連續油管鉆水平井井眼清洗規律研究

徐東升，楊 進，殷啟帥，李舒展，張禎祥，張天瑋

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

為了在小井眼井中鉆水平井，常規鉆具組合難以滿足井眼尺寸以及摩阻轉矩的要求。連續油管鉆井具有摩阻較低、鉆井效率高等特點，因此在小井眼水平井以及其它鉆完井修井等方面具有廣泛的應用前景。但是，連續油管不能旋轉、排量有限，產生的巖屑不能及時返出，對于小井眼水平井鉆井攜屑能力提出了十分嚴峻的考驗。在水平井中，鉆屑受重力的影響，巖屑積沉在井眼的下部。由于水力參數選擇以及井眼尺寸限制等原因，巖屑難以攜帶出井眼底部。采用常規的鉆井工藝，由于存在鉆桿的轉動以及渦流器等工具的作用，可以使巖屑順利帶出，但是，連續油管技術難以通過管柱來改變流體的流動模型，井眼清洗變的更加困難。

為了使水平井、大斜度井中的巖屑清洗出，許多人對此進行模擬研究。王馨雪、廖震等人利用Fluent模擬了大位移井中流速以及角速度對巖屑清洗的影響[1]。劉小剛、楊進等人研究大斜度井中巖屑床的流場變化，并通過巖屑清除器機械清除巖屑[2]。楊樹人、張景富等人通過試驗，研究井斜角，偏心度等因素與井眼清洗之間的相互關系[3]。閆鐵等通過試驗，研究鉆井液的流變性對清除巖屑的影響，并確定了合適的鉆進液流變參數[4]。考慮到試驗模擬攜屑不夠準確，連續油管在井眼中鉆進缺少具體試驗模擬。本文進行連續油管小井眼水平井鉆井Fluent模擬，分別研究不同水力參數以及流場條件對井眼清潔能力的影響，為連續油管鉆小井眼水平井提供理論依據。

1 計算模型的建立

1.1 數學模型

為了研究鉆井液在水平井中攜屑規律，本文采用Euler-Euler雙流體模型，將流體和顆粒分別視為連續質點以及連續相擬流體，并在此基礎上對相關模擬方程進行構建[1]。

1.1.1 質量守恒方程

在連續油管鉆井中，認為鉆井產生的巖屑與鉆井液之間沒有質量交換，液固兩相的密度均為固定常數，所以，連續性方程寫為：

1) 流體相。

2) 顆粒相。

式中：ε1為流體相的濃度；ε2為顆粒相的濃度；ρ1為流體相的密度；ρ2為顆粒相的密度；v1為流體相的速度；v2顆粒相的速度。

1.1.2 動量守恒方程

由于流體相與顆粒相之間沒有質量傳遞，因此，二者的動量方程可以分別寫成：

1) 流體相。

2) 流體應力張量。

式中：g為重力加速度；p為液相壓力；β為流體與巖屑作用系數；τ1為流體相的應力張量。

3) 顆粒相。

4) 顆粒應力張量。

1.1.3 湍流模型

利用Fluent模擬分析連續油管鉆小井眼水平井過程中的攜屑能力，采用k-ε湍流模型。通過下述兩個表達式分別對流體的湍動能k和湍動耗散率ε進行描述：

式中：ut為湍流粘性系數；Gk為湍動能增量；ρ為流體的密度；cu=0.08,c1=1.45,c2=1.9,σk=1,σε=1.3。

u1=cuρk2/ε

1.2 幾何模型

連續油管內徑為76.2 mm，連續油管外徑為114.3 mm，研究長度10 m。將網格劃分為非均勻結構網格(Tec/hybrid-TGrid)，網格數量3.3×105，多相流和湍流模型分別采用歐拉模型、k-ε模型。液固兩相流體經由偏心環空入口以5 m/s的設定流速流入，視井壁和連續油管保持相對靜止狀態，不產生任何相對滑動。巖屑密度以及直徑參數分別為2 200 kg/m3、0.5 mm。為研究水平段鉆井液攜帶巖屑的敏感參數，數值計算了環空偏心度、鉆井液排量和鉆井液黏度對巖屑運移規律的影響[6]。連續油管鉆井過程中油管與井筒之間的數值模型如圖1，幾何模型如圖2(注：圖中的流場為濃度場)

