水平井段連續(xù)管多形態(tài)流域可溶橋塞碎屑運(yùn)移規(guī)律

王龍 徐燕東 王鎖男 吳春洪 任海冰 張磊 楊敏杰

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司 2.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 4.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

0 引 言

連續(xù)管可鉆式橋塞分段多簇壓裂技術(shù)可以改造油氣層，利于油氣增產(chǎn)增效[1]。在油氣田開(kāi)采過(guò)程中，水平井段可鉆式橋塞壓裂會(huì)在井底形成樹(shù)狀裂縫，加速儲(chǔ)油層原油進(jìn)入井底。在實(shí)際工作中，連續(xù)管內(nèi)下放鉆磨設(shè)備清除封堵橋塞，會(huì)產(chǎn)生大量碎屑，在工作液動(dòng)力下，碎屑從井底經(jīng)由環(huán)空段排出井口[2-3]。若碎屑堆積過(guò)多則會(huì)引起卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)事故，因此可以通過(guò)分析碎屑在水平井段的體積分?jǐn)?shù)來(lái)研究碎屑的運(yùn)移規(guī)律。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)碎屑運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了不少研究。A.M.AWAD等[4]利用流體力學(xué)的方法，研究了不同管柱偏心距對(duì)巖屑體積分?jǐn)?shù)的影響；M.M.HUQUE等[5]通過(guò)試驗(yàn)得到了巖屑運(yùn)移力學(xué)三層模型；S.GULRAIZ等[6]采用CFD數(shù)值模擬方法，得出了巖屑運(yùn)移與粒徑或者顆粒形狀不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；M.M.HUQUE等[7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不形成流砂床的情況下高效清孔需要一個(gè)湍流的流態(tài)；O.ERGE等[8-9]提出了新型的巖屑運(yùn)移模型，研究了包括管道旋轉(zhuǎn)、偏心及堵塞等本質(zhì)的影響；M.M.HUQUE等[10]通過(guò)數(shù)值模擬CFD和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法發(fā)現(xiàn)鉆井液黏度和速度表現(xiàn)出正效應(yīng)；PANG B.X.等[11]的數(shù)值模擬結(jié)果表明，鉆磨液黏度有助于在低環(huán)空流速下巖屑運(yùn)移；S.AKHSHIK等[12]通過(guò)CFD-DEM模型的方法研究發(fā)現(xiàn)，巖屑運(yùn)移效率還受環(huán)境溫度和注入壓力的影響；劉少胡等[13]通過(guò)CFD數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)，破壞器對(duì)井眼的清潔效果很明顯；汪皖等[14]通過(guò)數(shù)值模擬的方法得到隨著管柱轉(zhuǎn)速的增大，巖屑運(yùn)移的效果增強(qiáng)。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖屑運(yùn)移規(guī)律展開(kāi)了不少研究，但針對(duì)連續(xù)管螺旋屈曲狀態(tài)時(shí)碎屑運(yùn)移規(guī)律的研究還較少，因此有必要對(duì)連續(xù)管不同形態(tài)下碎屑運(yùn)移的規(guī)律進(jìn)行研究。當(dāng)連續(xù)管所受的軸向力超過(guò)了臨界值，該段連續(xù)管將會(huì)失穩(wěn)進(jìn)入屈曲狀態(tài)[15]。因此，本文運(yùn)用CFD技術(shù)，在不同條件下[16]針對(duì)不同連續(xù)管形態(tài)下碎屑運(yùn)移的規(guī)律展開(kāi)研究。所得結(jié)果可有效預(yù)防井下卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)。

1 連續(xù)管無(wú)屈曲狀態(tài)時(shí)碎屑運(yùn)移規(guī)律

1.1 水平井段環(huán)空模型及邊界條件

1.1.1 環(huán)空模型和假設(shè)條件

參考連續(xù)管在水平井段的工作參數(shù)，建立長(zhǎng)度為20 m，連續(xù)管外徑為50.8 mm，井筒內(nèi)徑為118.0 mm的環(huán)空流道模型。考慮到水平段連續(xù)管鉆磨施工中井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合及碎屑物性參數(shù)等硬件因素和鉆磨液流動(dòng)無(wú)規(guī)律的特點(diǎn)，為了方便對(duì)環(huán)空模型中的碎屑進(jìn)行數(shù)值模擬，簡(jiǎn)化了鉆磨時(shí)的一些影響因素，做出如下假設(shè)條件：①水平段連續(xù)管和套管的直徑不變，并且連續(xù)管和套管的表面粗糙度均勻；②忽略水平井段某些原因產(chǎn)生氣體、液體而對(duì)鉆磨液黏度產(chǎn)生的影響；③固相顆粒形狀為球體，并且直徑均勻不變。

