南海東部大位移井巖屑床動(dòng)態(tài)運(yùn)移與參數(shù)優(yōu)化*

劉永峰 朱 娜 高德利 左 坤 于立國(guó) 黃文君

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中海油田服務(wù)股份有限公司深圳分公司)

0 引 言

大位移井是在定向井、水平井和深井基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型鉆井技術(shù)，集中了各種常規(guī)井型的技術(shù)難點(diǎn)，代表了鉆井技術(shù)發(fā)展的新高度之一[1]。大位移井已在海洋、灘海、湖泊以及特殊陸地等復(fù)雜油氣田開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，并顯示出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]。而井眼凈化是大位移井鉆井過(guò)程中關(guān)鍵的問(wèn)題之一[3-7]。研究顯示，大約70%施工中損失的時(shí)間與卡鉆有關(guān)，而Hopkins的研究顯示約的卡管柱事故原因是井眼凈化不充分[8-10]。鉆井過(guò)程中井筒內(nèi)巖屑運(yùn)移不充分，易引起諸多問(wèn)題：①當(dāng)量循環(huán)密度增大，易壓漏地層；②加重鉆頭磨損；③降低鉆井速度；④高扭矩和摩阻壓耗；⑤井眼轉(zhuǎn)向問(wèn)題；⑥卡鉆，導(dǎo)致側(cè)鉆或油井報(bào)廢[11-13]。

南海東部自1997年西江24-3油田實(shí)施第一口大位移井以來(lái)，至今已在6個(gè)油氣田實(shí)施了100余口大位移井，形成南海東部大位移井關(guān)鍵技術(shù)，為南海東部減少開(kāi)發(fā)平臺(tái)數(shù)量和成本、盤(pán)活邊際油氣田作出重要貢獻(xiàn)。隨著石油工業(yè)技術(shù)發(fā)展，以及中海油“提質(zhì)增效”和重塑低成本優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略要求，亟需大位移井技術(shù)的革新與發(fā)展。因此，如何確定全井段巖屑床的厚度和位置、優(yōu)化巖屑床破壞器的安放是目前急需解決的難題[14-15]。

目前關(guān)于巖屑運(yùn)移的研究方法主要有三類(lèi)[10，15]：試驗(yàn)法、有限元仿真(Fluent)和雙層三層模型法。其中，試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)測(cè)量直接得到巖屑床的高度，但是受到試驗(yàn)條件的限制，不便于模擬復(fù)雜工具下巖屑的運(yùn)移。Fluent能夠模擬巖屑床破壞器下顆粒的運(yùn)移和分布，但是其計(jì)算時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，現(xiàn)有的模型長(zhǎng)度主要集中在數(shù)十米。分層模型法計(jì)算速度較快，在模擬全井段的巖屑床分布上有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是分層模型模擬的是一維分布，巖屑顆?？v向上的運(yùn)動(dòng)模擬有待完善。

為保證后續(xù)南海東部大位移井的高效實(shí)施，本文對(duì)南海東部大位移井井眼凈化問(wèn)題開(kāi)展了研究。通過(guò)兩層動(dòng)態(tài)巖屑床運(yùn)移模型分析了巖屑床動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律，并結(jié)合擴(kuò)散方程，完善了巖屑顆粒在縱向上的質(zhì)量交換，對(duì)巖屑床破壞器的安放和連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為大位移井井眼凈化作業(yè)提供技術(shù)支持。

1 巖屑床動(dòng)態(tài)運(yùn)移模型

1.1 兩層動(dòng)態(tài)巖屑床運(yùn)移模型的建立

巖屑床運(yùn)移兩層模型示意圖見(jiàn)圖1。模型做如下基本假設(shè)[16-18]：①上層為懸浮層，包括巖屑固相和鉆井液液相；②下層為巖屑床，此層中的巖屑體積分?jǐn)?shù)假定為52%；③固液體系均為不可壓縮介質(zhì)，固體顆粒具有相同的直徑和圓球度；④不考慮溫度變化的影響。

在上述假設(shè)條件下，根據(jù)流體力學(xué)理論，運(yùn)用質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量定理，推導(dǎo)出了巖屑床層及懸浮層的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程，此方程為一偏微分方程組[19-20]。

