水平井巖屑運(yùn)移數(shù)值模擬研究

諶柯宇

摘 要：隨著石油鉆采工藝不斷發(fā)展，水平井鉆井在世界范圍內(nèi)全面展開(kāi)，已成為現(xiàn)代油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要手段。由于水平井的井斜角大，巖屑在運(yùn)移過(guò)程中容易形成巖屑床，而巖屑床清除比較困難。針對(duì)目前存在的問(wèn)題，采用計(jì)算流體力學(xué)仿真模擬技術(shù)對(duì)不同巖屑粒徑下巖屑運(yùn)移進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：巖屑粒徑的增大，移動(dòng)巖屑床速度和懸浮巖屑體積分?jǐn)?shù)基本保持不變，懸浮巖屑運(yùn)移速度及固定巖屑床體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，環(huán)空下部巖屑床高度增加，堆滿(mǎn)了下環(huán)空，單位體積內(nèi)巖屑所占比重下降，導(dǎo)致了移動(dòng)巖屑床體積分?jǐn)?shù)先增大后減小。建議在某些井段使用低鉆速牙輪鉆進(jìn)，以此控制巖屑粒徑在2mm以?xún)?nèi)，降低巖屑清洗難度。

關(guān)鍵詞：水平井鉆井 巖屑運(yùn)移 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TE21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（b）-0027-01

水平井鉆井在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用廣泛，可提高產(chǎn)能，降低成本。井眼凈化是水平井關(guān)鍵技術(shù)之一，由于井斜角為90 °，巖屑運(yùn)移過(guò)程中容易形成巖屑床，造成井眼清洗困難，井眼凈化不好可導(dǎo)致嚴(yán)重的鉆井事故。在水平井中，巖屑粒徑大小之間影響鉆井液攜巖難度大小。該文通過(guò)流場(chǎng)仿真揭示粒徑大小對(duì)井眼清洗的影響。

1 水平井環(huán)空流場(chǎng)數(shù)值模型

建立水平井環(huán)空流場(chǎng)模型，在重力作用下，鉆柱存在偏心。考慮到在鉆井工程中，實(shí)際的鉆柱結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了便于對(duì)環(huán)空進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。針對(duì)其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)：（1）忽略環(huán)空溫度、井底產(chǎn)氣產(chǎn)水對(duì)鉆井液流動(dòng)的影響；（2）鉆井液在水平環(huán)空中的流動(dòng)視為不可壓縮流體的流動(dòng)。

2 環(huán)空流場(chǎng)數(shù)值模擬

該文主要模擬湍流中巖屑粒徑對(duì)巖屑清除的作用。一般管道流中雷諾數(shù)小于2100為層流狀態(tài)，大于4000為紊流，2100～4000為過(guò)渡流狀態(tài)。該文選擇選擇RNG k-ε湍流模型進(jìn)行水平井鉆井液固兩相流的數(shù)值研究[1]。

鉆柱在井眼中不斷旋轉(zhuǎn)，邊界面是不斷變化的，所以將與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的流體部分和其他流體部分分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用MRF模型進(jìn)行數(shù)值劃分，單元總數(shù)為3004200。

目前廣泛采用的鉆井液流變模式有冪律模式、賓漢模式、卡森模式以及帶屈服值的冪律模式[2-3]。鉆井液流變模式的優(yōu)選不僅對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算流變參數(shù)至關(guān)重要，而且對(duì)于分析研究巖屑清除問(wèn)題也具有重要作用[71，72]。在環(huán)形空間的較低剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式比賓漢模式更接近實(shí)際鉆井液的流動(dòng)特性。因此，盡管賓漢模式一直是國(guó)內(nèi)外鉆井液工藝中最常用的流變模式，但目前認(rèn)為，采用冪律模式能夠比賓漢模式更好地表示鉆井液在環(huán)空的流變性，并能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)環(huán)空壓降和進(jìn)行有關(guān)的水力參數(shù)計(jì)算。

