氣體鉆水平井巖屑運移數(shù)值模擬研究

李 皋， 肖貴林， 李小林， 李 誠

(1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川成都 610500；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，新疆庫爾勒 841000)

氣體鉆水平井巖屑運移數(shù)值模擬研究

李 皋1， 肖貴林1， 李小林2， 李 誠1

(1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川成都 610500；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，新疆庫爾勒 841000)

針對氣體鉆水平井過程中的井眼凈化問題，開展了水平段巖屑運移特征研究?；跉夤虄上嗔鲃幽Ｐ?，采用FLUENT軟件模擬了氣體鉆井條件下不同粒徑、不同注氣量、不同鉆桿轉速和不同鉆桿偏心距下單顆粒巖屑和巖屑顆粒群在水平環(huán)空的運移特性。模擬結果表明，單顆粒巖屑在水平環(huán)空的運移以躍移形式為主，而巖屑顆粒群的運移主要包括蠕移和躍移兩種形式；粒徑5.0 mm巖屑在注氣量50，70和90 m3/min下的首次跳躍距離分別為0.55，0.90和1.50 m；在注氣量為50 m3/min時，粒徑1.5 mm巖屑的首次跳躍距是粒徑3.0 mm巖屑的1.5倍；粒徑7.0 mm巖屑在鉆桿靜止和轉速為60 r/min下的第3次跳躍距離分別為0.43和0.62 m；粒徑6.0 mm巖屑在偏心距0，10和15 mm條件下的第2次跳躍距離分別為0.55，0.44和0.28 m。研究表明，注氣量越大、粒徑越小、偏心距越小、鉆桿轉動越快，則巖屑運移的距離越遠。建議采取適當提高注氣量、安裝水平井井眼凈化工具、提高鉆桿居中度等措施，以提高井眼凈化效果。

氣體鉆井 水平井 巖屑運移 數(shù)值模擬 粒徑 注氣量 轉速

氣體鉆水平井技術結合了氣體鉆井保護儲層和水平井擴大滲流面積的優(yōu)點，被視為解決低壓、低孔、低滲、低豐度非常規(guī)油氣資源高效開發(fā)的重要技術手段[1-5]，然而水平段巖屑運移是該技術面臨的一大技術難題，井眼凈化效果不好會引發(fā)高摩阻、高扭矩、卡鉆和固井質量差等一系列工程問題[6-7]，嚴重阻礙了氣體鉆水平井技術的應用。

國內外對氣體鉆水平井巖屑運移問題的相關研究開始于注氣量模型研究。R.R.Angel[8]對空氣鉆井注氣量進行了大量研究，最早建立了空氣鉆井注氣量計算模型。此后，B.Guo[9]、王巖[10]、袁兆廣[11]、張雅春[12]等人對R.R.Angel模型進行了完善和修正，提高了氣體鉆水平井注氣量計算模型的準確性。柳貢慧等人[13]分析了影響氣體鉆水平井巖屑起動臨界氣體速度的因素，發(fā)現(xiàn)偏心環(huán)空和大井斜角段是攜巖的不利區(qū)域。隨著計算流體軟件的發(fā)展，越來越多的學者利用數(shù)值模擬方法分析水平井巖屑運移規(guī)律。孟英峰等人[4,14]通過CFD數(shù)值模擬軟件分析水平環(huán)空流場，發(fā)現(xiàn)偏心環(huán)空和鉆桿接頭不利于巖屑運移。萬里平等人[15]分析了氣體鉆井水平段擴徑處的環(huán)空流場，認為井徑擴大率越大，擴徑處井眼低邊越容易堆積巖屑。沈忠厚等人[16]利用CFD數(shù)值模擬軟件，分析了超臨界二氧化碳鉆水平井時流體密度和黏度對攜巖能力的影響?；艉榭〉热薣17]基于DPM模型，采用數(shù)值模擬方法，分析了流量、溫度、壓力、粒徑、鉆桿偏心等因素對超臨界二氧化碳鉆井水平段攜巖能力的影響規(guī)律。宋先知等人[18]采用Realizek-ε湍流模式及SIMPLEC算法，分析了連續(xù)油管鉆水平井巖屑的運移規(guī)律。邵帥等人[19]分析不同井斜角下巖屑的受力，得到了不同井斜角下氣體鉆井巖屑起動的臨界流速。以上研究已經(jīng)取得了一定成果，但是針對氣體鉆水平井時巖屑運移特征方面的研究還相對缺乏。因此，筆者采用FLUENT軟件，對氣體鉆井水平段單顆粒巖屑和巖屑顆粒群的運移進行了模擬，分析了單顆粒巖屑和巖屑顆粒群在水平段的運移特征。