1.1.2 網(wǎng)格模型和邊界條件

根據(jù)連續(xù)管無(wú)屈曲狀態(tài)時(shí)水平井段環(huán)空模型的特點(diǎn)，為了提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)環(huán)空模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。根據(jù)連續(xù)管在水平井段鉆磨橋塞時(shí)的實(shí)際情況，給出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。入口條件：采用速度入口，入口流體的速度方向垂直于入口的邊界面；出口條件：采用壓力出口，出口壓力值由工作參數(shù)獲得；壁面條件：連續(xù)管的外壁面和套管的內(nèi)壁面為固定壁面，壁面的摩擦屬性定義為無(wú)滑移[17]。模擬時(shí)(碎屑以復(fù)合材料替代)具體參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置

1.1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

應(yīng)用Fluent軟件對(duì)水平井段中碎屑進(jìn)行數(shù)值模擬。環(huán)空段模型的網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著較大影響，當(dāng)連續(xù)管在水平井段無(wú)屈曲狀態(tài)時(shí)，采用六面體網(wǎng)格劃分，分析不同網(wǎng)格數(shù)量時(shí)計(jì)算結(jié)果的變化。網(wǎng)格數(shù)量的設(shè)置范圍為(16～55)萬(wàn)，計(jì)算結(jié)果以出口固相(碎屑)流速和出口鉆磨液流速為對(duì)比參數(shù)，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證圖

如圖1所示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，鉆磨液的出口速度變化范圍較小。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從16萬(wàn)增長(zhǎng)到31.6萬(wàn)時(shí)，碎屑的出口速度增長(zhǎng)得很明顯，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從31.6萬(wàn)再增加時(shí)，碎屑的出口速度變化范圍很小，且趨于平穩(wěn)。因此選擇環(huán)空模型網(wǎng)格數(shù)量為31.6萬(wàn)時(shí)的計(jì)算模型為分析模型。

1.2 水平井段橋塞碎屑體積分?jǐn)?shù)影響因素分析

1.2.1 橋塞碎屑在流向長(zhǎng)度上的分布規(guī)律

由于影響水平井環(huán)空段橋塞碎屑運(yùn)移的因素很多，情況多種多樣，故選擇其中一種情況來(lái)分析。對(duì)于可溶橋塞，選擇初始復(fù)合材料(聚乙醇酸)體積分?jǐn)?shù)1%、鉆磨液流量400 L/min、鉆磨液黏度38 mPa·s。根據(jù)前文的邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于所選取的環(huán)空模型長(zhǎng)度為20 m，從入口到出口每隔1 m取1個(gè)截面，一共有21個(gè)截面。為了可以很明顯地看出橋塞碎屑在流向長(zhǎng)度上的分布規(guī)律，選擇部分截面來(lái)進(jìn)行分析。復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)云圖如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料在不同截面上的體積分?jǐn)?shù)云圖

復(fù)合材料的最大體積分?jǐn)?shù)從距離入口(z)0.5、1.0、2.0及14.0 m處依次為17.4%、33.9%、31.3%和26.5%。復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)從距入口0.5 m處至距離入口1.0 m處最大體積分?jǐn)?shù)增大了16.5個(gè)百分點(diǎn)，再至距入口2.0 m處最大體積分?jǐn)?shù)減少了2.6個(gè)百分點(diǎn)，最后至距出口處減小了4.8個(gè)百分點(diǎn)。復(fù)合材料在出、入口附近的體積分?jǐn)?shù)較小，說(shuō)明在出口有部分復(fù)合材料排出；而靠近入口處復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)較大，說(shuō)明在入口附近形成了堆積。這是由于鉆磨液在入口附近的流速較小，攜屑能力較弱，導(dǎo)致聚乙醇酸在入口附近有部分堆積。聚乙醇酸在入口附近形成堆積后，該處的流體域橫截面積減小，在鉆磨液流量不變的情況下，流體域的橫截面積越小，該處的鉆磨液流速就越大，對(duì)后面碎屑的運(yùn)移越有利，故后面聚乙醇酸的體積分?jǐn)?shù)有所下降。

