水平井巖屑運移數值模擬研究

諶柯宇

摘 要：隨著石油鉆采工藝不斷發展，水平井鉆井在世界范圍內全面展開，已成為現代油氣勘探開發的重要手段。由于水平井的井斜角大，巖屑在運移過程中容易形成巖屑床，而巖屑床清除比較困難。針對目前存在的問題，采用計算流體力學仿真模擬技術對不同巖屑粒徑下巖屑運移進行了研究。結果表明：巖屑粒徑的增大，移動巖屑床速度和懸浮巖屑體積分數基本保持不變，懸浮巖屑運移速度及固定巖屑床體積分數呈下降趨勢，環空下部巖屑床高度增加，堆滿了下環空，單位體積內巖屑所占比重下降，導致了移動巖屑床體積分數先增大后減小。建議在某些井段使用低鉆速牙輪鉆進，以此控制巖屑粒徑在2mm以內，降低巖屑清洗難度。

關鍵詞：水平井鉆井 巖屑運移 數值模擬

中圖分類號：TE21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0027-01

水平井鉆井在油氣田開發過程中應用廣泛，可提高產能，降低成本。井眼凈化是水平井關鍵技術之一，由于井斜角為90 °，巖屑運移過程中容易形成巖屑床，造成井眼清洗困難，井眼凈化不好可導致嚴重的鉆井事故。在水平井中，巖屑粒徑大小之間影響鉆井液攜巖難度大小。該文通過流場仿真揭示粒徑大小對井眼清洗的影響。

1 水平井環空流場數值模型

建立水平井環空流場模型，在重力作用下，鉆柱存在偏心。考慮到在鉆井工程中，實際的鉆柱結構較復雜，為了便于對環空進行數值計算。針對其空間結構進行簡化和假設：（1）忽略環空溫度、井底產氣產水對鉆井液流動的影響；（2）鉆井液在水平環空中的流動視為不可壓縮流體的流動。

2 環空流場數值模擬

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

鉆柱在井眼中不斷旋轉，邊界面是不斷變化的，所以將與鉆柱一起旋轉的流體部分和其他流體部分分別進行網格劃分，利用MRF模型進行數值劃分，單元總數為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選不僅對于準確計算流變參數至關重要，而且對于分析研究巖屑清除問題也具有重要作用[71，72]。在環形空間的較低剪切速率范圍內，冪律模式比賓漢模式更接近實際鉆井液的流動特性。因此，盡管賓漢模式一直是國內外鉆井液工藝中最常用的流變模式，但目前認為，采用冪律模式能夠比賓漢模式更好地表示鉆井液在環空的流變性，并能更準確地預測環空壓降和進行有關的水力參數計算。

模型基本參數如下：鉆桿外徑88.9 mm、井眼直徑152.4 mm、模型長度18.526 m、環境壓力29.3 MPa。

3 計算結果

在水平井鉆井過程中，鉆柱必然會由于重力的原因產生偏心。環空流場的流場性質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大環空與小環空差異的主要原因。改變偏心度，研究了偏心度0～0.32對巖屑運移及巖屑床顆粒分布的影響規律。結果表明：偏心度對巖屑運移影響較大，隨著偏心度的不斷增加，巖屑床的體積分數不斷增長，在完全偏心的情況下，固定巖屑床體積分數達到了62.5%，移動巖屑床的體積分數則為38%。懸浮巖屑速度隨著偏心度的增大而增大，原因也在于大小環空改變了流場速度分布。移動巖屑床體積分數隨著偏心度的增大而增加，且移動巖屑床的體積分數占總的固定床體積分數隨著偏心度增大而增加，所占比例由45.28%增至60.8%。這說明，偏心度的增大，不利于巖屑床清除效率的提高。

改變排量，研究了排量對巖屑運移及巖屑床顆粒分布的影響規律，結果表明：開始階段時鉆井液排量對巖屑顆粒體積分數影響較小，隨著排量的增加，巖屑顆粒體積分數隨鉆井液排量的增大而降低，并在排量大于20L/s時變化幅度趨于平穩。隨著鉆井液排量的增大，懸浮巖屑顆粒運移速度及移動巖屑床運移速度提升較大，同時固定巖屑床體積分數由67%下降至24%。隨著鉆井液排量的增大，移動巖屑床體積分數并未增大，這是由于排量增大，很多巖屑由移動床式運移形態轉變為懸浮式，這一點可由固定床體積分數減小和移動床體積分數與固定床之比基本無變化得出。改變轉速，研究了轉速對巖屑運移及巖屑床顆粒分布的影響規律。結果表明：隨著轉速的增大，懸浮巖屑運移速度和移動巖屑床速度、懸浮巖屑體積分數、移動巖屑床體積分數、固定巖屑床體積分數變化很小。

改變巖屑粒徑，研究了巖屑粒徑對巖屑運移及巖屑床顆粒分布的影響規律。結果表明：隨著巖屑粒徑增大，懸浮巖屑運移速度及固定巖屑床體積分數呈下降趨勢，在使用5 mm巖屑顆粒時，懸浮巖屑運移速度及固定巖屑床體積分數分別降低至0.89 m/s和30.6%。移動巖屑床速度和懸浮巖屑體積分數基本保持不變。隨著巖屑顆粒粒徑的增大，環空下部巖屑床高度增加，堆滿了下環空，單位體積內巖屑所占比重下降，也間接導致了移動巖屑床體積分數先增大后減小。固定巖屑床體積分數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了鉆井液，所以固定巖屑床體積分數變小了。

4 結論

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，有利于提高巖屑運移效率、減小巖屑床體對鉆進安全的影響，但排量過大會增大能耗，增加生產成本。巖屑速度轉速的變化對于巖屑體積分數影響不大，鉆柱旋轉對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，以此控制巖屑粒徑在2 mm以內，降低巖屑清洗難度。

參考文獻

[1] 于勇，張俊明.Fluent入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[2] 賀成才.冪律流體在偏心環空中流動的數值模擬[J].石油學報，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.