圖1 連續油管與井筒的數值模型

圖2 連續油管與井筒的幾何模型

2 模擬結果及分析

2.1 環空偏心對攜屑影響

設定環空偏心距分別為10、20、30 mm，巖屑密度分布如圖3所示，可以看出，隨著偏心距的增加，巖屑床堆積逐漸加重。[7]

鉆桿偏心是水平段鉆井中常見的問題，會對巖屑的運移產生負面影響。巖屑的運移變化與鉆桿偏心度具有一定的相關性，為了研究其中的規律，設定巖屑直徑和體積分數分別為0.5 mm和21%，入口排量以及鉆井液黏度分別為6 L/s和20 mPa·s。試驗結果如圖4，水平環空上、下部巖屑運動具有較大的速度差，下部巖屑速度與偏心度之間表現為反相關系，偏心度越大，下部巖屑速度越小，因此，在水平環空開始有巖屑沉積現象發生[8]。

圖3 不同環空偏心度時巖屑運移密度分布

圖4 環空偏心度對巖屑運移規律的影響曲線

分析認為，這主要是由于重力作用，油管和巖屑均易向下運動。隨著環空偏心距的增加，導致環空下部流體速度逐漸減小，巖屑床形成堆積，最終巖屑床厚度超過了所允許的井眼直徑的10%(井眼直徑為114.3 mm)[9]。連續管的撓曲會增大偏心度，如果不通過相應的技術手段對巖屑床進行有效清除，極容易引起連續管自鎖，或者卡鉆等事故障情況發生[10]。

2.2 鉆井液排量對攜屑影響

設定鉆井液排量分別為5、10、15 L/s，分析結果如圖5所示，可以看出，隨著排量的增加，井眼的清潔度逐漸提高。

圖5 不同鉆井液排量時巖屑運移密度分布

模擬巖屑的體積分數為30%，巖屑直徑為0.5 mm，鉆井液黏度為10 mPa·s，偏心度為10 mm。模擬鉆井試驗結果如圖6顯示，環空巖屑流速與鉆井液排量之間表現為正相關關系，排量越大，流速越高。另外，固定床的高度在鉆井液排量增大的過程中迅速下降，巖屑體積分數在此過程中表現為一定程度的提升。因此，鉆井液排量越大，使得環空巖屑流速越大，可以形成具有較高速度的沖擊湍流，具有較大的巖屑沖擊攜帶力，巖屑床更易被破壞，巖屑易被運走[11]。

圖6 不同鉆井液排量對巖屑運移規律的影響曲線

通過上述模擬試驗研究可知，為了防止巖屑沉降，可以提高鉆井液排量來增加沖擊湍流和沖擊攜帶力。研究顯示，鉆井液排量為15 L/s時，對巖屑體積分數的降低效果非常顯著[12]。

2.3 鉆井液黏度對攜屑影響

設定鉆井液黏度分別為10、20、30 mPa·s，分析結果如圖7所示，隨著黏度的增加，黏滯力將會攜帶起更多巖屑[13]。

模擬計算巖屑體積分數為21%，入口排量為6 L/s，巖屑直徑為0.5 mm。鉆井液黏度對巖屑運移的影響如圖8所示，隨著鉆井液黏度的增大，沉積在環空底部的巖屑由于鉆井液的粘滯作用被帶起，引起移動巖屑的體積分數開始增加，沉積在環空底部的固定床的高度隨著鉆井液黏度的增大而逐漸減小。

由此可見，增加鉆井液黏度有利于啟動沉積的巖屑，減輕沉降程度，有利于巖屑攜出以及井內清潔。巖屑體積分數隨著鉆井液黏度增大而增加，所以對鉆井液黏度進行適當提升有利于降低鉆柱摩阻，提高延伸能力[14]。

圖7 不同鉆井液黏度時巖屑運移密度分布

圖8 鉆井液黏度對巖屑運移規律的影響曲線

3 結論

1) 采用連續油管鉆水平井時，由于重力的作用，產生偏心環空，導致連續管上半部分返速大于下半部分返速，下半部分的巖屑難以被攜帶，巖屑沉積逐漸嚴重，延長鉆井周期。

2) 模擬試驗結果表明，隨著排量的增加，偏心環空的上、下部分的返速均有所增加。由于鉆井液的沖蝕作用，使巖屑被攜帶，使下半部分的巖屑床被清除。

3) 隨著鉆井液黏度的逐漸增加，由于鉆井液的黏滯作用，攜帶起環空中的巖屑，使環空中的巖屑床逐漸減小，最終清除巖屑。但是，考慮到破巖的原因，鉆井液的黏度不宜過高。