欠平衡鉆水平井巖屑運移可視化實驗

魏 納 孟英峰 李 皋 朱寬亮 李永杰 徐小峰 辛春彥

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石油冀東油田公司鉆采工藝研究院

充氣欠平衡鉆井是指在鉆井過程中含氣鉆井液作用在井底的壓力低于地層孔隙壓力，能大幅度減少井漏、保護和及時發現儲層，而鉆水平井可大幅度暴露儲層，數倍提高油氣產量。因此，利用水平井特殊軌跡增產的特點，與利用充氣欠平衡消除儲層傷害增產的特點相結合，產生了“充氣欠平衡鉆水平井”新技術［1－3］。

隨著我國低壓薄層油氣藏的開發需求，充氣欠平衡鉆水平井技術成為國內外鉆井界關注的熱點，而它的工程難點之一在于含氣鉆井液條件下的水平段井眼凈化。這是由于井眼凈化不暢所造成鉆具摩阻扭矩增大從而嚴重制約著水平井眼的延伸能力的提高［4］。而欠平衡鉆井條件下巖屑運移的科學核心是欠平衡條件下井筒內氣液固耦合復雜多相流動，由于井下各組分間的相間相互作用機理以及巖屑固相運移形式無法可視化，因此，開展水平段氣液固復雜介質耦合可視化流動實驗研究，最終形成復雜介質多相流動條件下的氣液固耦合流動規律認識及數學描述。這對于優化鉆井施工參數以及降低鉆井安全風險均有著積極意義。

1 巖屑在水平井筒中的運移規律分析

1.1 水平井巖屑運移特殊性

圖1 水平井段巖屑分布圖

圖2 直井段巖屑分布圖

由于管流運動與巖屑顆粒重力的方向性差異，直井段與水平井段巖屑運移規律大為不同（圖1、2）。由圖1可以看出：在鉆頭破巖后大顆粒尺寸巖屑在鉆鋌處由于流速高可以較為順暢地運移；到了鉆鋌與鉆桿交界處由于環空面積陡然增加，大顆粒巖屑可能發生堆積。對比直井段與水平井段，直井段中較大巖屑會回落至井底重復破碎；而水平井段一旦產生流體所不能攜帶的大顆粒巖屑，這些巖屑只會停留在下井壁等待鉆具的碾壓直至形成小顆粒才被流體順利攜走。

1.2 水平井巖屑顆粒的運動形式

水平井中巖屑運移情況可以分為懸浮、滾動、躍移3種形式。

1.2.1 懸浮

懸浮是巖屑顆粒運動的重要方式，引起巖屑顆粒懸浮的主要因素是紊動作用（圖3）。懸浮運動的形式是隨鉆井液漂流，懸浮運動時受到2種力的作用：①重力，使巖屑顆粒向下井壁沉降；②氣液兩相流推動力，使巖屑顆粒沿井筒向下游運動。巖屑顆粒向下游運動的速度與氣液兩相流速度有關，巖屑顆粒輸送量可間接代表巖屑顆粒向下游運動的速度，流量越大，可帶走的巖屑顆粒量也越多。懸浮顆粒在沉降過程中被渦流帶回上層，使巖屑顆粒上下漂移，沉降速度變慢，巖屑懸浮照片如圖4所示。

圖3 巖屑懸浮受力圖

圖4 多相流條件下巖屑懸浮照片

1.2.2 滾動

位于巖屑床表面突出位置的顆粒，當液流拖曳力（FD）大于顆粒阻力時（圖5），便開始以滑動的形式運動。由于井壁表面粗糙不平，滑動往往會轉化為滾動，在運動中都與下井壁保持接觸，巖屑實際滾動如圖6所示。

圖5 水平井巖屑滾動受力圖

圖6 水平井巖屑滾動照片

1.2.3 躍移

跳起的巖屑當落到下井壁時對巖屑床的巖屑有沖擊作用，作用力的大小則與其躍起的高度和鉆井液流速有關。若巖屑躍起較低，則其從液流中取得的動量不大，在落回巖屑床后不會繼續跳動。若躍起較高，則落到巖屑床后還可以重新跳起。躍起高度與鉆井液密度成反比，這就是在水平井中巖屑運移的最為特殊的一類運動方式——躍移，巖屑躍移受力圖如圖7所示。