懸浮層中液相的動(dòng)量方程為：

(1)

懸浮層中固相的動(dòng)量方程為：

(2)

巖屑床層的動(dòng)量方程為：

(3)

懸浮層中液相的連續(xù)性方程為：

(4)

懸浮層中固相的連續(xù)性方程為：

(5)

巖屑床層的連續(xù)性方程為：

(6)

式中：A為面積，m2；C為體積分?jǐn)?shù)，無(wú)因次；v為速度，m/s；ρ為密度，g/cm3；p為壓力，Pa；τ為剪切力，Pa；S為潤(rùn)濕周長(zhǎng)，m；Φ為上下兩層交換的質(zhì)量,kg；F為干摩擦力，N；FCF為固體顆粒和液體之間的拖曳力，N；θ為井斜角，(°)；g為重力加速度，m/s2；下標(biāo)S代表懸浮層，B代表巖屑床層，I代表懸浮層與巖屑床的相界面，F(xiàn)代表懸浮層中的液相，C代表懸浮層中的固相。

由上可知，此模型需求解8個(gè)未知數(shù)，分別為AS、AB、vC、vF、vB、CC、CF和p，以上有6個(gè)方程不足以實(shí)現(xiàn)求解，因此需要添加兩個(gè)輔助方程：

AB+AS=AT

(7)

CC+CF=1

(8)

式中：AT為環(huán)空總截面積，m2。

由于模型方程組非線(xiàn)性較強(qiáng)，未知數(shù)之間還存在耦合，所以引用GUO X.L.等[21]的SETS方法求解。

1.2 懸浮層和巖屑床層之間的質(zhì)量交換

模型中上下兩層質(zhì)量交換，考慮了重力和紊動(dòng)擴(kuò)散作用下，巖屑顆粒下沉和上浮而引起的縱向上(徑向)質(zhì)量的變化，實(shí)質(zhì)是將原有的一維模型(軸向運(yùn)動(dòng))擴(kuò)展為簡(jiǎn)化的二維模型[22-23]。

目前采用的上下兩層質(zhì)量交換模式：

(9)

式中:C(y)為上層局部體積分?jǐn)?shù)；vdep為粒子的末沉降速度，m/s；vent為顆粒紊動(dòng)擴(kuò)散速度，m/s；下標(biāo)f、c分別代表液相和固相，ent和dep分別代表上升和沉降。

顆粒紊動(dòng)擴(kuò)散速度的計(jì)算方法為：

(11)

式中：v12為懸浮層與巖屑床的相界面的剪切速度，m/s；v12*為臨界摩擦速度，m/s。

由顆粒紊動(dòng)擴(kuò)散速度可見(jiàn)，當(dāng)流體速度低于臨界流速時(shí)，紊動(dòng)擴(kuò)散速度就為0。但是有學(xué)者質(zhì)疑了此觀點(diǎn)[24]，并通過(guò)試驗(yàn)證明即使流速非常小的時(shí)候，仍存在紊動(dòng)擴(kuò)散，因此本文結(jié)合擴(kuò)散方程，得到一種連續(xù)計(jì)算上下質(zhì)量交換的方式。

P.DORON等[25]假設(shè)擴(kuò)散機(jī)制是湍流擴(kuò)散和重力沉積的結(jié)合。一方面，湍流擴(kuò)散受大尺度漩渦控制，使流動(dòng)趨于各向同性，促使固體顆粒從高濃度區(qū)運(yùn)動(dòng)到低濃度區(qū)，即向上運(yùn)動(dòng)；另一方面，重力使顆粒沉降，即向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這兩種趨勢(shì)在穩(wěn)定條件下達(dá)到平衡時(shí)，上層固體的體積分?jǐn)?shù)可由擴(kuò)散方程得到：

(12)

式中：εp為局部擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

通過(guò)積分可以求出懸浮層的顆粒體積分?jǐn)?shù)[26]：

CT=CB(IO-II)/AS

(13)

(14)

(15)

[a1，a2，a3，a4]=

(16)

