邵帥，孟慶雙，孫曉峰，王克林，欒石柱

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2.中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶 163318）

非直井氣體鉆井巖屑起動(dòng)的臨界流速

邵帥1，孟慶雙2，孫曉峰1，王克林1，欒石柱1

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2.中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶 163318）

注氣量作為氣體鉆井的關(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)鉆井的成敗。目前用于氣體鉆井的注氣量計(jì)算方法均是基于垂直井眼得到的，對(duì)于水平井、大斜度井的情況并不適用，從而給氣體鉆井在水平井、大斜度井的應(yīng)用造成很大困難。在分析巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，假設(shè)巖屑顆粒沉積在下井壁，注入氣體后對(duì)巖屑顆粒進(jìn)行受力分析，得到不同井斜角情況下巖屑顆粒起動(dòng)所需的臨界流速模型。以此速度作為氣體的最小流速，從而得到最小注氣量。分析認(rèn)為，在井斜角為60～70°的情況下，巖屑顆粒起動(dòng)所需氣體速度最大；大粒徑巖屑對(duì)注氣量要求很高，實(shí)際鉆井過程中應(yīng)采用適當(dāng)方法減少大粒徑巖屑的數(shù)量。

水平井；大斜度井；氣體鉆井；臨界流速；注氣量

氣體鉆井憑借其油氣層保護(hù)功能以及鉆速高、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)成為油氣田開發(fā)的主要技術(shù)之一[1-4]。注氣量是氣體鉆井的關(guān)鍵參數(shù)。注氣量不足會(huì)導(dǎo)致巖屑滯留在井筒內(nèi)，產(chǎn)生摩阻增大甚至卡鉆現(xiàn)象；注氣量過高則對(duì)設(shè)備的要求相應(yīng)提高，且會(huì)造成鉆具嚴(yán)重沖蝕，縮短鉆具使用壽命[5-6]:因此，選擇合理的最小注氣量尤為重要。

目前常用的注氣量計(jì)算方法主要有最小動(dòng)能法和最小速度法，但這2種方法均是基于垂直井情況得到的，特別是最為常用的最小動(dòng)能法，使用的是一種半經(jīng)驗(yàn)方法[7-9]，這就導(dǎo)致應(yīng)用于水平井、大斜度井等非直井時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。本文通過分析水平井、大斜度井鉆井條件下巖屑顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，建立了巖屑顆粒起動(dòng)所需的臨界流速模型，為水平井、大斜度井最小注氣量的計(jì)算提供了可靠依據(jù)。

1 非直井段巖屑顆粒的運(yùn)移方式

氣體鉆井過程中，巖屑在水平、大斜度井段的運(yùn)移可分為蠕移、躍移和懸浮3種方式[10-11]。從巖屑顆粒的粒度分布來看[12]，這3種運(yùn)移方式在水平、大斜度井段同時(shí)存在。由于井筒環(huán)空狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)及較高的氣體流速導(dǎo)致巖屑顆粒極易與井壁、鉆具發(fā)生碰撞，巖屑很少產(chǎn)生懸浮運(yùn)動(dòng)，且?guī)r屑顆粒發(fā)生碰撞后破碎，導(dǎo)致大粒徑巖屑較少，從而蠕移運(yùn)動(dòng)也較少發(fā)生，因此，在非直井段，躍移是巖屑顆粒的主要運(yùn)移方式。

在水平或大斜度井段，由于氣體流動(dòng)方向與巖屑的重力方向不在同一條直線上，很難對(duì)巖屑顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量描述，也就無法給出準(zhǔn)確的注氣量。本文首先假設(shè)巖屑顆粒沉降在下井壁，然后注入氣體使其向井口方向運(yùn)動(dòng)，定義使巖屑顆粒起動(dòng)的最小氣體速度為巖屑起動(dòng)的臨界流速。由于巖屑顆粒的主要運(yùn)移方式是躍移，則可認(rèn)為能被氣體起動(dòng)的巖屑能夠被氣體帶出井筒，因此，以臨界流速作為氣體的最小速度，從而確定這類非直井鉆井所需的最小注氣量。

2 臨界流速模型的建立

為研究巖屑顆粒的起動(dòng)過程，引入沉陷度的定義[13]。在假設(shè)巖屑顆粒為球形的條件下，沉陷度為所研究顆粒的最低點(diǎn)與其相鄰下游顆粒接觸點(diǎn)之間的垂直距離。無因次沉陷度計(jì)算公式為

式中:E為沉陷度，m；r為顆粒半徑，m。

巖屑顆粒可能完全被其他顆粒所掩蓋，也有可能位于前后顆粒的頂部，一般顆粒的位置介于2種情況之間。通過分析可知[14]，E’min=0.134，E’max=1.000。

