水平井段連續(xù)管多形態(tài)流域可溶橋塞碎屑運移規(guī)律

王龍 徐燕東 王鎖男 吳春洪 任海冰 張磊 楊敏杰

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 2.中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室 3.長江大學機械工程學院 4.中國石油集團西部鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

0 引 言

連續(xù)管可鉆式橋塞分段多簇壓裂技術(shù)可以改造油氣層，利于油氣增產(chǎn)增效[1]。在油氣田開采過程中，水平井段可鉆式橋塞壓裂會在井底形成樹狀裂縫，加速儲油層原油進入井底。在實際工作中，連續(xù)管內(nèi)下放鉆磨設備清除封堵橋塞，會產(chǎn)生大量碎屑，在工作液動力下，碎屑從井底經(jīng)由環(huán)空段排出井口[2-3]。若碎屑堆積過多則會引起卡鉆等風險事故，因此可以通過分析碎屑在水平井段的體積分數(shù)來研究碎屑的運移規(guī)律。

目前國內(nèi)外學者針對碎屑運移規(guī)律進行了不少研究。A.M.AWAD等[4]利用流體力學的方法，研究了不同管柱偏心距對巖屑體積分數(shù)的影響；M.M.HUQUE等[5]通過試驗得到了巖屑運移力學三層模型；S.GULRAIZ等[6]采用CFD數(shù)值模擬方法，得出了巖屑運移與粒徑或者顆粒形狀不存在一一對應的關(guān)系；M.M.HUQUE等[7]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在不形成流砂床的情況下高效清孔需要一個湍流的流態(tài)；O.ERGE等[8-9]提出了新型的巖屑運移模型，研究了包括管道旋轉(zhuǎn)、偏心及堵塞等本質(zhì)的影響；M.M.HUQUE等[10]通過數(shù)值模擬CFD和試驗設計的方法發(fā)現(xiàn)鉆井液黏度和速度表現(xiàn)出正效應；PANG B.X.等[11]的數(shù)值模擬結(jié)果表明，鉆磨液黏度有助于在低環(huán)空流速下巖屑運移；S.AKHSHIK等[12]通過CFD-DEM模型的方法研究發(fā)現(xiàn)，巖屑運移效率還受環(huán)境溫度和注入壓力的影響；劉少胡等[13]通過CFD數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)，破壞器對井眼的清潔效果很明顯；汪皖等[14]通過數(shù)值模擬的方法得到隨著管柱轉(zhuǎn)速的增大，巖屑運移的效果增強。

盡管國內(nèi)外學者對巖屑運移規(guī)律展開了不少研究，但針對連續(xù)管螺旋屈曲狀態(tài)時碎屑運移規(guī)律的研究還較少，因此有必要對連續(xù)管不同形態(tài)下碎屑運移的規(guī)律進行研究。當連續(xù)管所受的軸向力超過了臨界值，該段連續(xù)管將會失穩(wěn)進入屈曲狀態(tài)[15]。因此，本文運用CFD技術(shù)，在不同條件下[16]針對不同連續(xù)管形態(tài)下碎屑運移的規(guī)律展開研究。所得結(jié)果可有效預防井下卡鉆等風險。

1 連續(xù)管無屈曲狀態(tài)時碎屑運移規(guī)律

1.1 水平井段環(huán)空模型及邊界條件

1.1.1 環(huán)空模型和假設條件

參考連續(xù)管在水平井段的工作參數(shù)，建立長度為20 m，連續(xù)管外徑為50.8 mm，井筒內(nèi)徑為118.0 mm的環(huán)空流道模型?？紤]到水平段連續(xù)管鉆磨施工中井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合及碎屑物性參數(shù)等硬件因素和鉆磨液流動無規(guī)律的特點，為了方便對環(huán)空模型中的碎屑進行數(shù)值模擬，簡化了鉆磨時的一些影響因素，做出如下假設條件：①水平段連續(xù)管和套管的直徑不變，并且連續(xù)管和套管的表面粗糙度均勻；②忽略水平井段某些原因產(chǎn)生氣體、液體而對鉆磨液黏度產(chǎn)生的影響；③固相顆粒形狀為球體，并且直徑均勻不變。