式中：do為井眼內(nèi)徑，m；di為鉆桿外徑，m；α為環(huán)空巖屑床面相對(duì)于井眼中心的圓心半角，rad；β為環(huán)空巖屑床面相對(duì)于鉆桿中心的圓心半角，rad；a1、a2、a3、a4分別為式(14)和式(15)的積分上下限，王文廣[26]根據(jù)巖屑床相對(duì)于鉆桿和井眼的不同高度分布，即上述5種幾何圖形(geocondition 1～5)，提出了a1、a2、a3、a4的計(jì)算方法。

因此，在徑向(y軸)上，單位時(shí)間內(nèi)懸浮層固體體積分?jǐn)?shù)的增加量可近似表示為：

(17)

式中：dt為時(shí)間步長(zhǎng)，s；CM為上層固體體積分?jǐn)?shù)；當(dāng)ΔCM為正時(shí)，表示向上運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散比沉積速度占優(yōu)勢(shì)，固體顆粒增加，反之亦然。

因此，兩層之間的質(zhì)量交換為[22]:

(18)

式中：ΦSF為懸浮層固相增加的質(zhì)量；ΦSC為懸浮層液相減少的質(zhì)量；ΦBS為巖屑床層固相減少的質(zhì)量。

模型求解流程如圖2所示。采用SETS法求解非線(xiàn)性方程組[21]。

2 巖屑床動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律分析

圖3 X-1井井眼軌跡圖Fig.3 Hole trajectory of Well X-1

X-1井為南海油田某大位移井，實(shí)際完鉆井深5 117 m，水平位移4 211.24 m，垂深1 704.46 m，水垂比為2.47。X-1井井眼軌跡和井身結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。在施工中遇到的典型問(wèn)題：倒劃眼困難，頻繁憋泵、憋扭矩，憋泵引起當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)瞬時(shí)升高壓漏地層，由于井漏和卡鉆的出現(xiàn)，導(dǎo)致整個(gè)施工周期長(zhǎng)于設(shè)計(jì)周期，嚴(yán)重影響了作業(yè)時(shí)效，同時(shí)給作業(yè)帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)。具體如下：①?311.2 mm(12in)井眼倒劃眼起鉆時(shí)頻繁出現(xiàn)遇阻，憋扭矩，憋泵現(xiàn)象，在2 100～2 800 m井段和3 200～4 000 m井段尤其嚴(yán)重;②通井期間，3 610～3 700 m井段下鉆和起鉆過(guò)程中多次遇阻。

圖4 X-1井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Hole structure of Well X-1

原因分析：①大斜度段(井斜角80°，長(zhǎng)3 240 m)中巖屑沉積形成巖屑床，導(dǎo)致部分井壁失穩(wěn)，井徑擴(kuò)大，存在部分“擴(kuò)徑”形成了“臺(tái)階”，且加劇了巖屑床的堆積;②2 100～2 800 m井段為砂泥巖互層，地層膠結(jié)性不強(qiáng)，滲透性高，易形成虛泥餅。

因此，基于巖屑床運(yùn)移兩層動(dòng)態(tài)模型對(duì)X-1井進(jìn)行計(jì)算，模擬該井的巖屑床分布。

2.1 巖屑床厚度的影響規(guī)律

利用巖屑床動(dòng)態(tài)運(yùn)移模型模擬鉆進(jìn)和洗井交替工況下的巖屑床分布。其中每個(gè)交替工況下，鉆進(jìn)時(shí)間1 h，排量為55 L/s，機(jī)械鉆速為30 m/h。?311.2 mm井眼中巖屑厚度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如圖5所示。

圖5 巖屑厚度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程Fig.5 Dynamic changes of cutting bed thickness

2.2 排量對(duì)巖屑床運(yùn)移的影響

模擬在井筒的初始巖屑高度為井徑的10%下，以不同排量洗井1 h的過(guò)程，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，排量越大，井眼凈化效果越好，并且?215.9 mm的井眼比?311.2 mm的井眼凈化效果要好，原因是小尺寸的井眼運(yùn)移速度更快。

圖6 排量對(duì)巖屑床運(yùn)移速度的影響Fig.6 Influence of displacement on transportation speed of cuttings bed

2.3 機(jī)械鉆速對(duì)巖屑床運(yùn)移的影響

設(shè)置不同機(jī)械鉆速模擬鉆井1 h，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，機(jī)械鉆速越高，巖屑床高度越高。

