(jìn)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(dòng)速度，m／s；ds為巖屑直徑，m；k為摩擦阻力系數(shù)，無(wú)因次；G為巖屑顆粒重力，N。

通過(guò)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(yùn)動(dòng)

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(yùn)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(duì)顆粒的速度方向一致，其計(jì)算公式為：

 

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

2．2．2巖屑顆粒躍移啟動(dòng)條件

根據(jù)圖8中對(duì)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(dòng)流、環(huán)霧流)：

 

推導(dǎo)躍移啟動(dòng)時(shí)受力平衡式^[5-8]：

 

式中fi為氣液界面摩擦系數(shù)，無(wú)因次；D為管道當(dāng)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(wú)量綱，是Re的函數(shù)：rm為混合物真實(shí)密度，kg／m³；um為氣液混合速度，m／s；當(dāng)um繼續(xù)增大，該平衡狀態(tài)將被打破，巖屑開始運(yùn)移；ui為巖屑顆粒床平均摩阻系數(shù)，無(wú)因次；e為巖屑顆粒堆積空隙程度，無(wú)因次；a／b與巖屑堆積程度相關(guān)，無(wú)因次。

3　水平井段可視化實(shí)驗(yàn)及分析

研究建立總長(zhǎng)為25m、實(shí)驗(yàn)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(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)裝置，采用壓縮空氣和水作為實(shí)驗(yàn)流體，采用當(dāng)量直徑為6mm的模擬巖屑作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，開展了不同注液量的臨界攜巖可視化實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試流體力學(xué)參數(shù)，從而得到不同實(shí)驗(yàn)條件下的井眼凈化臨界攜巖數(shù)據(jù)。

3．1　實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

1)水平井段多相流與攜巖大型臺(tái)架模擬實(shí)驗(yàn)(模擬旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆動(dòng)鉆桿)。

2)水平井段多相流與攜巖大型臺(tái)架模擬實(shí)驗(yàn)(模擬滑動(dòng)鉆進(jìn)及停鉆循環(huán))。

3．2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)架、空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)水罐、液體泵、流量計(jì)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(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分主要包括實(shí)驗(yàn)管段壓力、氣體流量、液體流量、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖像等的監(jiān)測(cè)與記錄部分。

 

3．3　實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管段懸浮模擬巖屑后，認(rèn)為該氣量即為該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)流壓控制在0.1～0.6MPa。

3．4　實(shí)驗(yàn)分析

圖10、11分別為鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)、鉆柱不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

 

 

通過(guò)觀察可以看出：與鉆柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)相比，由于鉆井液的黏性，在鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍的鉆井液有黏滯、黏結(jié)作用，從而攪動(dòng)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(yùn)移方式主要是躍移。

3．5　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

臨界流速是指巖屑發(fā)生躍移時(shí)的最低混合物流速。在達(dá)到臨界攜巖的狀態(tài)下，實(shí)測(cè)了氣液兩相混合真實(shí)攜巖臨界速度，再與多相流數(shù)值模擬軟件計(jì)算出的臨界混合速度對(duì)比，得出兩者的誤差。表l、2為鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)和鉆柱不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的結(jié)果對(duì)比。

 

 

綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以看出：與鉆柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)相比，鉆柱的旋轉(zhuǎn)使作為模擬鉆井液的清水呈螺旋運(yùn)動(dòng)，環(huán)空流場(chǎng)的壓力呈波動(dòng)形狀分布，對(duì)巖屑運(yùn)移有攪動(dòng)和支撐作用，有利于巖屑運(yùn)移；同時(shí)，由于鉆井液又具有黏性，在鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍的鉆井液有黏滯黏結(jié)作用，從而攪動(dòng)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(dòng)下的攜巖效果更好。

4　模型修正

4．1　水平井?dāng)y巖臨界速度模型修正(鉆具轉(zhuǎn)動(dòng))

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，實(shí)際最低連續(xù)攜巖綜合流速相當(dāng)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?dāng)y巖臨界速度模型修正(鉆具不動(dòng))

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，實(shí)際最低連續(xù)攜巖綜合流速相當(dāng)于鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(wèn)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(yán)重制約著水平井眼的延伸能力。而欠平衡條件下巖屑的運(yùn)移屬于氣液固復(fù)雜多相流動(dòng)，各組分間的相互作用機(jī)理以及巖屑固相運(yùn)移形式在井下無(wú)法實(shí)現(xiàn)可視化。因此，有必要開展可視化實(shí)驗(yàn)研究。

2)對(duì)比直井段與水平井段而言，直井段中較大巖屑會(huì)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(huì)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(yùn)移主要是躍移為主，巖屑運(yùn)移主要依靠氣液綜合流速與鉆井液黏度，而鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)有利于巖屑的運(yùn)移，在保障攜巖順利的條件下，鉆柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)所需綜合流速是鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的1.18倍。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，對(duì)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(yùn)移速度模型進(jìn)行了修正，該模型能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)需要。

 

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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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

  中國(guó)石油冀東油田公司鉆采工藝研究院