連續(xù)油管鉆水平井井眼清洗規(guī)律研究

徐東升，楊 進(jìn)，殷啟帥，李舒展，張禎祥，張?zhí)飕|

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

為了在小井眼井中鉆水平井，常規(guī)鉆具組合難以滿足井眼尺寸以及摩阻轉(zhuǎn)矩的要求。連續(xù)油管鉆井具有摩阻較低、鉆井效率高等特點(diǎn)，因此在小井眼水平井以及其它鉆完井修井等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，連續(xù)油管不能旋轉(zhuǎn)、排量有限，產(chǎn)生的巖屑不能及時(shí)返出，對(duì)于小井眼水平井鉆井?dāng)y屑能力提出了十分嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在水平井中，鉆屑受重力的影響，巖屑積沉在井眼的下部。由于水力參數(shù)選擇以及井眼尺寸限制等原因，巖屑難以攜帶出井眼底部。采用常規(guī)的鉆井工藝，由于存在鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)以及渦流器等工具的作用，可以使巖屑順利帶出，但是，連續(xù)油管技術(shù)難以通過(guò)管柱來(lái)改變流體的流動(dòng)模型，井眼清洗變的更加困難。

為了使水平井、大斜度井中的巖屑清洗出，許多人對(duì)此進(jìn)行模擬研究。王馨雪、廖震等人利用Fluent模擬了大位移井中流速以及角速度對(duì)巖屑清洗的影響[1]。劉小剛、楊進(jìn)等人研究大斜度井中巖屑床的流場(chǎng)變化，并通過(guò)巖屑清除器機(jī)械清除巖屑[2]。楊樹人、張景富等人通過(guò)試驗(yàn)，研究井斜角，偏心度等因素與井眼清洗之間的相互關(guān)系[3]。閆鐵等通過(guò)試驗(yàn)，研究鉆井液的流變性對(duì)清除巖屑的影響，并確定了合適的鉆進(jìn)液流變參數(shù)[4]?？紤]到試驗(yàn)?zāi)M攜屑不夠準(zhǔn)確，連續(xù)油管在井眼中鉆進(jìn)缺少具體試驗(yàn)?zāi)M。本文進(jìn)行連續(xù)油管小井眼水平井鉆井Fluent模擬，分別研究不同水力參數(shù)以及流場(chǎng)條件對(duì)井眼清潔能力的影響，為連續(xù)油管鉆小井眼水平井提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

為了研究鉆井液在水平井中攜屑規(guī)律，本文采用Euler-Euler雙流體模型，將流體和顆粒分別視為連續(xù)質(zhì)點(diǎn)以及連續(xù)相擬流體，并在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)模擬方程進(jìn)行構(gòu)建[1]。

1.1.1 質(zhì)量守恒方程

在連續(xù)油管鉆井中，認(rèn)為鉆井產(chǎn)生的巖屑與鉆井液之間沒(méi)有質(zhì)量交換，液固兩相的密度均為固定常數(shù)，所以，連續(xù)性方程寫為：

1) 流體相。

2) 顆粒相。

式中：ε1為流體相的濃度；ε2為顆粒相的濃度；ρ1為流體相的密度；ρ2為顆粒相的密度；v1為流體相的速度；v2顆粒相的速度。

1.1.2 動(dòng)量守恒方程

由于流體相與顆粒相之間沒(méi)有質(zhì)量傳遞，因此，二者的動(dòng)量方程可以分別寫成：

1) 流體相。

2) 流體應(yīng)力張量。

式中：g為重力加速度；p為液相壓力；β為流體與巖屑作用系數(shù)；τ1為流體相的應(yīng)力張量。

3) 顆粒相。

4) 顆粒應(yīng)力張量。

1.1.3 湍流模型

利用Fluent模擬分析連續(xù)油管鉆小井眼水平井過(guò)程中的攜屑能力，采用k-ε湍流模型。通過(guò)下述兩個(gè)表達(dá)式分別對(duì)流體的湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε進(jìn)行描述：

式中：ut為湍流粘性系數(shù)；Gk為湍動(dòng)能增量；ρ為流體的密度；cu=0.08,c1=1.45,c2=1.9,σk=1,σε=1.3。

u1=cuρk2/ε

1.2 幾何模型

連續(xù)油管內(nèi)徑為76.2 mm，連續(xù)油管外徑為114.3 mm，研究長(zhǎng)度10 m。將網(wǎng)格劃分為非均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(Tec/hybrid-TGrid)，網(wǎng)格數(shù)量3.3×105，多相流和湍流模型分別采用歐拉模型、k-ε模型。液固兩相流體經(jīng)由偏心環(huán)空入口以5 m/s的設(shè)定流速流入，視井壁和連續(xù)油管保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，不產(chǎn)生任何相對(duì)滑動(dòng)。巖屑密度以及直徑參數(shù)分別為2 200 kg/m3、0.5 mm。為研究水平段鉆井液攜帶巖屑的敏感參數(shù)，數(shù)值計(jì)算了環(huán)空偏心度、鉆井液排量和鉆井液黏度對(duì)巖屑運(yùn)移規(guī)律的影響[6]。連續(xù)油管鉆井過(guò)程中油管與井筒之間的數(shù)值模型如圖1，幾何模型如圖2(注：圖中的流場(chǎng)為濃度場(chǎng))

圖1 連續(xù)油管與井筒的數(shù)值模型

圖2 連續(xù)油管與井筒的幾何模型

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 環(huán)空偏心對(duì)攜屑影響

設(shè)定環(huán)空偏心距分別為10、20、30 mm，巖屑密度分布如圖3所示，可以看出，隨著偏心距的增加，巖屑床堆積逐漸加重。[7]