1.2.2 鉆磨液黏度對(duì)碎屑運(yùn)移的影響

在鉆磨橋塞的過(guò)程中，鉆磨液黏度會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液黏度μ為10、20、30和40 mPa·s時(shí)，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分?jǐn)?shù)分布，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同鉆磨液黏度下復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)分布曲線

由圖3可以分析出，當(dāng)鉆磨液黏度較大時(shí)，出口處復(fù)合材料的平均體積分?jǐn)?shù)較大。這說(shuō)明當(dāng)鉆磨液的黏度較大時(shí)，橋塞碎屑更易被運(yùn)移出去。當(dāng)鉆磨液黏度較小時(shí)，橋塞碎屑的最大體積分?jǐn)?shù)較小，說(shuō)明鉆磨液的低黏度有更好的流動(dòng)性，可以使橋塞碎屑容易被沖刷。

1.2.3 鉆磨液流量對(duì)碎屑運(yùn)移的影響

在鉆磨橋塞的過(guò)程中，鉆磨液流量Q會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液流量Q為300、350、380和400 L/min時(shí)，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分?jǐn)?shù)分布，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同鉆磨液流量下復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)分布曲線

通過(guò)圖4可以分析出，當(dāng)鉆磨液流量為350和400 L/min時(shí)，出口處橋塞碎屑的平均體積分?jǐn)?shù)較大，說(shuō)明橋塞碎屑更易被運(yùn)移出去。而當(dāng)鉆磨液流量越大時(shí)，出口處的橋塞碎屑最大體積分?jǐn)?shù)越小，說(shuō)明在出口處橋塞碎屑沒(méi)有形成堆積。

1.2.4 固相初始體積分?jǐn)?shù)對(duì)碎屑運(yùn)移的影響

在鉆磨橋塞的過(guò)程中，碎屑初始體積分?jǐn)?shù)α?xí)S著水平井段不同工況而有所變化，因此設(shè)置碎屑初始積分?jǐn)?shù)α為1%、2%、3%、4%和5%時(shí)，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分?jǐn)?shù)分布，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，復(fù)合材料的初始體積分?jǐn)?shù)越大，每個(gè)截面上復(fù)合材料的平均體積分?jǐn)?shù)和最大體積分?jǐn)?shù)也越大，說(shuō)明固相的初始體積分?jǐn)?shù)與碎屑的平均體積分?jǐn)?shù)和最大體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)。

圖5 不同固相初始體積分?jǐn)?shù)下復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)分布曲線

2 連續(xù)管偏心時(shí)碎屑運(yùn)移規(guī)律

2.1 水平井段環(huán)空模型及邊界條件

參考連續(xù)管在水平井段的工作參數(shù)，建立長(zhǎng)度為22 m，連續(xù)管外徑為50.8 mm，井筒內(nèi)徑為118.0 mm，偏心距離s分別為5、10、15、20和25 mm的環(huán)空流道模型。依據(jù)連續(xù)管處于偏心狀態(tài)時(shí)水平井段環(huán)空模型的特點(diǎn)，對(duì)此環(huán)空模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，邊界條件見(jiàn)前文。

2.2 水平井段橋塞碎屑體積分?jǐn)?shù)影響因素分析

2.2.1 不同偏心距離下碎屑體積分?jǐn)?shù)分析

分析不同偏心距離下碎屑體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的云圖如圖6所示。

圖6 不同偏心距離下流向長(zhǎng)度為2 m時(shí)的聚乙醇酸體積分?jǐn)?shù)云圖

由圖6可以看出，隨著偏心距離的增加，聚乙醇酸的分布范圍逐漸減小，說(shuō)明聚乙醇酸更難以被運(yùn)移出去。

2.2.2 偏心距離對(duì)碎屑運(yùn)移的影響分析連續(xù)管偏心距離s為5、10、15、20和25 mm時(shí)橋塞碎屑體積分?jǐn)?shù)的變化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同偏心距離下聚乙醇酸體積分?jǐn)?shù)分布曲線

