特殊軌跡井氣體鉆井筒流動規律實驗與研究

楊　峰，朱化蜀，焦少卿，王旭東

（1.中國石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽618000；2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川德陽618000；3.中石化西南油氣分公司石油工程監督中心，四川德陽618000）

特殊軌跡井氣體鉆井筒流動規律實驗與研究

楊峰*1，朱化蜀2，焦少卿3，王旭東1

（1.中國石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽618000；2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川德陽618000；3.中石化西南油氣分公司石油工程監督中心，四川德陽618000）

注氣參數計算是氣體鉆井中十分重要的一個環節，目前關于大斜度井、水平井等特殊軌跡井巖屑運移規律的實驗及理論研究相對較少，尤其是室內試驗更是一項空白。介紹了氣體鉆井井筒流動規律大型試驗臺架的組建和實驗過程，實驗模擬了不同傾角、不同工作方式條件下空氣流動和攜巖工況，通過試驗對特殊軌跡井顆粒運移規律有了新的認識，同時在實驗的基礎上，對顆粒滾動移動最小流速、躍移移動最小流速和氣體鉆水平井攜水規律模型進行修正，為今后特殊軌跡井氣體鉆井參數設計提供參考依據

特殊軌跡井；氣體鉆井；注氣參數；實驗與研究；模型修正

注氣參數計算是氣體鉆井中十分重要的一個環節，它是井眼能否徹底凈化的關鍵因素，因此一直為學者所重視。然而，縱觀現有的眾多注氣量計算方法，大多是針對垂直井，而針對大斜度井、水平井等特殊軌跡井氣體鉆井過程中巖屑的運移規律的實驗及理論方面的研究相對較少。隨著氣體鉆井應用范圍的擴大，部分國內外學者曾根據大斜度井、水平井鉆井等特殊軌跡井的特點，建立數學模型，根據Angel等方法對攜屑問題進行了研究，得出了許多有益的結論。而這些模型的建立均是在一定假設基礎上進行的，模型計算結果與實際注氣量存在一定偏差，影響了研究成果對現場施工設計方面的指導作用。

美國Tulsa大學、挪威SINTEF多相流試驗室、Schlumberger公司、法國流體力學研究所、英國帝國理工學院都建有大型井筒或管道多相流實驗架，主要用于油氣井多相流、油氣儲運、流體力學基礎理論等方面的研究，而沒有針對特殊軌跡氣體鉆井井筒流動規律與井眼凈化實驗研究的功能。

2000年，西南石油大學梁紅、孟英峰等人設計了空氣霧化鉆井實驗架，井筒高15m，外筒內徑0.07m，內筒外徑0.03m，空壓機排量6m3/min，壓力0.8MPa。實驗架由氣源系統、巖屑輸送系統、流體注入系統、井筒系統、測量系統組成，可開展直井的氣體鉆井攜巖實驗。

然而，在特殊井眼軌跡井空氣鉆井中，巖屑的沉降方向沒有沿著井眼軌跡的方向，其攜巖規律與直井的情況大不相同。為了模擬不同井眼軌跡井筒內氣體流動規律，獲取模型檢驗與修正的各項基礎數據，得到合理的特殊軌跡井空氣鉆井注氣參數，需要專門針對特殊軌跡井空氣鉆井開展大型臺架模擬實驗。因此，建立大型井筒流動實驗架模擬不同傾角、不同工作方式條件下的空氣流動及攜巖是特殊軌跡氣體鉆井井筒流動規律與井眼凈化研究的關鍵。

1　實驗臺架的組成

實驗架由實驗管路、起升系統、加熱系統、供氣系統、供液系統、巖屑模擬系統、測試系統等7個部分組成：

①實驗管路，包括高壓和低壓2套系統，每套系統包括一根無模擬鉆桿的空井筒和一根有模擬鉆桿的井筒及其附加管線、安全閥。低壓管段采用?160mm× 10mm的透明有機玻璃管段，每根管長2m，尼龍法蘭連接，每個接點安裝壓力傳感器測取流動壓力，耐壓1MPa，其中的模擬鉆桿采用?63mm×3mm的PVC管。高壓管段采用?110mm×10mm的不銹鋼管段，每根管長6m，不銹鋼法蘭連接，每個接點安裝壓力傳感器測取流動壓力，要求承受10MPa壓力，實驗架設計承壓為12MPa。

②實驗架起升系統，用于支撐實驗管路、測試系統等，并能保持要求的實驗井段的井斜角度，以模擬從直井—斜井—水平井的各種工況。

③實驗供氣系統，包括壓風機、空壓機、增壓機、儲氣罐、過濾器等，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。

