連續(xù)管鉆塞水平段鐵屑運(yùn)移機(jī)理研究

劉少胡，李思行，馮　定，馬衛(wèi)國，管　鋒

(長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

0　引言

近年來，水平段連續(xù)管鉆磨橋塞技術(shù)使用十分廣泛，尤其是在低滲透油藏的開發(fā)中。連續(xù)管以其尺寸小、無節(jié)箍、起下速度快、鉆磨速度快、管柱撓性大，以及可實現(xiàn)邊鉆邊沖連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點[1-2]，成為水平段高效快速鉆磨橋塞的工藝技術(shù)之一。

卡鉆是連續(xù)管鉆塞遇到的最常見的技術(shù)難題之一，而卡鉆的原因是起連續(xù)管時，不能有效地將井下鉆磨的橋塞碎鐵屑返出，鐵屑易堆積在井下工具環(huán)空部位[3-5]。鐵屑堆積容易造成螺桿卡死、鉆磨工具被卡以及次生的其他事故[6-9]。

目前關(guān)于連續(xù)管現(xiàn)場應(yīng)用及水平段巖屑運(yùn)移研究較多[10-16]，而關(guān)于連續(xù)管鉆塞水平段鐵屑運(yùn)移的研究較少。因此，有必要對連續(xù)管鉆塞水平段環(huán)空偏心度、鉆塞液排量、鐵屑直徑、鉆塞液粘度和鐵屑體積分?jǐn)?shù)變化對運(yùn)移規(guī)律的影響進(jìn)行深入研究。

1　數(shù)值模型建立

1.1　控制方程

1)連續(xù)性方程

(1)

式中：ux，uy，uz分別為x,y,z等3個方向的速度分量，m/s；t為時間，s；ρ為密度， kg/m3。

2)動量方程

x,y,z等3個方向的動量方程為：

(2)

式中：p為流體微元體上的壓強(qiáng)，Pa；τxx，τyy，τzz是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力τ的分量；fx，fy，fz為3個方向的單位質(zhì)量力， m/s2。

3)能量方程

(3)

式中:E為流體微團(tuán)的總能，J/kg；h為焓，J/kg；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·k)；keff=k+kt，kt為湍流熱傳導(dǎo)系數(shù)；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；Sh為包括了化學(xué)反應(yīng)熱的體積熱源項[6]。

1.2　計算模型及邊界條件

本文選用工程常用的φ127.3 mm的水平井眼為研究對象，采用文獻(xiàn)[2]中連續(xù)管鉆塞管柱串:φ60.3 mm連續(xù)管+外卡瓦連接器+雙瓣式單向閥+雙向震擊器+液壓丟手+雙向加速器+井下液動馬達(dá)+PDC鑲齒5刀翼磨鞋，管柱串長度為100 m。井下攜鐵屑示意見圖1。采用非均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，

液固兩相流從

偏心環(huán)空入口流入，入口為速度入口，出口為壓力出口，井壁和連續(xù)管為無滑移固定壁面，鐵屑的密度為7 800 kg/m3。

圖1　連續(xù)管鉆塞管柱串井下攜鐵屑示意Fig.1　Schematic diagram of CT drilling string carrying iron filings in the borehole

2　水平段鉆塞敏感參數(shù)分析

為研究水平段鉆塞液攜帶鐵屑的敏感參數(shù)，數(shù)值計算了環(huán)空偏心度、鉆塞液排量、鐵屑粒徑、鉆塞液粘度和鐵屑體積分?jǐn)?shù)對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響。

2.1　環(huán)空偏心度對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響

為了研究偏心度對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響，設(shè)定鐵屑的體積分?jǐn)?shù)為21%，入口排量為360 L/min，鐵屑直徑為10 mm，鉆塞液粘度為20 cp。如圖2所示，隨著偏心距的增加，環(huán)空底部沉積的鐵屑越來越多，尤其是當(dāng)偏心距為30 mm時，鐵屑床厚度為37 mm，鐵屑床厚度超過了所允許的井眼直徑的10%(井眼直徑為127.3 mm)。

圖2　不同環(huán)空偏心度時鐵屑運(yùn)移Fig.2　The iron filings transport law of different annulus eccentricity

由圖3可知，隨著偏心距的增加，固定床體積分?jǐn)?shù)(約為90%)、移動床體積分?jǐn)?shù)和懸浮鐵屑體積分?jǐn)?shù)基本保持不變，但固定床最低點高度急劇增加，由此可以看出，鐵屑在水平段很容易積聚成床，且鐵屑運(yùn)移困難，若不采取措施清除鐵屑床，鉆塞過程極易發(fā)生連續(xù)管自鎖、卡鉆等事故。

2.2　排量對環(huán)空鐵屑運(yùn)移的影響

為了研究排量對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響，計算時鐵屑的體積分?jǐn)?shù)為30%，鐵屑直徑為5 mm，鉆塞液粘度為10 cp，偏心度為10 mm。如圖4所示，隨著鉆塞液排量的增加，環(huán)空鐵屑流速明顯增大，并且環(huán)空鐵屑上部流速增大速度高于下部流速增大速度。當(dāng)鉆塞液排量為240 L/min時，環(huán)空約40%為零速區(qū)，分析認(rèn)為主要原因為環(huán)空流體的紊流強(qiáng)度不足以運(yùn)移鐵屑，因此鐵屑在環(huán)空底部發(fā)生沉積。當(dāng)鉆塞排量增大時，環(huán)空流體的紊流強(qiáng)度增大，鐵屑速度增大，鐵屑沉積現(xiàn)象得到改善。