通過(guò)圖7可以分析出，當(dāng)偏心距離為5 mm時(shí)，出口處橋塞碎屑的平均體積分?jǐn)?shù)最大，此時(shí)碎屑最易被運(yùn)移出去。當(dāng)偏心距離增大時(shí)，出口處碎屑的最大體積分?jǐn)?shù)先減小后增大，說(shuō)明隨著偏心距離的增加，碎屑在出口處因環(huán)空管內(nèi)流體形狀的變化對(duì)堆積狀態(tài)有影響。偏心距離為10和15 mm時(shí)，碎屑最大體積分?jǐn)?shù)減小，流體沖刷不易形成堆積；偏心距離為20和25 mm時(shí)，碎屑最大體積分?jǐn)?shù)成倍增加，流體沖刷能力減弱，極易形成堆積。

3 連續(xù)管螺旋屈曲狀態(tài)時(shí)碎屑運(yùn)移規(guī)律

3.1 水平井段環(huán)空模型及邊界條件

在某些情況下，尤其是注入工況時(shí)，連續(xù)管可能受負(fù)的軸向力(壓力)，如果軸向力的絕對(duì)值超過(guò)了臨界值，該段連續(xù)管將會(huì)失穩(wěn)進(jìn)入屈曲狀態(tài)。當(dāng)軸向力繼續(xù)增大到一定值后，連續(xù)管就會(huì)呈現(xiàn)螺旋屈曲狀態(tài)。建立連續(xù)管螺旋屈曲時(shí)的數(shù)值模型需要根據(jù)下式計(jì)算出螺距：

(1)

式中：P為螺距，mm；Ft為軸向力，N；EI為管柱的剛度，N·m2。

根據(jù)工作參數(shù)，可算出螺距P=11 m。連續(xù)管外徑50.8 mm，套管內(nèi)徑118.0 mm，為了方便研究，建立環(huán)空模型長(zhǎng)度為22 m。依據(jù)連續(xù)管螺旋屈時(shí)的模型特點(diǎn)，對(duì)此環(huán)空模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，邊界條件見(jiàn)前文。

3.2 水平井段橋塞碎屑體積分?jǐn)?shù)影響因素分析

3.2.1 橋塞碎屑在流向長(zhǎng)度上的分布規(guī)律

由于影響水平井環(huán)空段橋塞碎屑運(yùn)移的因素很多，情況多種多樣，故選擇其中一種情況來(lái)分析，邊界條件如表1所示。根據(jù)確定的邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于所選取的環(huán)空模型長(zhǎng)度為22 m，從入口到出口每隔1 m取1個(gè)截面，一共有23個(gè)截面。為了可以很明顯地看出橋塞碎屑在流向長(zhǎng)度上的分布規(guī)律，選擇部分截面來(lái)分析。復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)云圖如圖8所示。

圖8 復(fù)合材料在不同截面上的體積分?jǐn)?shù)云圖

由圖8可知，復(fù)合材料的最大體積分?jǐn)?shù)從距離入口0.3、0.7、1.5和22.0 m依次為6.83%、13.3%、30.3%和0。分析這些截面上最大復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)可以看出，復(fù)合材料從距入口0.3 m處至距入口0.7 m處最大體積分?jǐn)?shù)增加了6.47個(gè)百分點(diǎn)，再至距入口1.5 m處最大體積分?jǐn)?shù)增加了17個(gè)百分點(diǎn)，最后復(fù)合材料出口體積分?jǐn)?shù)為0。這說(shuō)明沒(méi)有復(fù)合材料運(yùn)移出去，復(fù)合材料都堆積在入口附近。這可能是由于當(dāng)連續(xù)管在水平井段狀態(tài)為螺旋屈曲時(shí)，連續(xù)管與套筒緊貼，它們之間的間隙過(guò)小，故當(dāng)碎屑為復(fù)合材料時(shí)，很難被運(yùn)移出去；但和連續(xù)管在中心、偏心時(shí)一樣，碎屑在入口附近有堆積。