在水平或大斜度井段，假設(shè)巖屑顆粒為球形，所有巖屑顆粒的粒徑一致，巖屑首先沉降在下井壁，然后注入氣體。對(duì)單顆粒進(jìn)行受力分析（見圖1），巖屑顆粒受力主要有浮重Fw、氣體的流動(dòng)推力Fd、周圍顆粒對(duì)它的上舉力以及顆粒之間碰撞產(chǎn)生的沖擊力。在顆粒較小的情況下，上舉力可以忽略[15]；由于巖屑在環(huán)空內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)很低，沖擊力也可忽略。井斜角α取值范圍為0～90°，當(dāng)井斜角為90°時(shí)，即為水平井段。

式中:d為巖屑顆粒直徑，m；ρs為巖屑顆粒真實(shí)密度，kg/m3；ρ為氣體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；u為氣體瞬時(shí)速度，m/s；CD為阻力系數(shù)，由于在氣體鉆井條件下，壓差阻力占主導(dǎo)地位，取CD=0.44。

圖1 顆粒受力分析

浮重、氣體流動(dòng)推力的力臂Lw，Ld分別為

在氣流作用下，顆粒要發(fā)生滾動(dòng)必須滿足力矩平衡條件:FdLd＞FwLw。

整理得:

式（6）為氣體鉆井過程中在水平、大斜度井段巖屑起動(dòng)的臨界流速計(jì)算公式。通過觀察式（6）可以發(fā)現(xiàn)，以井斜角α為自變量，其他參數(shù)取定值，能夠確定臨界流速的極值。將臨界流速對(duì)井斜角求導(dǎo)，并使所求得的導(dǎo)數(shù)為0，整理后可得與極值對(duì)應(yīng)的井斜角表達(dá)式:

由式（7）可以看出，臨界流速取極值時(shí)對(duì)應(yīng)的井斜角與無因次沉陷度直接相關(guān)。實(shí)際情況下，巖屑顆粒并不是完美的球形，而且沉積方式并不固定，因此較難確定沉陷度具體取值，這在以后研究中仍需進(jìn)一步分析。

3 參數(shù)對(duì)臨界流速的影響

現(xiàn)取一口以氣體鉆井方式鉆進(jìn)的水平井進(jìn)行參數(shù)對(duì)比。由于計(jì)算巖屑起動(dòng)的臨界流速需要井底壓力，因此須在注氣量已知的情況下進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而判斷注氣量是否合理，并著重討論無因次沉陷度、井斜角和巖屑顆粒直徑對(duì)臨界流速的影響。所模擬的鉆井基本數(shù)據(jù)如下:井口處于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，地面溫度為24°C，地溫梯度為3°C/100m，巖石密度為2 500 kg/m3，φ244mm套管下至2 100m，從套管鞋處開始造斜，以φ219mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，造斜曲率半徑為610m，鉆至3 050m處井斜達(dá)到90°。鉆柱結(jié)構(gòu):φ171mm鉆鋌×150m+ φ115mm鉆桿×2 900m。鉆速為18m/h，轉(zhuǎn)速為50 r/ min，注入氣體為空氣，注氣量83m3/min。

3.1 無因次沉陷度

沉陷度的取值對(duì)巖屑起動(dòng)的臨界流速影響很大，同一顆粒在不同沉陷度取值情況下的臨界流速差值可達(dá)10m/s（見圖2a），通過分析式（7）也可看出沉陷度的關(guān)鍵性。下文則對(duì)無因次沉陷度取一個(gè)中間值，為0.6。

3.2 井斜角

井斜角在60～70°時(shí)，巖屑起動(dòng)的臨界流速最大（見圖2b）。當(dāng)造斜至井斜角為60～70°時(shí)，就可能達(dá)到鉆水平井所需的最大注氣量。

3.3 巖屑粒徑

在不同井斜角情況下，不同粒徑巖屑起動(dòng)的臨界流速變化趨勢(shì)一致（見圖2c）。巖屑粒徑對(duì)臨界流速的影響很大，當(dāng)巖屑粒徑達(dá)到10mm時(shí)所需的臨界流速極大，注氣量過高，現(xiàn)場(chǎng)常用設(shè)備很難達(dá)到要求，而且水平井段不同于垂直井段，大粒徑巖屑無法落回井底，一旦沉積到下井壁就很難起動(dòng)，也不易破碎為小粒徑巖屑；因此，在鉆井過程中，需要選擇適當(dāng)?shù)你@井工藝參數(shù)（如調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速）或使用二次破碎工具來獲得較小粒徑的巖屑。

圖2 無因次沉陷度、井斜角、巖屑粒徑與臨界流速的關(guān)系

4 結(jié)論

1）利用所建模型能夠計(jì)算氣體鉆井中水平井、大斜度井等非直井巖屑起動(dòng)的臨界流速，從而得出最小注氣量。

2）在氣體鉆水平井、大斜度井過程中，井斜角達(dá)到60～70°時(shí)巖屑起動(dòng)的臨界流速最大，應(yīng)注意及時(shí)調(diào)整注氣量，保證巖屑被順利運(yùn)至地面。

3）直徑過大的巖屑顆粒需要很高的注氣量才能運(yùn)出井筒，因此，有必要在鉆井過程中采用調(diào)節(jié)鉆井工藝參數(shù)或使用二次破碎工具等方法，減少大粒徑巖屑的數(shù)量。

[1]任雙雙，劉剛，劉沈飛.空氣鉆井的應(yīng)用發(fā)展[J].斷塊油氣田，2006，13（6）:62-64.