圖7 水平井段巖屑躍移示意圖

2 多相流體流動攜巖模型

2.1 巖屑滾動運動

巖屑在下井壁滾動時是以單顆粒個體運動為主，在氣液兩相流動的作用下，巖屑沿下井壁滾動向下游運移。

2.1.1 巖屑顆粒滾動受力分析

在氣液量較小時，顆粒首先在井壁處于單顆粒滾動運動，其受力包括：橫向上氣流對其拖曳力（FD），與井壁的摩擦力（F摩擦）；縱向上受到重力（G）、浮力（F浮）和支撐力（N），如圖5所示。

2.1.2 巖屑顆粒滾動啟動條件

要確定單顆粒巖屑滾動前進最小氣液量則需要建立水平方向上的數學方程：

式中CD為阻力系數，無因次；ρm為流體密度，kg／m3；um為流體流動速度，m／s；ds為巖屑直徑，m；k為摩擦阻力系數，無因次；G為巖屑顆粒重力，N。

通過不同顆粒的重力（G）和不同材料摩擦阻力系數（k）則可反求最小流速（um）。

2.2 巖屑躍移運動

2.2.1 巖屑顆粒躍移受力分析［5－9］

欠平衡鉆井中，巖屑在環空中的運移，受到的作用力主要包括重力、阻力、薩夫曼升力、浮力、巴塞特力、壓力梯度力、附加質量力和馬格努斯效應力等，圖8為巖屑受力分析圖。

圖8 巖屑堆積體的受力分析圖

在水平井段中，它是構成水平摩擦阻力的主要作用力，其計算公式為：

式中W 為巖屑重力，N；ρs為巖屑密度，kg／m3；Vs為巖屑顆粒體積，m3；g為重力加速度，m／s2。

施加在巖屑上的動力主要是氣液兩相的阻力。阻力受雷諾數、巖屑形狀、巖屑尺寸及流體流動狀態和流體可壓縮性等許多因素的影響，其方向與流體相對顆粒的速度方向一致，其計算公式為：

式中FD為阻力，N；CD為阻力系數，無因次；um為流體流動速度，m／s；us為巖屑運移速度，m／s；ds為巖屑直徑，m。

2.2.2 巖屑顆粒躍移啟動條件

根據圖8中對巖屑顆粒的受力分析，忽略黏聚力和浮力的作用，堆積體顆粒極限受力平衡方程式可變形為：

分層流：fi＝64／Nre

紊流（段塞流、攪動流、環霧流）：

推導躍移啟動時受力平衡式［5－8］：

式中fi為氣液界面摩擦系數，無因次；D為管道當量直徑，m；Re為雷諾數；μi為混合物黏度，Pa·s；μg為氣相黏度，Pa·s；αg為空泡率；μ1為液相黏度，Pa·s；α1為持液率；CD為阻力系數，無量綱，是Re的函數；ρm為混合物真實密度，kg／m3；um為氣液混合速度，m／s；當um繼續增大，該平衡狀態將被打破，巖屑開始運移；ui為巖屑顆粒床平均摩阻系數，無因次；ε為巖屑顆粒堆積空隙程度，無因次；α／β與巖屑堆積程度相關，無因次。

3 水平井段可視化實驗及分析

研究建立總長為25m、實驗環空外管內徑為140 mm、內管外徑為63mm、內管內徑為55mm的環空可視化有機玻璃實驗裝置，采用壓縮空氣和水作為實驗流體，采用當量直徑為6mm的模擬巖屑作為實驗介質，開展了不同注液量的臨界攜巖可視化實驗，并測試流體力學參數，從而得到不同實驗條件下的井眼凈化臨界攜巖數據。

