氣體鉆井巖屑遇水黏附現(xiàn)象與對(duì)策研究

祝效華，劉 骉，門宏建，安家偉

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202)

0 引 言

1 氣體攜水和巖屑起動(dòng)實(shí)驗(yàn)

氣體鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)一般通過(guò)壓力表、流量計(jì)和濕度計(jì)獲取井下情況，無(wú)法直觀反映巖屑和地層水的存在形式，因此，搭建了可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)。由于泥頁(yè)巖和水混合后黏附嚴(yán)重，無(wú)法直接觀察，在不考慮相互作用的情況下，對(duì)水平段巖屑起動(dòng)和氣體攜水過(guò)程分別模擬分析[8-10]。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方案

實(shí)驗(yàn)裝置的可視部分全長(zhǎng)為10 m，外管為有機(jī)玻璃，其內(nèi)徑為150 mm(模擬Φ152.4 mm井眼)；內(nèi)管為PVC材質(zhì)，其外徑為75 mm與105 mm(分別模擬Φ73.0 mm鉆桿與接頭)。其他設(shè)備包括：高壓風(fēng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)閥各1臺(tái)；渦街流量計(jì)與蝶閥各1個(gè)；浮子流量計(jì)和球閥各1個(gè)。

實(shí)驗(yàn)流程：①啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，等待流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后調(diào)節(jié)蝶閥，使流量計(jì)讀數(shù)降至最??；②調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)閥至指定轉(zhuǎn)速并持續(xù)加入巖屑(或通過(guò)注水管線注水)；③調(diào)節(jié)蝶閥使流量計(jì)讀數(shù)增大，觀察與拍攝巖屑(或水流)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)明顯變化時(shí)記錄流量計(jì)讀數(shù)。

實(shí)驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度為20 ℃；巖屑粒徑為0～8 mm；巖屑流量為0～20 kg/min；空氣流量為0～2 800 m3/h；注水流量為0.0～2.0 m3/h；鉆桿轉(zhuǎn)速為0～180 r/min；偏心度為0.0～0.2。

1.2 氣體攜水現(xiàn)象

分別以0.5、1.0、1.5、2.0 m3/h的流量向環(huán)空注水，觀察環(huán)空氣流對(duì)地層水的攜帶現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：水流受到重力作用匯聚在環(huán)空下部緩慢流動(dòng)；隨著氣體流量增大，水流速度加快，位于環(huán)空下部的水流厚度減小并形成不均勻的水膜，少量水以懸浮液滴形式被氣流攜帶前進(jìn)；氣體流速進(jìn)一步增大，形成下厚上薄的波動(dòng)水膜并鋪滿玻璃管內(nèi)壁，懸浮液滴分散得更小且形狀扁平；當(dāng)注水量越大時(shí)，攜水所需的氣體流量越大，環(huán)空內(nèi)壁液膜的厚度隨之顯著增加，懸浮液滴尺寸更小、個(gè)數(shù)更多。

1.3 巖屑起動(dòng)現(xiàn)象

在不考慮地層水時(shí)，為分析氣流帶動(dòng)巖屑起動(dòng)的過(guò)程，分別以5、10、15 kg/min的質(zhì)量流量加入干燥巖屑，觀察巖屑起動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨氣體流量增大，環(huán)空逐漸出現(xiàn)小粒徑巖屑堆積，粉塵狀巖屑以懸浮形式被氣流帶走；進(jìn)一步增大氣體流量，各種粒徑巖屑均出現(xiàn)大量堆積并形成固定巖屑床，巖屑床整體呈長(zhǎng)條帶狀躺于下井壁；再加大氣體流量，流速超過(guò)11 m/s時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)巖屑床體積保持穩(wěn)定，隨后巖屑床中的巖屑出現(xiàn)抖動(dòng)與緩慢推移；隨氣體流量進(jìn)一步增大，流速達(dá)到16.78 m/s時(shí)，巖屑床表面的巖屑開始滾動(dòng)，逐步由巖屑床迎風(fēng)面滾動(dòng)或躍移至背風(fēng)面，此時(shí)巖屑床縮短速度大于增長(zhǎng)速度，體積逐步減小，巖屑床最后完全消失時(shí)氣體流速達(dá)到33.54 m/s。實(shí)驗(yàn)中，在鉆桿環(huán)空處出現(xiàn)了固定巖屑床的形成、增長(zhǎng)、穩(wěn)定、減小與消失的全過(guò)程。