1 氣體鉆水平井巖屑運移機理

1.1 氣體鉆水平井巖屑運移的特殊性

由于巖屑受力的不同，水平井攜巖規(guī)律與直井攜巖規(guī)律存在本質的不同[15](見圖1)。在直井段，巖屑所受重力方向與其運動方向基本處于同一軸線上，井眼徑向的分速度可以忽略不計，因此，在氣體返速大于沉降末速的條件下，巖屑即可被順利攜帶出井口，而不能被氣體攜帶的大粒徑巖屑在重力作用下回落到井底進行二次破碎或多次破碎，達到運移條件后被攜帶出井口。在水平井段，由于水平井眼的特殊性，若出現(xiàn)氣體不能攜帶的大顆粒巖屑，巖屑則不能回落到井底進行重復破碎，而是在重力作用下下沉至下井壁形成巖屑床。

1.2 巖屑運移形式

單顆粒巖屑在水平段運移過程中主要受到重力、浮力、氣動阻力、壓強梯度、附加質量力、Basset力、Saffman升力和Magnus升力等力的作用[20]，當巖屑受到的動力大于阻力時，即開始起動運移。氣體鉆水平井過程中，巖屑運移形式主要有蠕移、躍移和懸移3種形式[4]。蠕移是指在巖屑受到的動力作用相對較小的情況下，沿下井壁平行滑動或者滾動的運移形式。躍移是指隨著巖屑受力增大，巖屑以跳躍的形式運移。懸移是指巖屑受到的升力大于重力時，以懸浮的形式在水平段環(huán)空運移。

2 基本模型

氣體鉆水平井時，井筒環(huán)空流動為典型的氣固兩相管流，根據(jù)氣固混合相的連續(xù)性、動量守恒定律和能量守恒定律，可建立基本的數(shù)學模型[21]。此外，根據(jù)氣體鉆水平井的特點，建立了物理模型。

2.1 數(shù)學模型

2.1.1 混合相連續(xù)性方程

(1)

式中：ρm為混合相密度，kg/m3；vm為混合相速度，m/s。二者的表達式為：

(2)

(3)

式中：n是相數(shù)；αk為第k相的體積分數(shù)，%；ρk為第k相的密度，kg/m3；vk為第k相的速度，m/s。

2.1.2 動量守恒方程

根據(jù)牛頓第二定律，可得混合物動量守恒方程：

(4)

(5)

vdr,k=vk-vm

(6)

式中：p為壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；F為體積力，N/m3；μm為混合物黏度，Pa·s；vdr,k為第k相的漂移速度，m/s；μk為第k相的黏度，Pa·s。

2.1.3 能量守恒方程

根據(jù)能量守恒定律得混合物運動需滿足的能量守恒方程為：

=▽·(λeff▽T)+SE

(7)

式中：Ek為第k相的內能，J/kg；λeff為有效熱傳導率，W/(m·K)；T為溫度，K；SE為體積熱源相，J/(m3·s)。

2.2 物理模型

根據(jù)現(xiàn)場實際氣體鉆水平井組合參數(shù)建立模型，模型長3 m，井眼直徑為158.8 mm，鉆桿直徑為88.9 mm，井底溫度為351 K，巖屑密度為2.3 g/cm3，模擬巖屑粒徑為0.5～7.0 mm，注氣量為50～90 m3/min時的巖屑運移特性。采用六面體單元對所建立模型進行網(wǎng)格劃分，圖2為鉆桿不偏心時的網(wǎng)格劃分。

