反循環(huán)空氣鉆井管柱沖蝕國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究

摘要：鉆井措施中氣體鉆井較常規(guī)鉆井有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)，比如：可以有效地保護(hù)儲(chǔ)層，以及加快鉆井的速度，還可以降低鉆井時(shí)的復(fù)雜程度等，但由于投入到氣體鉆井設(shè)備的資金多、設(shè)備占地大、運(yùn)行起來(lái)造成的能量損耗高，以至于限制了其廣泛的應(yīng)用范圍。因此，反循環(huán)空氣錘鉆井正因其具有消除井漏、減小對(duì)鉆井液的用量、減少污染以及更快找到產(chǎn)層等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。但利用此方法進(jìn)行鉆井時(shí)，將空氣加壓注入井內(nèi)，通過(guò)雙臂鉆桿到達(dá)井底，然后空氣再攜帶巖屑向上返，在這一過(guò)程中，巖屑會(huì)與管柱產(chǎn)生摩擦進(jìn)而沖蝕管柱。

關(guān)鍵詞：空氣鉆井;反循環(huán)鉆井;沖蝕模型;沖蝕磨損量;沖蝕速率

1 前言

在現(xiàn)如今的氣體鉆井過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到的腐蝕介質(zhì)是氧、高礦化度的地層水，而當(dāng)開(kāi)發(fā)高含硫和高壓二氧化碳的油氣田時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)硫化氧和二氧化碳的侵蝕，以上的這些介質(zhì)都會(huì)對(duì)金屬設(shè)備和鉆具產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕破壞。除此之外，氣體鉆井時(shí)氣體攜巖的返速相當(dāng)大，通常在15m/s～100m/s范圍內(nèi)，而且?guī)r屑顆粒的粒徑不一，形狀也不規(guī)則，這對(duì)井下作業(yè)的沖蝕十分嚴(yán)重。因此，環(huán)空巖屑對(duì)鉆桿的沖蝕作用不可忽視。為了有效地減小巖屑沖蝕對(duì)鉆柱的損耗，提高鉆柱的使用壽命，研究巖屑的沖蝕磨損機(jī)理十分必要。

2 國(guó)外現(xiàn)狀

在國(guó)外，氣固兩相流的沖蝕研究較多，Edwards et al、Chen et al和Zhang et?al利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了沖蝕速率模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)，基于不同的沖蝕模型，研究了固體顆粒對(duì)不同結(jié)構(gòu)石油管道彎頭的沖蝕影響。

除此之外，早年，F(xiàn)innie提出了剛性顆粒沖擊塑性材料的微切削理論，此模型較好地闡述了塑性材料在多角形顆粒、低攻角下的沖蝕規(guī)律，其不足之處是不能清晰地解釋有些重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如高攻角下即近于法向沖擊時(shí)塑性材料產(chǎn)生的沖蝕。幾年后，F(xiàn)innie修正了微切削模型，并將其應(yīng)用于高攻角下塑性材料的沖蝕研究。

后來(lái)，Bitter提出了沖蝕的變形磨損理論，其包含兩部分變形，即變形磨損和切削磨損。此外，Bitter以能量守恒為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)沖蝕磨損中顆粒沖入和擠出兩個(gè)階段的能量分析，得到了變形磨損量、切削磨損量和總沖蝕量的表達(dá)式該理論已得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠較好地解釋塑性材料的沖蝕現(xiàn)象，但缺乏物理模型的支持。

以上幾種沖蝕磨損理論都假設(shè)顆粒為不變形的剛體，這與實(shí)際情況不符。因此Tilly在沖蝕微切削理論的基礎(chǔ)上，考慮到粒子撞擊材料表面時(shí)有可能會(huì)發(fā)生碎裂，提出了二次沖蝕理論，即包括第一次沖蝕和第二次沖蝕兩部分。同時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)顆粒的破碎程度與顆粒的速度、沖擊角和粒度有密不可分的關(guān)系。當(dāng)粒子太小或沖擊速度較小時(shí)僅出現(xiàn)一次沖蝕，甚至沒(méi)有沖蝕發(fā)生;當(dāng)粒子足夠大、速度也較大時(shí)導(dǎo)致顆粒破碎，從而出現(xiàn)第二次沖蝕。因此，總沖蝕量是兩次沖蝕量之和，其計(jì)算公式表示如下：