本文研究由生產(chǎn)同質(zhì)新能源汽車的雙寡頭車企構(gòu)成的有特定需求的消費(fèi)市場(chǎng)，企業(yè)可以通過(guò)研發(fā)高續(xù)航里程的新能源汽車來(lái)獲取更多的積分，從而出售獲取利潤(rùn)。在該博弈模型中，政府首先根據(jù)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求以及科技進(jìn)步需求，制定針對(duì)新能源汽車的CAFC得分效率θ1；企業(yè)在已知θ1后進(jìn)行續(xù)航技術(shù)研發(fā)，決策續(xù)航里程研發(fā)量si，此時(shí)，有續(xù)航研發(fā)合作與續(xù)航研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)兩種情形；最后，雙寡頭新能源車企開展產(chǎn)量博弈。企業(yè)i的利潤(rùn)函數(shù)為：

2 巖屑聚團(tuán)黏附機(jī)理和對(duì)巖屑的影響

2.1 聚團(tuán)黏附機(jī)理

在氣體鉆水平井鉆遇地層水時(shí)，環(huán)空會(huì)出現(xiàn)氣、液、固三相混合流動(dòng)，導(dǎo)致巖屑顆粒與顆粒間、顆粒與井壁間黏附的主要作用力有范德華力、毛細(xì)力和靜電力。自由水受毛細(xì)力作用侵入巖屑床過(guò)程中，黏土礦物首先開始表面水化，在水化能驅(qū)動(dòng)下，水分子與氧原子形成氫鍵保持在黏土表面，接著以氫鍵方式逐層連接，形成多層吸附；然后開始滲透水化，當(dāng)黏土晶層吸附的陽(yáng)離子濃度高于所侵入液相中的濃度時(shí)，在濃度差作用下形成的滲透壓使水分子擴(kuò)散進(jìn)入晶層間，增加晶層間距而形成擴(kuò)散雙電層，導(dǎo)致了泥頁(yè)巖體積的膨脹。

在地層水大量侵入泥頁(yè)巖孔隙前，顆粒間含有部分強(qiáng)結(jié)合水及少量弱結(jié)合水，相互作用力較小且相對(duì)獨(dú)立，因此，黏附力很??；隨地層水的滲入，泥頁(yè)巖進(jìn)入塑性階段，巖屑中含有大量弱結(jié)合水以及部分自由水，在毛細(xì)力、范德華力和靜電力作用下，巖屑顆粒之間、顆粒與介質(zhì)之間的吸引力增強(qiáng)；隨著巖屑中含水量的進(jìn)一步增加，顆粒間的毛細(xì)力由逐漸增加變?yōu)榻档?，尤其大量自由水進(jìn)入泥頁(yè)巖后，使得顆粒與顆粒之間、顆粒與介質(zhì)之間的毛細(xì)力大幅降低，宏觀黏附力也隨之下降。

在有液相吸附于泥頁(yè)巖孔隙時(shí)，導(dǎo)致巖屑聚團(tuán)黏附的作用力效果大小依次為毛細(xì)力、范德華力、靜電力。研究表明[11]，除強(qiáng)帶電性的高分子顆粒以外，顆粒間的靜電力一般遠(yuǎn)小于范德華力和毛細(xì)力，故可忽略不計(jì)。

2.2 黏附對(duì)巖屑的影響

2.2.1 巖屑顆粒受到的黏附力

為定量研究巖屑起動(dòng)時(shí)受到黏附力的阻礙作用，計(jì)算了巖屑之間以及巖屑和井壁間的范德華力Fvdw和毛細(xì)力Fc[11](表1)。

由表1可知：相同條件下毛細(xì)力遠(yuǎn)大于范德華力，即毛細(xì)力對(duì)巖屑的黏附起決定作用；相同直徑巖屑顆粒之間的毛細(xì)力較小，巖屑顆粒與井壁間的毛細(xì)力較大；在2個(gè)接觸的巖屑顆粒間，當(dāng)一個(gè)巖屑顆粒直徑給定時(shí)，毛細(xì)力隨著另一巖屑顆粒直徑的增大而增大。

表1 不同粒徑巖屑間的范德華力和毛細(xì)力

2.2.2 巖屑顆粒的起動(dòng)受力

為分析巖屑起動(dòng)時(shí)的受力，建立了簡(jiǎn)化后的巖屑起動(dòng)模型(圖1)。

如圖1a，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于阻力時(shí)，巖屑顆粒達(dá)到滑動(dòng)起動(dòng)狀態(tài)：

