諶柯宇

摘 要：隨著石油鉆采工藝不斷發(fā)展，水平井鉆井在世界范圍內(nèi)全面展開，已成為現(xiàn)代油氣勘探開發(fā)的重要手段。由于水平井的井斜角大，巖屑在運移過程中容易形成巖屑床，而巖屑床清除比較困難。針對目前存在的問題，采用計算流體力學(xué)仿真模擬技術(shù)對不同巖屑粒徑下巖屑運移進行了研究。結(jié)果表明：巖屑粒徑的增大，移動巖屑床速度和懸浮巖屑體積分數(shù)基本保持不變，懸浮巖屑運移速度及固定巖屑床體積分數(shù)呈下降趨勢，環(huán)空下部巖屑床高度增加，堆滿了下環(huán)空，單位體積內(nèi)巖屑所占比重下降，導(dǎo)致了移動巖屑床體積分數(shù)先增大后減小。建議在某些井段使用低鉆速牙輪鉆進，以此控制巖屑粒徑在2mm以內(nèi)，降低巖屑清洗難度。

關(guān)鍵詞：水平井鉆井 巖屑運移 數(shù)值模擬

中圖分類號：TE21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0027-01

水平井鉆井在油氣田開發(fā)過程中應(yīng)用廣泛，可提高產(chǎn)能，降低成本。井眼凈化是水平井關(guān)鍵技術(shù)之一，由于井斜角為90 °，巖屑運移過程中容易形成巖屑床，造成井眼清洗困難，井眼凈化不好可導(dǎo)致嚴重的鉆井事故。在水平井中，巖屑粒徑大小之間影響鉆井液攜巖難度大小。該文通過流場仿真揭示粒徑大小對井眼清洗的影響。

1 水平井環(huán)空流場數(shù)值模型

建立水平井環(huán)空流場模型，在重力作用下，鉆柱存在偏心?？紤]到在鉆井工程中，實際的鉆柱結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了便于對環(huán)空進行數(shù)值計算。針對其空間結(jié)構(gòu)進行簡化和假設(shè)：（1）忽略環(huán)空溫度、井底產(chǎn)氣產(chǎn)水對鉆井液流動的影響；（2）鉆井液在水平環(huán)空中的流動視為不可壓縮流體的流動。

2 環(huán)空流場數(shù)值模擬

該文主要模擬湍流中巖屑粒徑對巖屑清除的作用。一般管道流中雷諾數(shù)小于2100為層流狀態(tài)，大于4000為紊流，2100～4000為過渡流狀態(tài)。該文選擇選擇RNG k-ε湍流模型進行水平井鉆井液固兩相流的數(shù)值研究[1]。

鉆柱在井眼中不斷旋轉(zhuǎn)，邊界面是不斷變化的，所以將與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的流體部分和其他流體部分分別進行網(wǎng)格劃分，利用MRF模型進行數(shù)值劃分，單元總數(shù)為3004200。

目前廣泛采用的鉆井液流變模式有冪律模式、賓漢模式、卡森模式以及帶屈服值的冪律模式[2-3]。鉆井液流變模式的優(yōu)選不僅對于準確計算流變參數(shù)至關(guān)重要，而且對于分析研究巖屑清除問題也具有重要作用[71，72]。在環(huán)形空間的較低剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式比賓漢模式更接近實際鉆井液的流動特性。因此，盡管賓漢模式一直是國內(nèi)外鉆井液工藝中最常用的流變模式，但目前認為，采用冪律模式能夠比賓漢模式更好地表示鉆井液在環(huán)空的流變性，并能更準確地預(yù)測環(huán)空壓降和進行有關(guān)的水力參數(shù)計算。