此外，該理論較為成功地解釋了Finnie理論難以說(shuō)明的大攻角下出現(xiàn)的沖蝕現(xiàn)象。后來(lái)，Jahanmir和Suh提出了磨損剝層理論，研究了粒子沖擊塑性材料表面時(shí)其對(duì)亞表層應(yīng)力及空穴成核的影響，并認(rèn)為沖蝕過(guò)程中最大空穴成核區(qū)在攻角15?～20?范圍內(nèi)出現(xiàn)。此外，實(shí)驗(yàn)也證明帶棱角的粒子沖蝕靶材時(shí)，最大的沖蝕量經(jīng)常在攻角15?～20?范圍內(nèi)出現(xiàn)，而球形顆粒的最大沖蝕量在 25?～30?范圍內(nèi)出現(xiàn)。

3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

起初，萬(wàn)里平等人提出氣體鉆井時(shí)環(huán)空氣體攜帶的巖屑對(duì)鉆桿的沖蝕會(huì)引起鉆具失效，但沒(méi)有進(jìn)一步研究相關(guān)的沖蝕磨損機(jī)理。隨后，郭建華通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件建立了氣體鉆井時(shí)環(huán)空氣固兩相流模型，分析了環(huán)空巖屑對(duì)井筒的沖蝕作用，發(fā)現(xiàn)沖蝕最嚴(yán)重的位置為井底附近，而井口附近鉆桿的沖蝕磨損更易引起鉆柱失效。后來(lái)，林鐵軍等采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法建立圓形規(guī)則井眼、鉆桿居中情況下環(huán)空高速氣體攜巖沖蝕鉆桿的兩相流模型來(lái)模擬環(huán)空高速氣流對(duì)鉆桿的沖蝕規(guī)律。祝效華等在林鐵軍研究的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步的考慮了鉆桿偏心、井眼擴(kuò)大、注氣量變化和不同機(jī)械鉆速下環(huán)空巖屑對(duì)鉆桿的沖蝕規(guī)律。此外，還計(jì)算得到了氣體鉆井中引起鉆具沖蝕的臨界氣體速度。幾年后，黃小兵、董耀文等人認(rèn)為環(huán)空巖屑的粒徑、密度、硬度和形狀等基本屬性會(huì)影響鉆具的沖蝕特性，開(kāi)發(fā)了氣體鉆井鉆具沖蝕磨損的試驗(yàn)裝備，并模擬了不同氣體排量、機(jī)械鉆速等鉆井工藝參數(shù)，以及不同屬性的巖屑對(duì)鉆具的沖蝕磨損。轉(zhuǎn)年，張曉東、賈國(guó)超等人在深入研究沖蝕磨損理論的基礎(chǔ)上，提出了適用于氣體鉆井的沖蝕機(jī)理，并且分析了巖屑粒徑、形狀、沖擊角度及速度和井內(nèi)溫度等參數(shù)對(duì)鉆具沖蝕磨損的影響規(guī)律。

總之，關(guān)于氣體沖蝕的研究，國(guó)內(nèi)多停留在計(jì)算機(jī)模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，還沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的報(bào)道。

4 結(jié)論

綜上所述，沖蝕磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，易受到流體速度、材料屬性、巖屑屬性等參數(shù)的影響，故不可能期望通過(guò)某一個(gè)參數(shù)來(lái)表征其所有的過(guò)程。此外，沖蝕磨損理論僅能解釋一些基本的現(xiàn)象，且也不十分完善。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基本上仍以試驗(yàn)為主要手段，然后提出不同的沖蝕模型來(lái)研究顆粒對(duì)材料的沖蝕影響。因此，我們要在現(xiàn)有數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)更加深入的研究油井管柱沖蝕機(jī)理，進(jìn)而探索出切實(shí)有效、有針對(duì)性的削弱和防治油井管柱沖蝕磨損的方法和措施，改善油井管柱的綜合性能，促進(jìn)我國(guó)石油工業(yè)的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

第一作者：王振宇（1990-），畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)。現(xiàn)從事定向工程師工作。