F=f(λ，dv，φ，μ，θ)=FD-f-Gcosθ>0

(1)

式中：F為驅(qū)動(dòng)力，N；λ為扁平度系數(shù)；dv為等效直徑，m；φ為沉陷度特征角，rad；μ為摩擦系數(shù)；θ為井斜角，rad；FD為氣流曳力，為巖屑提供沿井眼軸向的動(dòng)力，N；f為顆粒起動(dòng)時(shí)受到的滑動(dòng)摩擦力，N；G為巖屑重力，N。

圖1 巖屑起動(dòng)時(shí)受力情況

如圖1b，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩大于阻力矩時(shí)，巖屑顆粒達(dá)到滾動(dòng)起動(dòng)狀態(tài)：

(2)

由于起動(dòng)瞬間FN、L4、L5為0，可不考慮，故式(2)可簡(jiǎn)化為：

M=f(λ，dv，φ，θ)=FDL1-(G-Ff)L2

(3)

根據(jù)式(1)和(3)，可以得到巖屑黏附力和起動(dòng)力之間的定量關(guān)系，進(jìn)而從巖屑起動(dòng)過(guò)程和受力狀態(tài)的角度，分析起動(dòng)力、黏附力及兩者間的相互關(guān)系隨巖屑平均粒徑的變化趨勢(shì)(圖2、3)，可得到巖屑起動(dòng)的臨界條件，為后續(xù)對(duì)策的研究提供理論基礎(chǔ)。

圖2 不同粒徑下黏附力和巖屑起動(dòng)力

由圖2可知：當(dāng)巖屑粒徑為0.0～3.0 mm時(shí)，起動(dòng)力FD小于最小黏附力Fcmin，可認(rèn)為所有受到毛細(xì)力作用黏附的巖屑均無(wú)法起動(dòng)；當(dāng)巖屑粒徑為3.0～6.1 mm時(shí)，起動(dòng)力FD位于最小黏附力Fcmin和最大黏附力Fcmax之間，并隨巖屑粒徑的增大而上升，逐步逼近最大黏附力Fcmax，可認(rèn)為部分巖屑具有足以擺脫毛細(xì)力的起動(dòng)力，并隨巖屑粒徑增大，能夠起動(dòng)巖屑的比例提高。

由圖3a、b可知：當(dāng)巖屑平均粒徑為0.5 mm和1.5 mm時(shí)，隨著被黏附巖屑粒徑的增大，黏附力上升，起動(dòng)力保持不變，并且?guī)r屑顆粒受到的黏附力遠(yuǎn)大于起動(dòng)力，即巖屑無(wú)法起動(dòng)。由圖3c可知：對(duì)平均粒徑為2.5、3.5、6.1 mm的巖屑，黏附力隨著被黏附巖屑粒徑的增大而升高，當(dāng)被黏附巖屑粒徑超過(guò)3.5 mm或黏附于井壁時(shí)，起動(dòng)力大于黏附力，可認(rèn)為巖屑能夠起動(dòng)。

3 影響因素分析

3.1 地層出水量

在氣體鉆井的水平段，根據(jù)滲流理論和勢(shì)能理論可得到地層出水流量的計(jì)算公式[12-14]。地層水是導(dǎo)致泥頁(yè)巖巖屑黏附的直接原因，出水量決定了環(huán)空流態(tài)和巖屑運(yùn)移難度，一般認(rèn)為地層出水流量QW≤2 m3/h時(shí)，可通過(guò)加大注氣量或干燥劑控制環(huán)空水量，保證氣體鉆井的進(jìn)行。

圖3 巖屑的黏附力和起動(dòng)力

3.2 隨鉆巖屑量

隨鉆產(chǎn)生的巖屑量主要取決于井眼直徑和機(jī)械鉆速，巖屑流量計(jì)算式見文獻(xiàn)[15-16]。

氣體鉆井的機(jī)械鉆速可達(dá)20 m/h，假設(shè)水平段井眼尺寸為152.4 mm，巖屑密度為2.8 g/cm3，由巖屑流量計(jì)算式計(jì)算得到巖屑流量為0.0～1 020.6 kg/h。在無(wú)水井眼中可通過(guò)控制機(jī)械鉆速K減小攜巖負(fù)擔(dān)，由巖屑起動(dòng)實(shí)驗(yàn)可知，在Φ152.4 mm井眼中按工程注氣量注氣，當(dāng)0 m/h≤K<11 m/h時(shí)，可有效清潔井眼；當(dāng)11 m/h≤K<15 m/h時(shí)，遇到大粒徑顆粒會(huì)出現(xiàn)滯留甚至巖屑床；當(dāng)K≥15 m/h時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不斷增長(zhǎng)變厚的巖屑床。因此，在無(wú)出水的氣體鉆水平井中，建議將鉆速控制在15 m/h以內(nèi)。