鉆桿偏心是水平段鉆井中常見(jiàn)的問(wèn)題，會(huì)對(duì)巖屑的運(yùn)移產(chǎn)生負(fù)面影響。巖屑的運(yùn)移變化與鉆桿偏心度具有一定的相關(guān)性，為了研究其中的規(guī)律，設(shè)定巖屑直徑和體積分?jǐn)?shù)分別為0.5 mm和21%，入口排量以及鉆井液黏度分別為6 L/s和20 mPa·s。試驗(yàn)結(jié)果如圖4，水平環(huán)空上、下部巖屑運(yùn)動(dòng)具有較大的速度差，下部巖屑速度與偏心度之間表現(xiàn)為反相關(guān)系，偏心度越大，下部巖屑速度越小，因此，在水平環(huán)空開(kāi)始有巖屑沉積現(xiàn)象發(fā)生[8]。

圖3 不同環(huán)空偏心度時(shí)巖屑運(yùn)移密度分布

圖4 環(huán)空偏心度對(duì)巖屑運(yùn)移規(guī)律的影響曲線

分析認(rèn)為，這主要是由于重力作用，油管和巖屑均易向下運(yùn)動(dòng)。隨著環(huán)空偏心距的增加，導(dǎo)致環(huán)空下部流體速度逐漸減小，巖屑床形成堆積，最終巖屑床厚度超過(guò)了所允許的井眼直徑的10%(井眼直徑為114.3 mm)[9]。連續(xù)管的撓曲會(huì)增大偏心度，如果不通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段對(duì)巖屑床進(jìn)行有效清除，極容易引起連續(xù)管自鎖，或者卡鉆等事故障情況發(fā)生[10]。

2.2 鉆井液排量對(duì)攜屑影響

設(shè)定鉆井液排量分別為5、10、15 L/s，分析結(jié)果如圖5所示，可以看出，隨著排量的增加，井眼的清潔度逐漸提高。

圖5 不同鉆井液排量時(shí)巖屑運(yùn)移密度分布

模擬巖屑的體積分?jǐn)?shù)為30%，巖屑直徑為0.5 mm，鉆井液黏度為10 mPa·s，偏心度為10 mm。模擬鉆井試驗(yàn)結(jié)果如圖6顯示，環(huán)空巖屑流速與鉆井液排量之間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，排量越大，流速越高。另外，固定床的高度在鉆井液排量增大的過(guò)程中迅速下降，巖屑體積分?jǐn)?shù)在此過(guò)程中表現(xiàn)為一定程度的提升。因此，鉆井液排量越大，使得環(huán)空巖屑流速越大，可以形成具有較高速度的沖擊湍流，具有較大的巖屑沖擊攜帶力，巖屑床更易被破壞，巖屑易被運(yùn)走[11]。

圖6 不同鉆井液排量對(duì)巖屑運(yùn)移規(guī)律的影響曲線

通過(guò)上述模擬試驗(yàn)研究可知，為了防止巖屑沉降，可以提高鉆井液排量來(lái)增加沖擊湍流和沖擊攜帶力。研究顯示，鉆井液排量為15 L/s時(shí)，對(duì)巖屑體積分?jǐn)?shù)的降低效果非常顯著[12]。

2.3 鉆井液黏度對(duì)攜屑影響

設(shè)定鉆井液黏度分別為10、20、30 mPa·s，分析結(jié)果如圖7所示，隨著黏度的增加，黏滯力將會(huì)攜帶起更多巖屑[13]。

模擬計(jì)算巖屑體積分?jǐn)?shù)為21%，入口排量為6 L/s，巖屑直徑為0.5 mm。鉆井液黏度對(duì)巖屑運(yùn)移的影響如圖8所示，隨著鉆井液黏度的增大，沉積在環(huán)空底部的巖屑由于鉆井液的粘滯作用被帶起，引起移動(dòng)巖屑的體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始增加，沉積在環(huán)空底部的固定床的高度隨著鉆井液黏度的增大而逐漸減小。

由此可見(jiàn)，增加鉆井液黏度有利于啟動(dòng)沉積的巖屑，減輕沉降程度，有利于巖屑攜出以及井內(nèi)清潔。巖屑體積分?jǐn)?shù)隨著鉆井液黏度增大而增加，所以對(duì)鉆井液黏度進(jìn)行適當(dāng)提升有利于降低鉆柱摩阻，提高延伸能力[14]。

圖7 不同鉆井液黏度時(shí)巖屑運(yùn)移密度分布

圖8 鉆井液黏度對(duì)巖屑運(yùn)移規(guī)律的影響曲線

3 結(jié)論

1) 采用連續(xù)油管鉆水平井時(shí)，由于重力的作用，產(chǎn)生偏心環(huán)空，導(dǎo)致連續(xù)管上半部分返速大于下半部分返速，下半部分的巖屑難以被攜帶，巖屑沉積逐漸嚴(yán)重，延長(zhǎng)鉆井周期。

2) 模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著排量的增加，偏心環(huán)空的上、下部分的返速均有所增加。由于鉆井液的沖蝕作用，使巖屑被攜帶，使下半部分的巖屑床被清除。

3) 隨著鉆井液黏度的逐漸增加，由于鉆井液的黏滯作用，攜帶起環(huán)空中的巖屑，使環(huán)空中的巖屑床逐漸減小，最終清除巖屑。但是，考慮到破巖的原因，鉆井液的黏度不宜過(guò)高。