模型基本參數(shù)如下：鉆桿外徑88.9 mm、井眼直徑152.4 mm、模型長度18.526 m、環(huán)境壓力29.3 MPa。

3 計算結(jié)果

在水平井鉆井過程中，鉆柱必然會由于重力的原因產(chǎn)生偏心。環(huán)空流場的流場性質(zhì)很大程度上取決于鉆柱的情況。由前面的分析可知，鉆柱的偏心是造成流場大環(huán)空與小環(huán)空差異的主要原因。改變偏心度，研究了偏心度0～0.32對巖屑運移及巖屑床顆粒分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：偏心度對巖屑運移影響較大，隨著偏心度的不斷增加，巖屑床的體積分數(shù)不斷增長，在完全偏心的情況下，固定巖屑床體積分數(shù)達到了62.5%，移動巖屑床的體積分數(shù)則為38%。懸浮巖屑速度隨著偏心度的增大而增大，原因也在于大小環(huán)空改變了流場速度分布。移動巖屑床體積分數(shù)隨著偏心度的增大而增加，且移動巖屑床的體積分數(shù)占總的固定床體積分數(shù)隨著偏心度增大而增加，所占比例由45.28%增至60.8%。這說明，偏心度的增大，不利于巖屑床清除效率的提高。

改變排量，研究了排量對巖屑運移及巖屑床顆粒分布的影響規(guī)律，結(jié)果表明：開始階段時鉆井液排量對巖屑顆粒體積分數(shù)影響較小，隨著排量的增加，巖屑顆粒體積分數(shù)隨鉆井液排量的增大而降低，并在排量大于20L/s時變化幅度趨于平穩(wěn)。隨著鉆井液排量的增大，懸浮巖屑顆粒運移速度及移動巖屑床運移速度提升較大，同時固定巖屑床體積分數(shù)由67%下降至24%。隨著鉆井液排量的增大，移動巖屑床體積分數(shù)并未增大，這是由于排量增大，很多巖屑由移動床式運移形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼腋∈剑@一點可由固定床體積分數(shù)減小和移動床體積分數(shù)與固定床之比基本無變化得出。改變轉(zhuǎn)速，研究了轉(zhuǎn)速對巖屑運移及巖屑床顆粒分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增大，懸浮巖屑運移速度和移動巖屑床速度、懸浮巖屑體積分數(shù)、移動巖屑床體積分數(shù)、固定巖屑床體積分數(shù)變化很小。

改變巖屑粒徑，研究了巖屑粒徑對巖屑運移及巖屑床顆粒分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著巖屑粒徑增大，懸浮巖屑運移速度及固定巖屑床體積分數(shù)呈下降趨勢，在使用5 mm巖屑顆粒時，懸浮巖屑運移速度及固定巖屑床體積分數(shù)分別降低至0.89 m/s和30.6%。移動巖屑床速度和懸浮巖屑體積分數(shù)基本保持不變。隨著巖屑顆粒粒徑的增大，環(huán)空下部巖屑床高度增加，堆滿了下環(huán)空，單位體積內(nèi)巖屑所占比重下降，也間接導(dǎo)致了移動巖屑床體積分數(shù)先增大后減小。固定巖屑床體積分數(shù)減小的原因是大顆粒巖屑直徑較大，顆粒與顆粒之間的間隙也大，顆粒之間的間隙中充滿了鉆井液，所以固定巖屑床體積分數(shù)變小了。

4 結(jié)論

偏心度的增大，不利于巖屑床清除效率的提高。增大泵的排量，有利于提高巖屑運移效率、減小巖屑床體對鉆進安全的影響，但排量過大會增大能耗，增加生產(chǎn)成本。巖屑速度轉(zhuǎn)速的變化對于巖屑體積分數(shù)影響不大，鉆柱旋轉(zhuǎn)對巖屑床厚度影響巨大。隨著巖屑粒徑的增大，巖屑清洗的困難度也不斷增大。建議在某些井段使用低鉆速牙輪鉆進，以此控制巖屑粒徑在2 mm以內(nèi)，降低巖屑清洗難度。

參考文獻

[1] 于勇，張俊明.Fluent入門與進階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[2] 賀成才.冪律流體在偏心環(huán)空中流動的數(shù)值模擬[J].石油學(xué)報，2002，23（6）： 85-89.

[3] Hecker M，Barry M，Thomas B M. Reducing Well Cost by Gravel Packing in Nonaqueous Fluid [C].SPE Annual.