水平井片狀巖屑運移可視化實驗研究

劉宇涵 鐘瀚宇 李野松 楊普

摘要：為探究影響水平井片狀巖屑運移效率相關(guān)因素的影響效果，本研究參考邊界層繞流理論和解析運移模型，確定鉆井液排量、鉆桿轉(zhuǎn)速、環(huán)空偏心度等作為對運移效率具有顯著影響的工況因素，并選取參數(shù)范圍，使用巖屑運移實驗裝置開展了水平井片狀巖屑運移模擬實驗。基于水平環(huán)空巖屑運移分層模型理論，研究巖屑受力、運移方式和影響因素交互影響，進而找出各因素的影響作用以及各因素之間的交互作用。

關(guān)鍵詞：水平井;片狀巖屑運移;分層模型;方差分析

1引言

1.1研究背景

近年來，由于水平井、大位移井可以較大限度地增大儲層泄油面積，提高油氣采收率，因此在海洋、深部地層以及非常規(guī)油氣藏的開發(fā)中越來越多地采用水平井的開采方式，但在鉆井過程中出現(xiàn)的巖屑沉積、巖屑運移效率低等問題也非常明顯[1]。巖屑受重力作用沉積到底部形成巖屑床，對生產(chǎn)造成安全隱患。

本課題基于流體流動攜巖模型，通過對片狀巖屑懸浮、滾動、階躍運動的臨界條件進行分析，將鉆桿轉(zhuǎn)速、排量、偏心度三個因素作為實驗變量，采用片狀巖屑和長水平模擬井筒模擬真實情況下的巖屑運移過程，結(jié)合回歸分析和含有交互項的雙因素方差分析方法，研究實驗變量對巖屑運移效率的影響效果，為提高巖屑運移效率提供理論依據(jù)。

2巖屑運移受力分析

片狀巖屑主要受到液流推動力、摩擦力;重力、浮力和支撐力，以巖屑運移的三種模式[2]進行具體分析。

（1）懸浮

懸浮是片狀巖屑運動的方式之一，引起懸浮的主要因素是紊動作用。片狀巖屑輸送量可間接代表其運移速度，流量越大，巖屑輸送量也越多。懸浮巖屑在沉降過程中被渦流帶回上層，沉降速度變慢。

（2）滾動

位于巖屑床表面的片狀巖屑，當(dāng)氣液流推動力大于片狀巖屑所受摩擦力時，由于巖屑床表面的粗糙度較高，會形成滾動。

（3）躍移

在水平井段中，重力是構(gòu)成水平摩擦阻力的主要作用力，施加在片狀巖屑上的動力主要為氣液兩相的阻力，當(dāng)發(fā)生躍移時，片狀巖屑將不落回巖屑床表面而保持振蕩懸浮運移狀態(tài)。

經(jīng)以上分析，發(fā)現(xiàn)影響巖屑運移的主要因素有鉆桿轉(zhuǎn)速、排量、偏心度等，本實驗選取此三種變量進行巖屑運移模擬實驗，觀測并驗證巖屑運移狀態(tài)，進一步研究各影響因素的作用效果以及因素間的交互作用。

3巖屑運移狀態(tài)

通過模擬現(xiàn)場實驗，再結(jié)合巖屑運移模型，發(fā)現(xiàn)隨著鉆井液流速增大，有如下巖屑運移狀態(tài)：

（1）靜止巖屑床

流速較低時，拖曳力和舉升力影響很小，片狀巖屑在重力影響下沉降堆積，形成巖屑床，此時片狀巖屑基本靜止于巖屑床面。

（2）移動、靜止巖屑床

當(dāng)流速增加至一定程度，床面片狀巖屑就開始向前運移，巖屑之間碰撞躍移上升后又掉落至床面，啟動速度較大的片狀巖屑還可能再次反彈[4]。

（3）巖屑懸浮、移動和靜止巖屑床

流速進一步增加，片狀巖屑浮重與渦旋效應(yīng)較弱，躍移片狀巖屑將不落回巖屑床表面而保持振蕩懸浮運移狀態(tài)，此時既存在懸浮層，又存在移動和靜止巖屑床[5]，巖屑懸浮層的存在有利于巖屑運移。