模型基本參數(shù)如下：鉆桿外徑88.9 mm、井眼直徑152.4 mm、模型長(zhǎng)度18.526 m、環(huán)境壓力29.3 MPa。

3 計(jì)算結(jié)果

在水平井鉆井過(guò)程中，鉆柱必然會(huì)由于重力的原因產(chǎn)生偏心。環(huán)空流場(chǎng)的流場(chǎng)性質(zhì)很大程度上取決于鉆柱的情況。由前面的分析可知，鉆柱的偏心是造成流場(chǎng)大環(huán)空與小環(huán)空差異的主要原因。改變偏心度，研究了偏心度0～0.32對(duì)巖屑運(yùn)移及巖屑床顆粒分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：偏心度對(duì)巖屑運(yùn)移影響較大，隨著偏心度的不斷增加，巖屑床的體積分?jǐn)?shù)不斷增長(zhǎng)，在完全偏心的情況下，固定巖屑床體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了62.5%，移動(dòng)巖屑床的體積分?jǐn)?shù)則為38%。懸浮巖屑速度隨著偏心度的增大而增大，原因也在于大小環(huán)空改變了流場(chǎng)速度分布。移動(dòng)巖屑床體積分?jǐn)?shù)隨著偏心度的增大而增加，且移動(dòng)巖屑床的體積分?jǐn)?shù)占總的固定床體積分?jǐn)?shù)隨著偏心度增大而增加，所占比例由45.28%增至60.8%。這說(shuō)明，偏心度的增大，不利于巖屑床清除效率的提高。

改變排量，研究了排量對(duì)巖屑運(yùn)移及巖屑床顆粒分布的影響規(guī)律，結(jié)果表明：開(kāi)始階段時(shí)鉆井液排量對(duì)巖屑顆粒體積分?jǐn)?shù)影響較小，隨著排量的增加，巖屑顆粒體積分?jǐn)?shù)隨鉆井液排量的增大而降低，并在排量大于20L/s時(shí)變化幅度趨于平穩(wěn)。隨著鉆井液排量的增大，懸浮巖屑顆粒運(yùn)移速度及移動(dòng)巖屑床運(yùn)移速度提升較大，同時(shí)固定巖屑床體積分?jǐn)?shù)由67%下降至24%。隨著鉆井液排量的增大，移動(dòng)巖屑床體積分?jǐn)?shù)并未增大，這是由于排量增大，很多巖屑由移動(dòng)床式運(yùn)移形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼腋∈剑@一點(diǎn)可由固定床體積分?jǐn)?shù)減小和移動(dòng)床體積分?jǐn)?shù)與固定床之比基本無(wú)變化得出。改變轉(zhuǎn)速，研究了轉(zhuǎn)速對(duì)巖屑運(yùn)移及巖屑床顆粒分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增大，懸浮巖屑運(yùn)移速度和移動(dòng)巖屑床速度、懸浮巖屑體積分?jǐn)?shù)、移動(dòng)巖屑床體積分?jǐn)?shù)、固定巖屑床體積分?jǐn)?shù)變化很小。

改變巖屑粒徑，研究了巖屑粒徑對(duì)巖屑運(yùn)移及巖屑床顆粒分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著巖屑粒徑增大，懸浮巖屑運(yùn)移速度及固定巖屑床體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，在使用5 mm巖屑顆粒時(shí)，懸浮巖屑運(yùn)移速度及固定巖屑床體積分?jǐn)?shù)分別降低至0.89 m/s和30.6%。移動(dòng)巖屑床速度和懸浮巖屑體積分?jǐn)?shù)基本保持不變。隨著巖屑顆粒粒徑的增大，環(huán)空下部巖屑床高度增加，堆滿(mǎn)了下環(huán)空，單位體積內(nèi)巖屑所占比重下降，也間接導(dǎo)致了移動(dòng)巖屑床體積分?jǐn)?shù)先增大后減小。固定巖屑床體積分?jǐn)?shù)減小的原因是大顆粒巖屑直徑較大，顆粒與顆粒之間的間隙也大，顆粒之間的間隙中充滿(mǎn)了鉆井液，所以固定巖屑床體積分?jǐn)?shù)變小了。

4 結(jié)論

偏心度的增大，不利于巖屑床清除效率的提高。增大泵的排量，有利于提高巖屑運(yùn)移效率、減小巖屑床體對(duì)鉆進(jìn)安全的影響，但排量過(guò)大會(huì)增大能耗，增加生產(chǎn)成本。巖屑速度轉(zhuǎn)速的變化對(duì)于巖屑體積分?jǐn)?shù)影響不大，鉆柱旋轉(zhuǎn)對(duì)巖屑床厚度影響巨大。隨著巖屑粒徑的增大，巖屑清洗的困難度也不斷增大。建議在某些井段使用低鉆速牙輪鉆進(jìn)，以此控制巖屑粒徑在2 mm以?xún)?nèi)，降低巖屑清洗難度。

參考文獻(xiàn)

[1] 于勇，張俊明.Fluent入門(mén)與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[2] 賀成才.冪律流體在偏心環(huán)空中流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].石油學(xué)報(bào)，2002，23（6）： 85-89.

[3] Hecker M，Barry M，Thomas B M. Reducing Well Cost by Gravel Packing in Nonaqueous Fluid [C].SPE Annual.