大位移井不同井斜角度下巖屑運移規律研究

韓雪瑩

（長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

近年來，巖屑在大位移井中運移規律的研究內容備受關注，由于大位移井不同井段的類型、角度存在差異，所以巖屑運移規律不能一概而論。要想得出全面、準確的研究結論，務必通過模型分析法全面分析大位移井巖屑運移情況，以便為大位移井日后的技術應用奠定良好基礎，大大提高巖屑分布特性的參考價值。可見，這一論題具有探究性意義和現實性意義，論題內容概述如下。

1 巖屑層形成機制

鉆頭下鉆處理期間，巖層碎屑隨之出現，這是巖屑層形成的主要原因[1]。巖屑向外輸運的過程中，常因巖屑體積不規則，導致碎屑在井口大量堆積，隨著時間積累，發育成巖屑床。巖屑層一旦出現，則巖屑會在外力、自身重力等因素影響下滑落、堆積，最終影響鉆井速度，以及井下物質開采量。一般來說，巖屑濃度越高，巖屑床厚度越高，進而傾斜角度隨之增大，對礦井開采效率、運送速度、鉆井液密度會產生負面影響。

2 大位移井幾何模型的建立

隨著油氣田開發活動大范圍開展，大位移井應用頻次相應增多。然而大位移井方法投用期間，受不同井斜角度影響，會影響巖屑運移量及運移速度。考慮到井下環節復雜、多變，憑借傳統的人為方式難以準確歸納巖屑運移規律，所以幾何模型的構建具有迫切性和必要性[2]。具體來說，利用結構化多面體網格單元劃分網格，以便滿足差異化井斜角度（30°、45°、65°）下幾何模型的構建，及其在巖屑運移規律分析中應用，為幾何結構網格模型建立提供價值化數據。在此之前，以相關資料查閱、現場考察等形式深入研究井筒內部參數，如壓力、排量、液體當量密度的變化情況，為巖屑在不同井斜角條件下運移規律對比奠定基礎。

井斜角度影響巖屑運移，一般來說，小于30°井斜角直井段形成巖屑床的可能性較小。客觀總結大位移井不同井斜角度下巖屑運移規律時，基于同心工況條件，比較不同井斜角巖屑分布情況。在此期間，會用到基本方程、巖屑擴散方程，經相應公式代入客觀獲得巖屑運移規律，具體內容分析如下。

3 大位移井不同井斜角度下巖屑運移規律分析

3.1 縱向截面速度場

觀察位移井中心處不同井斜角截面巖屑速度變化情況，低井斜角度對應高環空氣流、高巖屑運移速度，相反，高井斜角度對應低環空氣流、低巖屑運移速度。環空反速條件下，靜止巖屑層、移動運移層、懸浮運移層由下到上形成，基于此，構建相應的巖屑運移模型，如果環空存在穩態固液兩項非壓縮流體，且物質連續，三層巖屑體積濃度約50%，鉆桿靜置。此時，運用連續性方程進行計算，公式如下：

其中，M、N、S 分別代表面積、巖屑濃度、速度；sd、mb 代表懸浮層、移動層；Msd代表面積懸浮層、Nsd巖屑濃度懸浮層、Ssd速度懸浮層；Mmb代表面積移動層、Nmb巖屑濃度移動層、Smb速度移動層；τ 表示應力；s 表示濕周。傾斜角度產生后，環空氣流速度變化具有對稱性，受重力影響，巖屑運移方向靠近低速區。

3.2 軸向截面速度場

井斜角由30°增加到45°，再到65°，巖屑床厚度明顯增加，致使鉆井液垂直向上的分量由多到少[3]。環空返速情況下，井斜角一旦改變，會明顯作用于環空返速較小時巖屑床厚度，相對來說，環空返速較高時，對巖屑床厚度影響較弱（如表1）。巖屑厚度與層流流型、紊流流型分別呈正相關和負相關，環空返速與紊流標準一致，返速提高后，泥漿摩擦力和阻力相應增大，這種情況下巖屑顆粒隨之流動，巖屑層厚度相應減小。壓降減小率＞泥漿流動摩擦力增加率，環空總壓明顯降低，但并不是一直降低，當巖屑運動摩擦阻力減小率＜泥漿流動摩擦阻力增加率，環空降壓隨之增加，巖床高度、厚度減少到最小，則巖床不存在。環空斷面巖屑均勻分布，混流體與純流體的壓降值大致相同，隨環空返速增加相應升高，其中，極小值的環空返速為臨界環空返速。