④實驗流體加熱系統，包括電加熱與控制系統，能模擬井下一定溫度范圍的變化情況。

⑤液體供給系統，包括水供給，油的供給裝置，用于模擬不同氣液比，不同產出油的變化情況。

⑥巖屑模擬系統，包括巖屑模擬裝置及其計量裝置。用于模擬鉆進過程中井下產生的巖屑情況。

⑦測試系統，包括高壓和低壓管路的溫度、壓力、流量、實驗圖像等測試記錄設備。

實驗架可實現以下功能：

①任意角度干氣攜巖規律可視化實驗；

②該實驗架能實現0°～90°氣體鉆井攜巖實驗，并能保證氣體流速從0～35m/s變化，從而完全滿足攜巖能力的要求；

③地層出水條件下攜水規律及流型流態研究；

④可通過變頻式注入泵模擬地層產液量大小并通過該實驗架模擬不同井斜角、不同注氣量大小條件下的流型流態與氣體攜液能力；

⑤巖屑運動軌跡可視化實驗研究；

⑥通過安裝在實驗架上的高速攝像儀能捕捉不同井段位置的巖屑運移情況和氣固兩相流流型流態，從而為研究巖屑瞬態運移規律提供實驗手段；

⑦具備實驗管段的壓力、氣體流量、液體流量、巖屑加入量、實驗現象圖像等的自動監測、自動記錄功能。

2　實驗過程

實驗方案設計。實驗方案設計的目的主要是探究氣體（干氣）鉆水平井攜巖及井眼凈化效果、氣體鉆水平井攜水規律以及顆粒運移等3方面的基本規律。實驗所選取的各種顆粒材料基礎數據見表1。

Angel方程是在直徑為2.5～3mm巖屑條件下做出的實驗結果，因此，本實驗采用材料需要進行相似性比對計算，其結果見表2。材料與管壁的滾動摩擦系數見表3。

表1　各種實驗顆粒材料基礎數據

表2　各種顆粒材料相似性臨界流速

表3　各種顆粒材料與管壁滾動摩擦系數

針對氣體（干氣）鉆水平井攜巖及井眼凈化效果、氣體鉆水平井攜水規律以及顆粒運移規律等3方面，分別開展相關實驗參數設計。

針對顆粒運移規律研究方面，實驗采用壓縮空氣作為實驗流體介質，通過不同尺寸、密度的模擬巖屑顆粒，包括：黃豆、綠豆、玻璃顆粒等在不同氣量下，利用高速攝像儀研究其運動軌跡，實驗參數見表4。

針對干氣攜巖及井眼凈化效果研究方面，實驗采用空氣作為實驗流體介質，采用不同尺寸、密度的模擬巖屑顆粒，包括：黃豆、綠豆、玻璃顆粒等，各材料尺寸從3.0～7.8mm變化。在不同氣量下，研究其攜巖效果（主要研究臨界攜巖氣量）。從而利用實驗結果修正現有攜巖數學模型。其具體做法為：在井底以不同速度注入模擬巖屑，然后加大注氣量（注氣量可從0～22m3/min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。穩定注氣2min后逐步加大氣量，待井底巖屑攜帶完全后停止實驗，測試參數包括：氣量、氣體流速、動能、顆粒速度、管流壓力等。整個實驗流壓控制在0.1～0.6MPa內，實驗溫度采用不加熱室外空氣的溫度，實驗參數見表5。

針對氣體鉆水平井攜水規律研究方面，設計思路為：注入小排量實驗液體停止在水平管一定液位高度（液位高度控制在0～10cm），而后注氣（注氣量在0～20m3/min控制）攜液，利用高速攝像儀觀察井底出水運動流型流態和井底出水對井壁潤濕效果。

表4　顆粒運動規律實驗設計

表5　干氣攜巖實驗設計

利用高速攝像儀研究氣體中液體運動規律和攜液效果研究，具體做法為：在注氣的同時注入微流量液體，用高速攝像儀先觀察液體運動形態，再加大注氣量待井口有液體產出物后穩定注氣2min，觀察高速氣流中液體形態及運動規律，實驗參數見表6。

表6　水平井攜液實驗設計

3　實驗結果分析及模型修正

（1）顆粒運移規律研究。顆粒運移規律為：滾動—躍移—連續運移。一方面，一般條件下顆粒運動應該為直線運動，但從實驗圖片分析來看，顆粒在臨界攜巖狀態下，總是處于管流懸浮停滯運動狀態，其運動軌跡主要受管柱偏心而帶來的橫向上氣流的不均勻，從而使得顆粒運動發生折線式的上下運動；另一方面，受巖屑堆積影響，后續巖屑撞擊巖屑團產生躍移也是水平井巖屑運動的一大特點。在水平井中，若鉆柱產生偏芯，巖屑將更易形成巖屑床，造成攜巖困難。