3 模擬結果及分析

3.1 單顆粒巖屑的運移特性

3.1.1 不同粒徑巖屑顆粒的運移特性

在注氣量為50 m3/min的情況下，分別模擬研究粒徑0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0和7.0 mm巖屑顆粒的運移，得到不同粒徑巖屑顆粒的運移軌跡(見圖3)。由圖3可知，巖屑顆粒在水平環(huán)空以躍移形式為主運移，運移軌跡呈現(xiàn)螺紋狀。巖屑顆粒運移軌跡受粒徑影響較大，對比粒徑1.5和3.0 mm巖屑顆粒的位移(如圖4所示)可知，粒徑1.5 mm巖屑顆粒第一次的跳躍距離為1.21 m，約是粒徑3.0 mm巖屑顆粒第一次跳躍距離(0.82 m)的1.5倍。這是因為巖屑顆粒粒徑越大，其重力越大，在同一注氣量下，巖屑所受合力方向更偏向于重力方向，導致巖屑軌跡線的螺距更短；而巖屑粒徑越小，其重力相對較小，巖屑軌跡線的螺距越長。因此，在實際氣體鉆水平井過程中，可在近鉆頭處安裝具有研磨功能的井眼凈化裝置[22]，再次破碎脫離井底氣體難以攜帶的大顆粒巖屑，形成適合氣體攜帶的小粒徑巖屑，提高井眼凈化效果。

3.1.2 不同注氣量下巖屑顆粒的運移特性

選取粒徑5.0 mm巖屑，模擬其在注氣量為50，70和90 m3/min時的運移情況，結果見圖5和圖6。由圖5可以看出，對于相同粒徑的巖屑顆粒，隨著注氣量增大，巖屑單次跳躍距離增長。分析圖6可知，5.0 mm巖屑顆粒在注氣量為50 m3/min時第一次的有效運移距離為0.55 m，在注氣量為70 m3/min時第一次的有效運移距離為0.90 m，在注氣量為90 m3/min時第一次的有效運移距離為1.50 m?？梢姡岣咦饬繉τ诰蹆艋酗@著效果。在氣體鉆水平井過程中，巖屑顆粒的粒徑較難控制，因此，可以增大注氣量來改善水平井井眼凈化效果。

3.1.3 鉆桿轉動時巖屑顆粒的運移特性

選擇注氣量為50 m3/min，模擬粒徑5.0和7.0 mm巖屑顆粒在鉆桿轉動時(設定轉速為60 r/min)和不轉動時的運移情況，結果見圖7和圖8。由圖7可以看出，與鉆桿不轉動相比，鉆桿旋轉時，巖屑跳躍距離較長，巖屑的單次跳躍距離增長，運移效率較高。從圖8可以看出，在鉆桿不動時，7.0 mm巖屑第三次的跳躍距離為0.43 m，在鉆桿轉動時為0.62 m。這是因為，鉆桿轉動對環(huán)空流場具有一定的擾動作用，增大了環(huán)空氣體的切向速度，從而改變了巖屑的受力情況，使巖屑顆粒易于被運移。由圖4、圖6和圖8可以看出，與粒徑和注氣量相比，鉆桿轉速對巖屑顆粒運移的影響較弱。同時，考慮現(xiàn)場鉆井作業(yè)時為保證鉆井安全，鉆桿轉速需控制在一定范圍內。因此，不能通過大幅提高鉆桿轉速來提高井眼凈化效果。目前，國內外已發(fā)明了多種水平井巖屑清除裝置，大多是通過裝置的特殊結構實現(xiàn)對環(huán)空流場的擾動，從而達到清除巖屑的目的。因此，可在鉆桿一定位置安裝井眼凈化工具，提高水平井眼凈化效果。

3.1.4 偏心環(huán)空內巖屑顆粒運移特性

選擇注氣量為50 m3/min，模擬粒徑6.0 mm巖屑顆粒分別在偏心距為0，10 和15 mm情況下的運移情況，結果如圖9和圖10所示。在氣體鉆水平井過程中，由于鉆桿受重力所造成的偏心環(huán)空，會使環(huán)空內的氣體流速產生差異，致使巖屑顆粒受力情況更為復雜。由圖9和圖10可知，隨著偏心距增大，巖屑顆粒起跳高度和距離都明顯減小。對比不同偏心距下巖屑顆粒第二次的跳躍距離可知，偏心距為0，10和15 mm時巖屑的第二次跳躍距離分別為0.55，0.44和0.28 m。因此，隨著偏心距增大，巖屑的運移愈發(fā)困難，容易在偏心環(huán)空處沉積，根據(jù)文獻[14]的研究，這是因為鉆柱偏心造成了偏心環(huán)空的氣體流速上高下低。因此，偏心環(huán)空不利于水平井的巖屑運移，要提高井眼凈化效果，可采用減磨接頭、穩(wěn)定器和變徑短節(jié)等提高鉆桿居中度。