1.1.2 網(wǎng)格模型和邊界條件

根據(jù)連續(xù)管無屈曲狀態(tài)時水平井段環(huán)空模型的特點，為了提高數(shù)值模擬的準確性，對環(huán)空模型采用六面體網(wǎng)格進行劃分。根據(jù)連續(xù)管在水平井段鉆磨橋塞時的實際情況，給出適當?shù)倪吔鐥l件。入口條件：采用速度入口，入口流體的速度方向垂直于入口的邊界面；出口條件：采用壓力出口，出口壓力值由工作參數(shù)獲得；壁面條件：連續(xù)管的外壁面和套管的內(nèi)壁面為固定壁面，壁面的摩擦屬性定義為無滑移[17]。模擬時(碎屑以復合材料替代)具體參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)設置

1.1.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

應用Fluent軟件對水平井段中碎屑進行數(shù)值模擬。環(huán)空段模型的網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果的準確性有著較大影響，當連續(xù)管在水平井段無屈曲狀態(tài)時，采用六面體網(wǎng)格劃分，分析不同網(wǎng)格數(shù)量時計算結(jié)果的變化。網(wǎng)格數(shù)量的設置范圍為(16～55)萬，計算結(jié)果以出口固相(碎屑)流速和出口鉆磨液流速為對比參數(shù)，計算結(jié)果對比如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證圖

如圖1所示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，鉆磨液的出口速度變化范圍較小。當網(wǎng)格數(shù)量從16萬增長到31.6萬時，碎屑的出口速度增長得很明顯，但當網(wǎng)格數(shù)量從31.6萬再增加時，碎屑的出口速度變化范圍很小，且趨于平穩(wěn)。因此選擇環(huán)空模型網(wǎng)格數(shù)量為31.6萬時的計算模型為分析模型。

1.2 水平井段橋塞碎屑體積分數(shù)影響因素分析

1.2.1 橋塞碎屑在流向長度上的分布規(guī)律

由于影響水平井環(huán)空段橋塞碎屑運移的因素很多，情況多種多樣，故選擇其中一種情況來分析。對于可溶橋塞，選擇初始復合材料(聚乙醇酸)體積分數(shù)1%、鉆磨液流量400 L/min、鉆磨液黏度38 mPa·s。根據(jù)前文的邊界條件進行數(shù)值模擬分析。由于所選取的環(huán)空模型長度為20 m，從入口到出口每隔1 m取1個截面，一共有21個截面。為了可以很明顯地看出橋塞碎屑在流向長度上的分布規(guī)律，選擇部分截面來進行分析。復合材料的體積分數(shù)云圖如圖2所示。

圖2 復合材料在不同截面上的體積分數(shù)云圖

復合材料的最大體積分數(shù)從距離入口(z)0.5、1.0、2.0及14.0 m處依次為17.4%、33.9%、31.3%和26.5%。復合材料的體積分數(shù)從距入口0.5 m處至距離入口1.0 m處最大體積分數(shù)增大了16.5個百分點，再至距入口2.0 m處最大體積分數(shù)減少了2.6個百分點，最后至距出口處減小了4.8個百分點。復合材料在出、入口附近的體積分數(shù)較小，說明在出口有部分復合材料排出；而靠近入口處復合材料的體積分數(shù)較大，說明在入口附近形成了堆積。這是由于鉆磨液在入口附近的流速較小，攜屑能力較弱，導致聚乙醇酸在入口附近有部分堆積。聚乙醇酸在入口附近形成堆積后，該處的流體域橫截面積減小，在鉆磨液流量不變的情況下，流體域的橫截面積越小，該處的鉆磨液流速就越大，對后面碎屑的運移越有利，故后面聚乙醇酸的體積分數(shù)有所下降。

1.2.2 鉆磨液黏度對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，鉆磨液黏度會根據(jù)現(xiàn)場鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液黏度μ為10、20、30和40 mPa·s時，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分數(shù)分布，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同鉆磨液黏度下復合材料體積分數(shù)分布曲線

由圖3可以分析出，當鉆磨液黏度較大時，出口處復合材料的平均體積分數(shù)較大。這說明當鉆磨液的黏度較大時，橋塞碎屑更易被運移出去。當鉆磨液黏度較小時，橋塞碎屑的最大體積分數(shù)較小，說明鉆磨液的低黏度有更好的流動性，可以使橋塞碎屑容易被沖刷。

1.2.3 鉆磨液流量對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，鉆磨液流量Q會根據(jù)現(xiàn)場鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液流量Q為300、350、380和400 L/min時，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分數(shù)分布，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同鉆磨液流量下復合材料體積分數(shù)分布曲線