（2）干氣攜巖及井眼凈化效果研究采用不同模擬巖屑進行臨界攜巖實驗，實驗數據見表7。

可以看出，顆粒先發生滾動的氣量小于躍移時氣量，而當氣量大于躍移氣量時，顆粒開始連續運移。因此，躍移氣量可作為氣體鉆水平井連續攜巖臨界氣量。

表7　顆粒運移方式對比

（3）氣體鉆水平井攜水規律研究。高氣液比條件下的穩定氣流中，液體主要以液膜和液滴形式存在于管流中，液膜主要以粘附于管壁緩慢向前推進，而中心管流液滴是被氣流攜帶至井口。實驗攜液量與理論攜液量的對比見表8。從表中可知，實際攜液量低于實際攜液量，且攜液量的增長速度快于注氣量的增長速度。

表8　各種氣量條件下攜液實驗數據

（4）模型完善與修正：

①顆粒運移規律修正。顆粒在水平井中的運移規律與通常的氣體攜巖假設有一定差別：在水平井中，顆粒在臨界攜巖狀態下總是處于懸浮運動狀態，其運動軌跡主要受管柱偏芯而帶來的縱向上氣流的不均勻，從而使得顆粒運動發生折線式的上下運動。

②干氣攜巖及井眼凈化模型完善與修正。

a.顆粒滾動移動最小流速數學模型修正：

b.躍移移動最小流速數學模型修正：從實驗結果可以看出，實際最低連續攜巖氣量只相當于Angel公式的66%左右。因此，對于干氣攜巖井眼凈化的標準為：氣體應具有的動能應大于標況下10.05m/s流動的空氣動能。

或者采用躍移臨界氣量的143%作為修正模型，即：

③氣體鉆水平井攜水規律模型完善與修正：從表8可以看出，不同注氣量條件下，其理論攜液能力不同。這主要是由于在較小注氣量下，大量液體未被帶出導致流動中心氣液比較高。

由于氣體鉆井如遇地層出水，在轉換循環介質之前，環空管流氣液比是大于1500。因此，應該按照誤差25.8%作為攜液數學模型修正依據，即：

4　結論

（1）針對大斜度井、水平井等特殊軌跡井氣體鉆井過程中巖屑的運移規律而設計的大型試驗臺架填補了國內的一項空白，通過試驗對水平井氣體鉆井過程中顆粒運移規律有了新的認識：在水平段，顆粒總是處于管流懸浮停滯運動狀態，其運動軌跡主要受管柱偏芯而帶來的橫向上氣流的不均勻，從而使得顆粒運動發生折線式的上下運動；

（2）受巖屑堆積影響，后續巖屑撞擊巖屑團產生躍移也是水平井巖屑運動的一大特點。在水平井中，若鉆柱產生偏芯，巖屑將更易形成巖屑床，造成攜巖困難；

（3）水平段實際最低連續攜巖氣量只相當于Angel公式的66%左右。因此，對于干氣攜巖井眼凈化的標準為：氣體具有的動能應大于標況下10.05m/s流動的空氣動能，可采用躍移臨界氣量的143%作為修正模型計算注氣量。

［1］孟英峰，練章華，等.氣體鉆水平井的攜巖研究及在白淺111H井的應用［J］.天然氣工業，2005，25（8）：50-53.

［2］孟英峰，練章華，等.氣體鉆水平井的攜巖CFD數值模擬分析［J］.天然氣工業，2005，25（7）：50-52.

［3］袁兆廣，周開吉，等.氣體鉆大斜度水平井最小注氣量計算方法研究［J］.天然氣工業，2007，27（4）：65-68.

［4］肖國益，趙向陽，等.氣體鉆井攜巖關鍵點多相流動規律研究［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：16-19.

［5］DOAN Q T，VINCANO INC，OGUZTORELI M，et al，Modeling of Transient Cuttings Transport in Underbalanced Drilling （UBD）［J］.IADC/SPE 85061.

TE2

A

1004-5716（2016）05-0047-04

2016-01-20

2016-01-25

國家科技重大專項專題“低滲氣藏氣體鉆井關鍵技術”（編號：2011ZX05022-005）部分研究成果。

楊峰（1980-），男（漢族），四川達州人，工程師，現從事井眼軌跡控制研究工作。