表1 不同結構軸向截面速度對比

3.3 比較井深方向巖屑速度

比較30°、45°、65°井斜角度工況下巖屑井深速度，得知傾斜前部分井斜角變化對巖屑運移速度影響較小，傾斜后部分井斜角變化后，巖屑速度隨之改變（如表2）。

表2 不同結構巖屑沿井深高度速度對比

巖床順著井壁方向的重力分量同井壁與巖屑床的摩擦力增大，一定程度上減慢了攜巖運動速度，主要原因是井斜角度擴大。環空返速條件下，運動床面積與井斜角成正相關，即運動床面積增大，井斜角隨之擴大。對于靜止床來說，水平段巖床面積與井斜角呈反比，即井斜角增大，則巖床面積減小。井斜角65°時，巖床面積最大，當井斜角小于65°，巖床面積以較快速度減小；井斜角30°時，巖床面積最小。環空返速條件變化時，近水平井段重力壓力梯度以較小幅度變化，并呈遞增趨勢，井斜角小于65°后呈遞減趨勢。具體如圖1 所示。

圖1 不同井斜角度下巖屑運移規律

3.4 CDF-DEM 方法模擬傾斜井段巖屑運移規律

鉆井液、巖屑運移情況模擬的傳統方法，即構建液固兩項歐拉-歐拉雙流體模型，這一方法未全面考慮細小巖屑流動細微流動情況。從實用性角度來看，運用CDF-DEM 方法模擬傾斜井段巖屑運移情況，能夠彌補傳統方法片面呈現模擬圖像的不足，進而全面、直觀呈現巖屑運移規律，使油田勘探開發作業精準化開展，盡可能增加產量，提高經濟效益。方法實踐階段，基于Lagrange 坐標獲得離散運動軌跡，基于Euler 坐標得知液相運動情況，分別求解。為客觀總結顆粒、井壁、鉆桿壁的碰撞運動規律，以及巖屑不同狀態下的變化規律，通過構建軟球模型比較模擬情況下巖屑濃度值與實驗數值，根據對比結果判定CDF-DEM 方法是否具有可靠性。

由于工況參數多樣變化，所以巖屑運移現象不盡相同。以巖屑運移影響因素為切入點，經總結發現：隨著轉速加快，液體周圍抬升力量隨之增強，意味著懸浮能力在原有基礎上提升，在這一活動中，巖屑床受到外力沖擊，不同程度上阻礙巖屑堆積進程，進而減少巖屑床厚度。鉆桿偏心度在原有基礎上擴大，鉆桿環空間距減小，當流動速度減慢，顆粒溫度由高向低過渡，導致鉆桿底層出現大量集聚現象。流動速度逐漸加快，巖屑床軸向助推力量明顯加劇，同時，環空內流核區面積范圍相應擴大，說明巖屑顆粒以較快速度運輸。CDF-DEM 方法在不同操作環境中有較強適應性，當液流變性在巖屑運移中產生影響，這與井筒內液固兩相流動狀態相近，能為鉆井實踐提供理論指導。

4 巖屑管理的有效措施

了解大位移井不同井斜角度下巖屑運移規律后，應掌握巖屑科學化管理措施，盡最大可能控制巖屑運移環節的負面因素，從整體上提高巖屑運移效率。如果巖屑運移速度過快，順利的情況下能夠縮短碎屑移送時間，一旦礦井內部環境復雜，則會出現碎屑大量滑落現象，并且巖屑床完整性會受到破壞。巖屑上返期間，務必客觀、全面分析礦井環境，提供適宜的移送工具，同時，做好過程監督與管理，盡可能減少碎屑掉落現象。最為關鍵的是，相關技術人員靈活運用錄井技術，據此精準測量巖屑體積、獲取巖層信息，為巖屑管理方法制定提供可靠的技術支持[4]。基于巖屑體積測量的實際需求，針對性處理環空巖屑，同時做好記錄，為巖屑地質地貌研究提供理論指導。考慮地質斷層情況，盡可能減少巖屑體積測量誤差，據此獲得真實的地質信息，確保巖屑管理工作高效開展。此外，三維解剖模擬圖常態構建，據此追蹤鉆探鉆頭方向，通過運動軌跡對比，及時矯正偏差，大大提高巖屑管理有效性。可見，這既能提高錄井技術實用性，又能順利完成巖屑管理目標，推動油田開發活動順利進行。

綜上所述，大位移井方法廣泛用于油田勘探，要求勘探人員客觀總結不同井斜角度下巖屑運移規律。為直觀、具體了解巖屑運移情況，基于幾何模型掌握縱向截面速度場、軸向截面速度場，并比較井深方向巖屑速度。當理論內容掌握后，為巖屑管理提供思路指導，進而適時改進巖屑管理方法，從整體上提高油田勘探有效性，推動區域經濟和國家經濟穩健發展。此外，這能為日后巖屑運移規律總結奠定基礎，取得井眼清潔的理想效果。