3.2 巖屑顆粒群運移特性分析

3.2.1 粒徑對巖屑顆粒群運移的影響

選擇注氣量為50 m3/min，模擬包含粒徑1.0，4.0和7.0 mm巖屑的顆粒群在水平環(huán)空中的運移情況，結果見圖11。由圖11可以看出，巖屑粒徑的大小對顆粒群的運移與對單顆粒的運移影響基本一致。在整個顆粒群中，巖屑粒徑越小，越靠近整個顆粒群的前段。在整個顆粒群運移的過程中，部分巖屑以躍移形式運移，部分巖屑則在下環(huán)空井壁以蠕移形式向前運移。這是因為巖屑顆粒群在運移時存在顆粒與顆粒、顆粒與管壁和井壁的相互碰撞，使部分顆粒失去了再次起跳的能力，只能在下環(huán)空壁面蠕移。

3.2.2 注氣量對巖屑顆粒群運移的影響

模擬包含1.0，4.0和7.0 mm 3種粒徑巖屑的顆粒群在注氣量為50，70和90 m3/min時的運移情況。圖12為在不同注氣量下巖屑顆粒群0.4 s時的位移。由圖12可知，注氣量對巖屑顆粒群的運移有顯著影響，注氣量越大，整個顆粒群運移的距離越遠，而且?guī)r屑顆粒越容易起跳。

3.2.3 鉆桿轉動對巖屑顆粒群運移的影響

選擇注氣量為50 m3/min，模擬包含1.0，4.0和7.0 mm等3種粒徑巖屑的顆粒群在鉆桿轉動(鉆桿轉速為60 r/min)和不轉動時的運移情況。圖13為0.4 s時在鉆桿不動和鉆桿轉動的情況下巖屑顆粒群的位移。由圖13可知，與鉆桿不轉動相比，鉆桿轉動時巖屑的運移距離較遠，鉆桿的轉動對巖屑顆粒群的整體運移有利。

3.2.4 偏心距對巖屑顆粒群運移的影響

選擇注氣量為50 m3/min，模擬包含1.0，4.0和7.0 mm 3種粒徑巖屑的顆粒群在偏心距分別為0，10和15 mm情況下的運移情況。圖14為0.5 s時不同偏心距的情況下巖屑顆粒群的位移。由圖14可以看出，隨著偏心距增大，顆粒群整體運移距離縮短，而且顆粒群整體的起跳高度降低。造成這種現(xiàn)象主要的原因是，偏心環(huán)空使環(huán)空氣流速度呈現(xiàn)上高下低分布不均的狀態(tài)，當顆粒群下落到小環(huán)空中時，氣流速度降低，顆粒群整體的動能減小，顆粒再次起跳的高度降低。

4 結 論

1) 氣體鉆水平井時，單顆粒巖屑在水平段的運移形式以躍移為主，而巖屑顆粒群則主要以蠕移和躍移2種形式運移。

2) 近鉆頭處安裝具有研磨功能的井眼凈化工具，可以重復破碎難以運移的大顆粒巖屑，形成適合氣體攜帶的巖屑粒徑分布，提高井眼凈化效果。

3) 增大注氣量，是提高氣體鉆水平井井眼凈化效果行之有效的辦法。

4) 在鉆桿適當位置處安裝井眼凈化工具，實現(xiàn)對水平環(huán)空流場較大的擾動，可以達到提高井眼凈化效果的目的。

5) 鉆柱偏心會使單顆粒巖屑和巖屑顆粒群運移距離變短，跳躍高度變低，影響井眼凈化效果。因此，可在鉆柱添加減磨接頭、穩(wěn)定器和變徑短節(jié)，提高鉆桿的居中度。

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[編輯 劉文臣]