3.1 實驗研究內容

1）水平井段多相流與攜巖大型臺架模擬實驗（模擬旋轉鉆進鉆動鉆桿）。

2）水平井段多相流與攜巖大型臺架模擬實驗（模擬滑動鉆進及停鉆循環）。

3.2 實驗設備

實驗設備包括實驗架、空壓機、儲氣罐、儲水罐、液體泵、流量計等（圖9），用于模擬井下一定壓力范圍內一定流速范圍的氣流流動情況。實驗測試部分主要包括實驗管段壓力、氣體流量、液體流量、實驗現象圖像等的監測與記錄部分。

圖9 水平井段實驗設備照片

3.3 實驗流程

在井底以不同速度注入模擬巖屑，保持一定的注氣量，然后加大注液量（注液量可從0～5L／s控制），待實驗管段懸浮模擬巖屑后，認為該氣量即為該實驗條件下的臨界流量。穩定注液2min后逐步加大液量，待井底巖屑攜帶完全后停止實驗，測試參數包括注液量、注氣量、液體流速、巖屑速度、巖屑濃度等。整個實驗流壓控制在0.1～0.6MPa。

3.4 實驗分析

圖10、11分別為鉆柱轉動、鉆柱不轉動時的巖屑運移實驗現象。

圖10 鉆柱轉動的巖屑運移照片

圖11 鉆柱不轉動時巖屑運移照片

通過觀察可以看出：與鉆柱停止轉動相比，由于鉆井液的黏性，在鉆柱轉動過程中會對周圍的鉆井液有黏滯、黏結作用，從而攪動巖屑床表面的巖屑。因此，在注入相等氣量的工況下，其攜巖效果更好；巖屑的運移方式主要是躍移。

3.5 實驗數據及處理結果

臨界流速是指巖屑發生躍移時的最低混合物流速。在達到臨界攜巖的狀態下，實測了氣液兩相混合真實攜巖臨界速度，再與多相流數值模擬軟件計算出的臨界混合速度對比，得出兩者的誤差。表1、2為鉆柱轉動和鉆柱不轉動時的結果對比。

表1 鉆柱轉動時不同注氣液量井底臨界速度結果對比表

綜合以上實驗數據和實驗現象，可以看出：與鉆柱停止轉動相比，鉆柱的旋轉使作為模擬鉆井液的清水呈螺旋運動，環空流場的壓力呈波動形狀分布，對巖屑運移有攪動和支撐作用，有利于巖屑運移；同時，由于鉆井液又具有黏性，在鉆柱轉動過程中會對周圍的鉆井液有黏滯黏結作用，從而攪動巖屑床表面的巖屑，因此在注入相等氣量的工況下，鉆柱停止轉動下的攜巖效果更好。

4 模型修正

4.1 水平井攜巖臨界速度模型修正（鉆具轉動）

從實驗數據結果可以看出，實際最低連續攜巖綜合流速相當于模型公式的躍移臨界流速的124%作為修正模型，即

4.2 水平井攜巖臨界速度模型修正（鉆具不動）

從實驗數據結果可以看出，實際最低連續攜巖綜合流速相當于鉆具轉動時模型公式的躍移臨界流速的118%作為修正模型，即

5 結論

1）充氣欠平衡鉆水平井的工程核心問題之一在于水平段井眼凈化，井眼凈化不暢所造成鉆具摩阻扭矩的增大從而嚴重制約著水平井眼的延伸能力。而欠平衡條件下巖屑的運移屬于氣液固復雜多相流動，各組分間的相互作用機理以及巖屑固相運移形式在井下無法實現可視化。因此，有必要開展可視化實驗研究。

2）對比直井段與水平井段而言，直井段中較大巖屑會回落至井底重復破碎，而水平井段一旦產生流體所不能攜帶的大顆粒巖屑，這些巖屑只會停留在下井壁等待鉆具的碾壓直至形成小顆粒，以被流體攜帶至下游。

3）水平井段巖屑運移主要是躍移為主，巖屑運移主要依靠氣液綜合流速與鉆井液黏度，而鉆具的轉動有利于巖屑的運移，在保障攜巖順利的條件下，鉆柱停止轉動所需綜合流速是鉆柱轉動時的1.18倍。在實驗數據處理后，對所建立的考慮鉆井液黏切力、流態、巖屑床堆積程度等因素的攜巖運移速度模型進行了修正，該模型能滿足現場施工設計需要。

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