圖7 機(jī)械鉆速對(duì)無(wú)因次巖屑床高度的影響Fig.7 Influence of ROP on dimensionless height of cuttings bed

3 巖屑床破壞器效果模擬與參數(shù)優(yōu)化

3.1 巖屑床破壞器的安置間隔對(duì)巖屑床運(yùn)移的影響

在?311.2 mm井段中放置6個(gè)巖屑床破壞器，間距分別為9、15和21根鉆桿，模擬可得平均高度分別為4.66%、4.53%和4.526%，每10 min巖屑床高度如圖8所示。

圖8 不同間距時(shí)無(wú)因次巖屑床高度Fig.8 Dimensionless heights of cuttings bed at different spacings

將圖8的3種情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到巖屑床破壞器放置間隔下無(wú)因次巖屑床的平均高度，如圖9所示。由圖9可以看出，隨著巖屑床破壞器的間距的增加，井筒內(nèi)巖屑床的平均無(wú)因次高度越高，井眼凈化效果減弱。原因是巖屑床破壞器的影響范圍減小了。建議巖屑床破壞器放置的間隔為9根鉆桿。

圖9 巖屑床破壞器不同放置間距下 無(wú)因次巖屑床平均高度Fig.9 Average dimensionless height of cuttings bed with different spacings of cuttings bed removers

3.2 巖屑床破壞器安置數(shù)量的影響

在?311.2 mm井眼中放0、4、6和8個(gè)巖屑床破壞器，每?jī)蓚€(gè)巖屑床破壞器的間隔為15根鉆桿，模擬可得平均高度分別為5.06%、4.62%、4.53%和4.52%。每隔10 min巖屑床高度如圖10所示。

圖10 不同數(shù)量巖屑床破壞器對(duì)無(wú)因次巖屑床高度的影響Fig.10 Influence of different number of cuttings bed removers on dimensionless height of cuttings bed

將圖10的4種情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同數(shù)量巖屑床破壞器下無(wú)因次巖屑床的平均高度,如圖11所示。

由圖11可知，隨著巖屑床破壞器數(shù)量的增加，井筒內(nèi)巖屑床的平均無(wú)因次高度越低，井眼凈化效果越好。但是當(dāng)巖屑床破壞器數(shù)量大于6個(gè)時(shí)，繼續(xù)增加數(shù)量對(duì)井眼凈化效果的影響不大,可見(jiàn)巖屑床破壞器數(shù)量為6個(gè)效果比較理想。

圖11 不同數(shù)量巖屑床破壞器下無(wú)因次巖屑床平均高度Fig.11 Average dimensionless height of cuttings bed with different numbers of cuttings bed removers

4 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)效果模擬與評(píng)價(jià)

?311.2和?215.9 mm井眼中有、無(wú)連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(CCS)下巖屑床高度的對(duì)比見(jiàn)圖12。由圖12可見(jiàn)，有連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)能大大降低巖屑床高度。更重要的是，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的使用能有效地避免接單根時(shí)巖屑床的下滑，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 有無(wú)連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)時(shí)無(wú)因次巖屑床高度對(duì)比圖Fig.12 Comparison of dimensionless height of cuttings bed between with CCS and without CCS

5 結(jié) 論

(1)大斜度段的巖屑床呈波浪狀分布且隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)運(yùn)移，運(yùn)移方向?yàn)閺木椎骄冢蔷鶆蚍植?。同時(shí)，該模型結(jié)合擴(kuò)散方程，得到了更合理的質(zhì)量交換的計(jì)算方法，并通過(guò)巖屑床破壞器對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響，可更加精確地模擬巖屑床破壞器的效果。

(2)隨著巖屑床破壞器數(shù)量的增加，井眼凈化效果越好。但是當(dāng)巖屑床破壞器數(shù)量大于6個(gè)時(shí)，繼續(xù)增加數(shù)量對(duì)井眼凈化效果的影響不大，可見(jiàn)巖屑床破壞器數(shù)量為6個(gè)效果比較理想。

(3)隨著巖屑床破壞器間距的增加，井眼凈化效果減弱，原因是巖屑床破壞器的影響范圍減小了。建議巖屑床破壞器放置的間隔為9根鉆桿。