SonicPacer聲波頁巖評價技術

斯倫貝謝公司研發(fā)了用于頁巖儲層評價的新型隨鉆聲波測井儀SonicPacer，該測井儀能提供頁巖儲層橫向應力剖面，有助于認清儲層橫向破碎特性，幫助作業(yè)者優(yōu)化完井設計，降低增產成本，提高采收率。依據(jù)優(yōu)化后的完井設計進行射孔，可以將有貢獻的射孔孔眼數(shù)從傳統(tǒng)完井設計的66%提高至80%，甚至更高。

SonicPacer在鉆井過程中沿著儲層橫向以偏心聲源發(fā)射定向的聲信號，并且采集記錄全波列波形。通過從全波列中提取清晰的水平偏振橫波、垂直偏振橫波和縱波模式波，并加以處理，從而獲得應力剖面。在后期增產措施中，通過降低每一個階段的差應力來優(yōu)化完井，以確保所有射孔簇被有效壓裂。

SonicPacer聲波頁巖評價技術具有以下特點：1)利用其提供的應力剖面優(yōu)化完井，即在各項應力差較小的區(qū)域布置射孔眼，并且使最大應力差從11.70 MPa降低到1.39 MPa，在此基礎上，也可以通過調整泵排量優(yōu)化壓裂施工，防止脫砂，縮短完井時間，降低完井成本；2)可以避免再次測井，提高鉆井效率；3)可獲得井眼信息，從而縮短建井周期。

[供稿 吳金平]

Numerical Simulation for Cuttings Migration during Gas Drilling of Horizontal Wells

Li Gao1, Xiao Guilin1, Li Xiaolin2, Li Cheng1

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation(SouthwestPetroleumUniversity),Chengdu,Sichuan,610500,China; 2.TarimDrillingCompany,CNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLimited,Korla,Xinjiang,841000,China)

To enhance the hole-cleaning performance during gas drilling of horizontal wells, research has been conducted for characteristics of cutting migration in horizontal sections. Based on the gas-solid flow model, the migration characteristics of single-particle cuttings and multi-particle cuttings were simulated using FLUENT at different diameters, gas injection rates, rotating speeds and eccentric distances of drillpipe. The results showed that in a horizontal annulus, single-particle cuttings mainly migratedin saltation, while multi-particle cuttings migrated in creep and saltation. For the gas injection rates of 50 m3/min, 70 m3/min and 90 m3/min, the first saltation distances of 5mm diameter cuttings were 0.55 m, 0.90 m and 1.50 m respectively. For the gas injection rate of 50 m3/min, 1.5 mm diameter cuttings’ first saltation distance is 1.5 times of 3.0 mm diameter cuttings.For the rotating speeds of 0 r/min and 60 r/min, the third saltation distances of 7.0 mm diameter cuttings were 0.43 m and 0.62 m respectively under the gas injection rate of 50 m3/min. For the eccentric distances of 0 mm, 10 mm and 15 mm, the second saltation distances of 6 mm diameter cuttings were 0.55 m, 0.44 m and 0.28 m respectively under the gas injection rate of 50 m3/min. Therefore, the faster gas injection rate, the smaller diameter of cuttings, the faster rotating speed and the smaller eccentric distance, the further would cuttings be removed. Taking measures such as improving gas injection rate appropriately, installing a hole cleaning device for horizontal well and moderating drilling pipe could benefit the hole cleaning efficiently.

gas drilling；horizontal well；migration of cuttings；numerical simulation；particle size；gas injection rate; rotating speed

2014-09-22；改回日期：2015-03-31。

李皋(1976—)，男，四川武勝人，1999年畢業(yè)于西南石油學院地質專業(yè)，2002年獲西南石油學院地質專業(yè)碩士學位，2005年獲西南石油大學油氣井工程專業(yè)博士學位，副研究員，主要從事氣體鉆井、欠平衡鉆井和儲層保護方面的研究。

國家自然科學基金重點項目“氣體鉆井技術基礎研究”(編號：51134004)和國家科技重大專項“低滲氣藏復雜地層高效鉆井關鍵技術”(編號：2011ZX05022-005)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201504012

TE21

A

1001-0890(2015)04-0066-07

聯(lián)系方式：(028)83034786，easonshaw@qq.com。