3.2.2 鉆磨液黏度對(duì)碎屑運(yùn)移的影響

在鉆磨橋塞的過(guò)程中，鉆磨液黏度會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液黏度μ為10、20、30和40 mPa·s時(shí)，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分?jǐn)?shù)分布，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同鉆磨液黏度下聚乙醇酸體積分?jǐn)?shù)分布曲線

通過(guò)圖9可以分析出，當(dāng)鉆磨液黏度越大時(shí)，入口附近橋塞碎屑的平均體積分?jǐn)?shù)和最大體積分?jǐn)?shù)都較大，而在出口處橋塞碎屑的平均體積分?jǐn)?shù)和最大體積分?jǐn)?shù)幾乎為0。這說(shuō)明當(dāng)連續(xù)管為螺旋屈曲狀態(tài)時(shí)，橋塞碎屑很難被排出。

3.2.3 鉆磨液流量對(duì)碎屑運(yùn)移的影響

在鉆磨橋塞的過(guò)程中，鉆磨液流量分根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液流量Q為300、350和400 L/min時(shí)，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分?jǐn)?shù)分布，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同鉆磨液流量下聚乙醇酸體積分?jǐn)?shù)分布曲線

通過(guò)圖10可以分析出，鉆磨液的流量越大，入口附近橋塞碎屑的平均體積分?jǐn)?shù)和最大體積分?jǐn)?shù)都越大。這說(shuō)明當(dāng)連續(xù)管為螺旋屈曲狀態(tài)時(shí)，隨著鉆磨液流量的增大，橋塞碎屑在入口處更易形成堆積。

3.2.4 碎屑初始體積分?jǐn)?shù)對(duì)碎屑運(yùn)移的影響

在鉆磨橋塞的過(guò)程中，碎屑初始體積分?jǐn)?shù)α?xí)S著水平井段不同工況而有所變化，因此設(shè)置碎屑初始體積分?jǐn)?shù)α為1%、2%、3%、4%和5%時(shí)，水平井環(huán)空段橋塞碎屑的體積分?jǐn)?shù)分布，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同固相初始體積分?jǐn)?shù)下聚乙醇酸體積分?jǐn)?shù)分布曲線

通過(guò)圖11可以看出，連續(xù)管為螺旋屈曲狀態(tài)時(shí)，當(dāng)橋塞碎屑的初始體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，入口附近的碎屑平均體積分?jǐn)?shù)最大，更易形成堆積。

4 結(jié)論及建議

(1)當(dāng)連續(xù)管在套筒中心時(shí)，橋塞碎屑在入口附近有較大的堆積，而在出口處有少量的碎屑，說(shuō)明有碎屑被運(yùn)移出去。在眾多影響因素中，碎屑初始體積分?jǐn)?shù)對(duì)碎屑運(yùn)移的影響最大，故當(dāng)初始碎屑體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，碎屑運(yùn)移效果更明顯。橋塞碎屑會(huì)隨著鉆磨液流量的增大、鉆磨液黏度的增大而更好地被運(yùn)移出去，故選擇較大流量和黏度的鉆磨液對(duì)橋塞碎屑的運(yùn)移更有幫助，對(duì)預(yù)防井下卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)具有很大意義。

(2)當(dāng)連續(xù)管偏心時(shí)，隨著偏心距離的增大，復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)越來(lái)越少，說(shuō)明碎屑越來(lái)越難被運(yùn)移出去。故當(dāng)偏心距增大時(shí)，更容易發(fā)生卡鉆等安全隱患。

(3)當(dāng)連續(xù)管呈現(xiàn)螺旋屈曲狀態(tài)時(shí)，對(duì)比3種影響因素，碎屑(聚乙醇酸)的初始體積分?jǐn)?shù)對(duì)其本身運(yùn)移的影響要更大。并且與連續(xù)管在中心和偏心時(shí)對(duì)比，當(dāng)連續(xù)管為螺旋屈曲狀態(tài)時(shí)碎屑更難被運(yùn)移出去。