3.3 液固比

液固比即為地層出水量和隨鉆巖屑量之比，其大小直接影響著巖屑床的存在形式，隨液固比上升巖屑床由固態(tài)經(jīng)半固態(tài)和塑性狀態(tài)最后變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)，巖屑的狀態(tài)決定黏附形式，使其可能以分散態(tài)、泥餅態(tài)或液漿態(tài)附著于井壁，并具有不同的強(qiáng)度、剛度、黏滯性和表面摩阻[17-18]。實(shí)際施工中，由傳感器測(cè)得出水量與層位，可初步判斷巖屑床形成情況，為進(jìn)一步確認(rèn)其存在形式、尺寸大小和黏附位置，對(duì)遇水實(shí)際井眼中的巖屑狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè)[19]。表2為給定工況下對(duì)3口井中不同出水量條件下巖屑狀態(tài)的預(yù)測(cè)，表3為D井中出水量與機(jī)械鉆速對(duì)巖屑狀態(tài)的影響。

表2 對(duì)地層出水井中巖屑狀態(tài)的預(yù)測(cè)

表3 D井不同機(jī)械鉆速(巖屑量)對(duì)巖屑狀態(tài)的影響

由于處于塑性狀態(tài)和剛進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的混合物黏性最強(qiáng)，應(yīng)將井下的巖屑狀態(tài)控制在固態(tài)、半固態(tài)或液固比較高的流動(dòng)狀態(tài)，以避免巖屑顆粒的聚團(tuán)黏附。如表2中B井，全井段均有較嚴(yán)重的地層出水，巖屑在大部分位置都處于流動(dòng)狀態(tài)，可通過(guò)控制機(jī)械鉆速減少巖屑量以提高液固比，稀釋液固兩相流，從而加速其流動(dòng)。

若地層出水量較小，可通過(guò)降低液固比以控制巖屑狀態(tài)。如表3中D井，當(dāng)機(jī)械鉆速為20 m/h，即巖屑流量為1 020.6 kg/h時(shí)，液固比很小，大部分巖屑的狀態(tài)為固態(tài)、半固態(tài)，只需加大注氣量以攜帶巖屑流量超過(guò)765.45 kg/h部分的巖屑(對(duì)應(yīng)機(jī)械鉆速超過(guò)15 m/h)；當(dāng)鉆速為10 m/h時(shí)，在井段2和4處出現(xiàn)了塑性狀態(tài)巖屑，在井段3處出現(xiàn)了低液固比的流動(dòng)狀態(tài)巖屑，這2種狀態(tài)下巖屑極易黏附，僅通過(guò)加大注氣量無(wú)法有效清理，只有提高鉆速，降低液固比，使巖屑處于固態(tài)、半固態(tài)，才能更好地保證鉆進(jìn)。

4 結(jié) 論

(1) 在氣體鉆井的水平段，除少量小顆粒外，大部分巖屑沉積于下井壁緩慢前進(jìn)，環(huán)空中的水主要以水膜形式緊貼井壁流動(dòng)并伴隨少量懸浮液滴。

(2) 巖屑吸入地層水發(fā)生水化作用，導(dǎo)致顆粒在毛細(xì)力作用下黏附聚團(tuán)，使平均粒徑為0.5 mm和1.5 mm的所有巖屑，以及平均粒徑為2.5、3.5、6.1 mm的部分巖屑無(wú)法起動(dòng)。

(3) 在出水量小的地層，可通過(guò)提高鉆速，增大固體巖屑流量，使巖屑床處于固態(tài)，不易黏附；在出水量大的地層，可通過(guò)控制鉆速，減小固體巖屑流量，使巖屑與溶液混合物處于流動(dòng)狀態(tài)，以避免黏附，從而為遇水情況下氣體鉆水平井的順利進(jìn)行奠定技術(shù)基礎(chǔ)。