通過圖4可以分析出，當鉆磨液流量為350和400 L/min時，出口處橋塞碎屑的平均體積分數(shù)較大，說明橋塞碎屑更易被運移出去。而當鉆磨液流量越大時，出口處的橋塞碎屑最大體積分數(shù)越小，說明在出口處橋塞碎屑沒有形成堆積。

1.2.4 固相初始體積分數(shù)對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，碎屑初始體積分數(shù)α會隨著水平井段不同工況而有所變化，因此設置碎屑初始積分數(shù)α為1%、2%、3%、4%和5%時，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分數(shù)分布，計算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，復合材料的初始體積分數(shù)越大，每個截面上復合材料的平均體積分數(shù)和最大體積分數(shù)也越大，說明固相的初始體積分數(shù)與碎屑的平均體積分數(shù)和最大體積分數(shù)呈正相關(guān)。

圖5 不同固相初始體積分數(shù)下復合材料體積分數(shù)分布曲線

2 連續(xù)管偏心時碎屑運移規(guī)律

2.1 水平井段環(huán)空模型及邊界條件

參考連續(xù)管在水平井段的工作參數(shù)，建立長度為22 m，連續(xù)管外徑為50.8 mm，井筒內(nèi)徑為118.0 mm，偏心距離s分別為5、10、15、20和25 mm的環(huán)空流道模型。依據(jù)連續(xù)管處于偏心狀態(tài)時水平井段環(huán)空模型的特點，對此環(huán)空模型采用六面體網(wǎng)格進行劃分，邊界條件見前文。

2.2 水平井段橋塞碎屑體積分數(shù)影響因素分析

2.2.1 不同偏心距離下碎屑體積分數(shù)分析

分析不同偏心距離下碎屑體積分數(shù)，進行數(shù)值模擬，得到的云圖如圖6所示。

圖6 不同偏心距離下流向長度為2 m時的聚乙醇酸體積分數(shù)云圖

由圖6可以看出，隨著偏心距離的增加，聚乙醇酸的分布范圍逐漸減小，說明聚乙醇酸更難以被運移出去。

2.2.2 偏心距離對碎屑運移的影響分析連續(xù)管偏心距離s為5、10、15、20和25 mm時橋塞碎屑體積分數(shù)的變化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同偏心距離下聚乙醇酸體積分數(shù)分布曲線

通過圖7可以分析出，當偏心距離為5 mm時，出口處橋塞碎屑的平均體積分數(shù)最大，此時碎屑最易被運移出去。當偏心距離增大時，出口處碎屑的最大體積分數(shù)先減小后增大，說明隨著偏心距離的增加，碎屑在出口處因環(huán)空管內(nèi)流體形狀的變化對堆積狀態(tài)有影響。偏心距離為10和15 mm時，碎屑最大體積分數(shù)減小，流體沖刷不易形成堆積；偏心距離為20和25 mm時，碎屑最大體積分數(shù)成倍增加，流體沖刷能力減弱，極易形成堆積。

3 連續(xù)管螺旋屈曲狀態(tài)時碎屑運移規(guī)律

3.1 水平井段環(huán)空模型及邊界條件

在某些情況下，尤其是注入工況時，連續(xù)管可能受負的軸向力(壓力)，如果軸向力的絕對值超過了臨界值，該段連續(xù)管將會失穩(wěn)進入屈曲狀態(tài)。當軸向力繼續(xù)增大到一定值后，連續(xù)管就會呈現(xiàn)螺旋屈曲狀態(tài)。建立連續(xù)管螺旋屈曲時的數(shù)值模型需要根據(jù)下式計算出螺距：

(1)

式中：P為螺距，mm；Ft為軸向力，N；EI為管柱的剛度，N·m2。

根據(jù)工作參數(shù)，可算出螺距P=11 m。連續(xù)管外徑50.8 mm，套管內(nèi)徑118.0 mm，為了方便研究，建立環(huán)空模型長度為22 m。依據(jù)連續(xù)管螺旋屈時的模型特點，對此環(huán)空模型采用四面體網(wǎng)格進行劃分，邊界條件見前文。