（4）巖屑懸浮、移動巖屑床

流速增至足以將移動巖屑床舉升至主流區(qū)，鉆井液不斷驅(qū)使靜止巖屑床開始向前運移，直至靜止巖屑床全部消失，僅剩懸浮層和移動巖屑床[4]。

（5）非均勻懸浮

當(dāng)流速繼續(xù)增大，巖屑所受拖曳力開始占主導(dǎo)作用，此時巖屑所受的上舉力也逐漸增大，巖屑從沉積狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼腋顟B(tài)，此時巖屑全部懸浮于環(huán)空，且下部的巖屑濃度明顯高于上部[6]。

（6）均勻懸浮運移模型

在足夠高的剪切速率下，鉆井液紊流流動，巖屑沉降速度較小起主導(dǎo)作用的拖曳力驅(qū)動巖屑隨液相一起流動，固液兩相間不存在滑脫，整體呈現(xiàn)為均勻的懸浮流動狀態(tài)[6]。

4巖屑運移模擬實驗

4.1實驗裝置

本實驗依據(jù)實際水平井的結(jié)構(gòu)情況，設(shè)計并組裝了一套長度為20.8m，環(huán)空內(nèi)徑220mm、鉆具外徑127mm、鉆頭及鉆具連接處外徑170mm的可視化水平環(huán)空巖屑運移模擬裝置。

為與實際鉆井情況一致，所用巖屑為片狀巖屑;考慮實驗的可視化及設(shè)備使用等原因，使用清水模擬鉆井液。

4.2實驗參數(shù)確定

在水平段鉆進過程中，影響巖屑運移且模擬實驗調(diào)節(jié)的參數(shù)主要包括：鉆井液排量、環(huán)空偏心度、鉆桿轉(zhuǎn)速等。實驗參數(shù)范圍如表 4 1所示：

5實驗分析

下面以鉆井液排量、鉆具轉(zhuǎn)速和環(huán)空偏心度作為因素展開雙因素方差分析，過程中采用Python statsmodels函數(shù)庫編程計算。

5.1等重復(fù)試驗的雙因素方差分析

構(gòu)建的雙因素方差分析模型，對模型假設(shè)進行檢驗并導(dǎo)出檢驗統(tǒng)計量，根據(jù)檢驗量展開檢驗分析交互效應(yīng)是否顯著[7]。

在控制鉆桿轉(zhuǎn)速10r/min的情況下，進行排量與偏心度的正交試驗，測量巖屑運移出井筒所需時間，正交試驗表如圖5-1所示。

利用結(jié)果進行方差分析，如表5-2所示：

表中x1和x2分別表示排量和偏心度，在顯著性水平為0.05的情況下，當(dāng)時，可認(rèn)為該因素對指標(biāo)的影響顯著，從分差分析結(jié)果，可知偏心度和排量的交互效應(yīng)顯著。因此，在實際應(yīng)用中，選取適當(dāng)偏心度和排量的組合將提升巖屑運移效率。

6結(jié)論

通過理論分析，并結(jié)合巖屑運移模擬實驗及數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論：

（1）排量和轉(zhuǎn)速的增加提高了巖屑運移效率，而偏心度的增加降低了巖屑運移效率;

（2）提高鉆桿轉(zhuǎn)速和減小環(huán)空偏心度主要是通過減少巖屑沉積，增大懸浮層濃度，從而加速巖屑的運移;

（3）偏心度和排量二者的交互作用對提升巖屑運移效率較為顯著，且交互影響效果強于排量影響效果，弱于偏心度影響效果。

參考文獻

[1]倪曉東，高艷寧.大斜度井段巖屑床厚度計算模式研究[J].中州煤炭，2016（06）：131-134.

[2]楊玉良，蒲曉林，魏治明.水平井巖屑床清除的應(yīng)用研究[J].鉆井液與完井液，1994（01）：16-20.

[3]魏納，劉洋，崔振軍，江林，李海濤，徐漢明.海洋天然氣水合物層鉆水平井不同擴徑方式攜巖能力圖版[J].石油鉆采工藝，2019，第41卷（4）：435-440

[4]湯捷.水平井片狀巖屑啟動及運移規(guī)律研究[D].東北石油大學(xué)，2019.

[5]魏納，孟英峰，李皋等.欠平衡鉆水平井巖屑運移可視化實驗[J].天然氣工業(yè)，2014，（1）：80-85.

[6]宋巍.水平井巖屑運移規(guī)律研究[D].西南石油大學(xué)，2013.

[7]司守奎.Python數(shù)學(xué)實驗與建模.[M].北京：科學(xué)出版社，2020：150–155.

課題：水平井片狀巖屑高效清除實驗 （課題編號：2020KSZ01050）