[2]楊決算.大慶油田氣體鉆井配套技術(shù)及應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40（6）:47-50.

[3]閆鐵，劉順利，劉國勇，等.非水化地層微量出水后氣體鉆井最小注氣量理論研究[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39（2）:65-67.

[4]趙向陽，孟英峰，楊順輝，等.氣體鉆井地層出水隨鉆監(jiān)測(cè)與攜水規(guī)律研究[J].斷塊油氣田，2012，19（1）:120-123.

[5]朱紅鈞，林元華，李強(qiáng).空氣鉆井井眼凈化與沖蝕效應(yīng)模擬分析[J].斷塊油氣田，2010，17（6）:765-768.

[6]萬里平，孟英峰，梁發(fā)書，等.空氣鉆井中鉆具腐蝕因素的灰關(guān)聯(lián)分析[J].斷塊油氣田，2004，11（1）:54-57.

[7]畢雪亮，陶麗杰，翟洪軍，等.空氣鉆井最小流量計(jì)算的修正模型[J].斷塊油氣田，2008，15（2）:86-87.

[8]朱紅鈞，林元華，杜仁德.空氣鉆水平井注入?yún)?shù)優(yōu)化分析[J].天然氣工業(yè)，2009，29（11）:56-58.

[9]Guo Boyun，Ghalambor A.欠平衡鉆井氣體體積流量的計(jì)算[M].胥思平，譯.北京:中國石化出版社，2006:9-28.

[10]錢寧，萬兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2003:123-127.

[11]柳貢慧，宋廷遠(yuǎn)，李軍.氣體鉆水平井氣體攜巖能力分析[J].石油鉆探技術(shù)，2009，37（5）:26-29.

[12]黃小兵，陳次昌，董耀文.氣體鉆井的巖屑特征及粒度分布測(cè)試[J].天然氣工業(yè)，2008，28（11）:83-84.

[13]趙東偉，董長(zhǎng)銀，張琪，等.考慮位置隨機(jī)性的固體顆粒起動(dòng)臨界流速研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，28（4）:59-62，66.

[14]董長(zhǎng)銀，鄧珊，李愛萍，等.大斜度井筒條件下沉積砂床表面顆粒起動(dòng)臨界條件研究[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38（3）:22-26.

[15]楊具瑞，方鐸，畢慈芬，等.溝谷坡面風(fēng)沙起動(dòng)規(guī)律研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2003，25（5）:14-17.

（編輯 趙衛(wèi)紅）

Starting velocity of cutting particles in gasdrilling of horizontalor highly deviated well

Shao Shuai1,M eng Qingshuang2,Sun Xiaofeng1,W ang Kelin1,Luan Shizhu1

(1.College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daq ing 163318,China;2.No.1 Drilling Com pany,Daqing Drilling Engineering Com pany,CNPC,Daqing 163318,China)

Gas injection rate as the key parameters of gas drilling directly relates to the success of actual drilling.At present,the calculationmethodsofgas injection arebased on verticalwells.Thesemethods donotapply forhorizontalwells and highly deviated wells,which leads to the greatdifficulty for app lication ofgas drilling.Based on the analysis ofmovementmode of cutting particles, this paper firstassumes that the cutting particles deposit in the low wall ofborehole,then analyzes the stressof cutting particlesafter gas injection.The starting velocitymodelof cutting particles in different deviation angles is gotten,and thisvelocity is taken as the m inimum velocity of gas,which can be used for calculating the m inimum gas injection rate.Analysis suggests that the starting velocity of cutting particles reaches themaximum in the deviation angle 60-70°;the large size cutting particles require a high starting velocity and the number of large size cutting particles should be reduce by using appropriate methods in actual drilling process.

horizontalwell;highly deviated well;gas drilling;starting velocity;gas injection rate

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“氣體鉆井地層-井眼流體-旋轉(zhuǎn)管柱耦合作用下井眼凈化機(jī)理研究”（51174043）；國家科技重大專項(xiàng)課題“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制關(guān)鍵技術(shù)”（2011ZX05009-005）；

TE242

A

2013-05-30；改回日期：2013-09-14。

邵帥，男，1987年生，在讀碩士研究生，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，研究方向?yàn)殂@井工藝?yán)碚撆c技術(shù)。電話:（0459）6503521，E-mail:zdshaoshuai@163.com。

邵帥，孟慶雙，孫曉峰，等.非直井氣體鉆井巖屑起動(dòng)的臨界流速[J].斷塊油氣田，2013，20（6）:803-805.

Shao Shuai，Meng Qingshuang，Sun Xiaofeng，et al.Starting velocity of cutting particles in gas drilling of horizontal or highly deviated well[J]. Fault-Block Oil&Gas Field，2013，20（6）:803-805.

10.6056/dkyqt201306032