3.2 水平井段橋塞碎屑體積分數(shù)影響因素分析

3.2.1 橋塞碎屑在流向長度上的分布規(guī)律

由于影響水平井環(huán)空段橋塞碎屑運移的因素很多，情況多種多樣，故選擇其中一種情況來分析，邊界條件如表1所示。根據(jù)確定的邊界條件進行數(shù)值模擬分析。由于所選取的環(huán)空模型長度為22 m，從入口到出口每隔1 m取1個截面，一共有23個截面。為了可以很明顯地看出橋塞碎屑在流向長度上的分布規(guī)律，選擇部分截面來分析。復合材料的體積分數(shù)云圖如圖8所示。

圖8 復合材料在不同截面上的體積分數(shù)云圖

由圖8可知，復合材料的最大體積分數(shù)從距離入口0.3、0.7、1.5和22.0 m依次為6.83%、13.3%、30.3%和0。分析這些截面上最大復合材料的體積分數(shù)可以看出，復合材料從距入口0.3 m處至距入口0.7 m處最大體積分數(shù)增加了6.47個百分點，再至距入口1.5 m處最大體積分數(shù)增加了17個百分點，最后復合材料出口體積分數(shù)為0。這說明沒有復合材料運移出去，復合材料都堆積在入口附近。這可能是由于當連續(xù)管在水平井段狀態(tài)為螺旋屈曲時，連續(xù)管與套筒緊貼，它們之間的間隙過小，故當碎屑為復合材料時，很難被運移出去；但和連續(xù)管在中心、偏心時一樣，碎屑在入口附近有堆積。

3.2.2 鉆磨液黏度對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，鉆磨液黏度會根據(jù)現(xiàn)場鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液黏度μ為10、20、30和40 mPa·s時，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分數(shù)分布，計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同鉆磨液黏度下聚乙醇酸體積分數(shù)分布曲線

通過圖9可以分析出，當鉆磨液黏度越大時，入口附近橋塞碎屑的平均體積分數(shù)和最大體積分數(shù)都較大，而在出口處橋塞碎屑的平均體積分數(shù)和最大體積分數(shù)幾乎為0。這說明當連續(xù)管為螺旋屈曲狀態(tài)時，橋塞碎屑很難被排出。

3.2.3 鉆磨液流量對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，鉆磨液流量分根據(jù)現(xiàn)場鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液流量Q為300、350和400 L/min時，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分數(shù)分布，計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同鉆磨液流量下聚乙醇酸體積分數(shù)分布曲線

通過圖10可以分析出，鉆磨液的流量越大，入口附近橋塞碎屑的平均體積分數(shù)和最大體積分數(shù)都越大。這說明當連續(xù)管為螺旋屈曲狀態(tài)時，隨著鉆磨液流量的增大，橋塞碎屑在入口處更易形成堆積。

3.2.4 碎屑初始體積分數(shù)對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，碎屑初始體積分數(shù)α會隨著水平井段不同工況而有所變化，因此設置碎屑初始體積分數(shù)α為1%、2%、3%、4%和5%時，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分數(shù)分布，計算結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同固相初始體積分數(shù)下聚乙醇酸體積分數(shù)分布曲線

通過圖11可以看出，連續(xù)管為螺旋屈曲狀態(tài)時，當橋塞碎屑的初始體積分數(shù)為5%時，入口附近的碎屑平均體積分數(shù)最大，更易形成堆積。

4 結(jié)論及建議

(1)當連續(xù)管在套筒中心時，橋塞碎屑在入口附近有較大的堆積，而在出口處有少量的碎屑，說明有碎屑被運移出去。在眾多影響因素中，碎屑初始體積分數(shù)對碎屑運移的影響最大，故當初始碎屑體積分數(shù)較小時，碎屑運移效果更明顯。橋塞碎屑會隨著鉆磨液流量的增大、鉆磨液黏度的增大而更好地被運移出去，故選擇較大流量和黏度的鉆磨液對橋塞碎屑的運移更有幫助，對預防井下卡鉆等風險具有很大意義。

(2)當連續(xù)管偏心時，隨著偏心距離的增大，復合材料的體積分數(shù)越來越少，說明碎屑越來越難被運移出去。故當偏心距增大時，更容易發(fā)生卡鉆等安全隱患。

(3)當連續(xù)管呈現(xiàn)螺旋屈曲狀態(tài)時，對比3種影響因素，碎屑(聚乙醇酸)的初始體積分數(shù)對其本身運移的影響要更大。并且與連續(xù)管在中心和偏心時對比，當連續(xù)管為螺旋屈曲狀態(tài)時碎屑更難被運移出去。