圖3　環(huán)空偏心度對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響曲線Fig.3　The curve of annulus eccentricity on the effect of iron filings transport rule

圖4　水平段鐵屑環(huán)空速度Fig.4　The annulus velocity of iron filings in horizontal well

由圖5可知，隨著鉆塞液排量增大，固定床的高度迅速下降并且移動床鐵屑體積分?jǐn)?shù)也有所提高。較大排量鉆塞液形成沖擊湍流速度較高，鉆塞液的沖擊攜帶力增強(qiáng)，鐵屑床更易被破壞，以及鐵屑易被運(yùn)走。當(dāng)入口排量為480 L/min時，環(huán)空鐵屑床高度小于10 mm，在所允許的高度范圍內(nèi)(允許高度為小于12.7 mm)。由此得出提高鉆塞液排量可預(yù)防鐵屑沉降和破壞鐵屑床。

圖5　排量對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響曲線Fig.5　The curve of displacement on the effect of iron filings transport law

2.3　鉆塞液粘度對環(huán)空鐵屑運(yùn)移的影響

為了研究鉆塞液粘度對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響，計算時鐵屑體積分?jǐn)?shù)為21%，入口排量為360 L/min，鐵屑直徑為10 mm。如圖6所示，隨著鉆塞液粘度的增大，沉積在環(huán)空底部的鐵屑由于鉆塞液的粘滯作用被帶起，以及引起移動鐵屑的體積分?jǐn)?shù)開始增加，同時由圖可以看出沉積在環(huán)空底部的固定床的高度隨著鉆塞液粘度的增大而逐漸減小。由此可見，增加鉆塞液粘度有利于啟動沉積的鐵屑，減輕鐵屑沉降的程度，更加容易將鐵屑從井中攜帶出來，從而保持井內(nèi)清潔。

圖6　粘度對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響曲線Fig.6　The curve of viscosity on the effect of iron filings transport law

2.4　鐵屑粒徑對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響

為了研究鐵屑直徑對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響，初始條件設(shè)置鐵屑的體積分?jǐn)?shù)為21%，入口排量為360 L/min，偏心度為10 mm，鉆塞液粘度為10 cp。如圖7所示，隨著鐵屑粒徑的增大，固定床高度迅速升高，當(dāng)粒徑由10 mm增大到15 mm，固定床高度變化幅度減小，說明當(dāng)粒徑達(dá)到10 mm后，鉆塞液的攜帶力已經(jīng)不足以攜帶起沉積在環(huán)空底部的鐵屑；并且隨著鐵屑粒徑的增大，移動鐵屑逐漸向環(huán)空底部沉積，移動床的鐵屑體積分?jǐn)?shù)迅速下降，此時鐵屑主要以固定床和少量移動床的形式存在。為此，為控制鐵屑粒徑，便于鐵屑更易排出，建議低鉆壓高扭矩鉆磨。

圖7　鐵屑粒徑對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響曲線Fig.7　The curve of iron diameter on the influence of iron filings transport rule

2.5　鐵屑體積分?jǐn)?shù)對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響

為了研究鐵屑體積分?jǐn)?shù)對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響，現(xiàn)在確定入口排量為240 L/min，鐵屑直徑為5 mm，鉆塞液粘度為10 cp，偏心度為10 mm。如圖8所示，隨著鐵屑入口體積分?jǐn)?shù)的增大，固定床高度發(fā)生了緩慢升高、迅速升高及基本保持不變的變化趨勢。分析認(rèn)為，當(dāng)鐵屑體積分?jǐn)?shù)較小時，鐵屑顆粒表面受到較大的鉆塞液沖擊攜帶力而被攜帶走，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，鐵屑顆粒之間的曳力逐漸增大，鉆塞液的攜帶力已經(jīng)不足以將鐵屑攜帶出環(huán)空，當(dāng)鐵屑體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高后，環(huán)空底部已經(jīng)被鐵屑顆粒完全充滿，所以固定床高度基本保持不變。并且隨著鐵屑體積分?jǐn)?shù)的增大，移動的鐵屑逐漸向環(huán)空底部沉積，移動床體積分?jǐn)?shù)緩慢減少，鐵屑顆粒主要以固定床和少量移動床的形式存在。

圖8　鐵屑體積分?jǐn)?shù)對鐵屑運(yùn)移規(guī)律的影響曲線Fig.8　The curve of iron filings volume fraction on the influence of iron filings transport rule

3　結(jié)論與建議

1)數(shù)值計算結(jié)果表明鉆塞液排量、鉆塞液粘度、鐵屑粒徑和鐵屑體積分?jǐn)?shù)均為影響環(huán)空鐵屑運(yùn)移的敏感參數(shù)。

2)根據(jù)計算結(jié)果建議控制鐵屑粒徑在5 mm左右，采取相關(guān)措施使鐵屑體積分?jǐn)?shù)在12%左右，根據(jù)工況適當(dāng)選擇較大的鉆塞液排量和鉆塞液粘度，以提高鐵屑的運(yùn)移效率。

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