魏 納 孟英峰 李 皋 朱寬亮 李永杰 徐小峰 辛春彥

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國石油冀東油田公司鉆采工藝研究院

充氣欠平衡鉆井是指在鉆井過程中含氣鉆井液作用在井底的壓力低于地層孔隙壓力，能大幅度減少井漏、保護(hù)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層，而鉆水平井可大幅度暴露儲(chǔ)層，數(shù)倍提高油氣產(chǎn)量。因此，利用水平井特殊軌跡增產(chǎn)的特點(diǎn)，與利用充氣欠平衡消除儲(chǔ)層傷害增產(chǎn)的特點(diǎn)相結(jié)合，產(chǎn)生了“充氣欠平衡鉆水平井”新技術(shù)［1－3］。

隨著我國低壓薄層油氣藏的開發(fā)需求，充氣欠平衡鉆水平井技術(shù)成為國內(nèi)外鉆井界關(guān)注的熱點(diǎn)，而它的工程難點(diǎn)之一在于含氣鉆井液條件下的水平段井眼凈化。這是由于井眼凈化不暢所造成鉆具摩阻扭矩增大從而嚴(yán)重制約著水平井眼的延伸能力的提高［4］。而欠平衡鉆井條件下巖屑運(yùn)移的科學(xué)核心是欠平衡條件下井筒內(nèi)氣液固耦合復(fù)雜多相流動(dòng)，由于井下各組分間的相間相互作用機(jī)理以及巖屑固相運(yùn)移形式無法可視化，因此，開展水平段氣液固復(fù)雜介質(zhì)耦合可視化流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，最終形成復(fù)雜介質(zhì)多相流動(dòng)條件下的氣液固耦合流動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)及數(shù)學(xué)描述。這對(duì)于優(yōu)化鉆井施工參數(shù)以及降低鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)均有著積極意義。

1 巖屑在水平井筒中的運(yùn)移規(guī)律分析

1.1 水平井巖屑運(yùn)移特殊性

圖1 水平井段巖屑分布圖

圖2 直井段巖屑分布圖

由于管流運(yùn)動(dòng)與巖屑顆粒重力的方向性差異，直井段與水平井段巖屑運(yùn)移規(guī)律大為不同（圖1、2）。由圖1可以看出：在鉆頭破巖后大顆粒尺寸巖屑在鉆鋌處由于流速高可以較為順暢地運(yùn)移；到了鉆鋌與鉆桿交界處由于環(huán)空面積陡然增加，大顆粒巖屑可能發(fā)生堆積。對(duì)比直井段與水平井段，直井段中較大巖屑會(huì)回落至井底重復(fù)破碎；而水平井段一旦產(chǎn)生流體所不能攜帶的大顆粒巖屑，這些巖屑只會(huì)停留在下井壁等待鉆具的碾壓直至形成小顆粒才被流體順利攜走。

1.2 水平井巖屑顆粒的運(yùn)動(dòng)形式

水平井中巖屑運(yùn)移情況可以分為懸浮、滾動(dòng)、躍移3種形式。

1.2.1 懸浮

懸浮是巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)的重要方式，引起巖屑顆粒懸浮的主要因素是紊動(dòng)作用（圖3）。懸浮運(yùn)動(dòng)的形式是隨鉆井液漂流，懸浮運(yùn)動(dòng)時(shí)受到2種力的作用：①重力，使巖屑顆粒向下井壁沉降；②氣液兩相流推動(dòng)力，使巖屑顆粒沿井筒向下游運(yùn)動(dòng)。巖屑顆粒向下游運(yùn)動(dòng)的速度與氣液兩相流速度有關(guān)，巖屑顆粒輸送量可間接代表巖屑顆粒向下游運(yùn)動(dòng)的速度，流量越大，可帶走的巖屑顆粒量也越多。懸浮顆粒在沉降過程中被渦流帶回上層，使巖屑顆粒上下漂移，沉降速度變慢，巖屑懸浮照片如圖4所示。

圖3 巖屑懸浮受力圖

圖4 多相流條件下巖屑懸浮照片

1.2.2 滾動(dòng)

位于巖屑床表面突出位置的顆粒，當(dāng)液流拖曳力（FD）大于顆粒阻力時(shí)（圖5），便開始以滑動(dòng)的形式運(yùn)動(dòng)。由于井壁表面粗糙不平，滑動(dòng)往往會(huì)轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中都與下井壁保持接觸，巖屑實(shí)際滾動(dòng)如圖6所示。

圖5 水平井巖屑滾動(dòng)受力圖

圖6 水平井巖屑滾動(dòng)照片

1.2.3 躍移

跳起的巖屑當(dāng)落到下井壁時(shí)對(duì)巖屑床的巖屑有沖擊作用，作用力的大小則與其躍起的高度和鉆井液流速有關(guān)。若巖屑躍起較低，則其從液流中取得的動(dòng)量不大，在落回巖屑床后不會(huì)繼續(xù)跳動(dòng)。若躍起較高，則落到巖屑床后還可以重新跳起。躍起高度與鉆井液密度成反比，這就是在水平井中巖屑運(yùn)移的最為特殊的一類運(yùn)動(dòng)方式——躍移，巖屑躍移受力圖如圖7所示。

圖7 水平井段巖屑躍移示意圖

2 多相流體流動(dòng)攜巖模型

2.1 巖屑滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)

巖屑在下井壁滾動(dòng)時(shí)是以單顆粒個(gè)體運(yùn)動(dòng)為主，在氣液兩相流動(dòng)的作用下，巖屑沿下井壁滾動(dòng)向下游運(yùn)移。

2.1.1 巖屑顆粒滾動(dòng)受力分析

在氣液量較小時(shí)，顆粒首先在井壁處于單顆粒滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其受力包括：橫向上氣流對(duì)其拖曳力（FD），與井壁的摩擦力（F摩擦）；縱向上受到重力（G）、浮力（F浮）和支撐力（N），如圖5所示。

2.1.2 巖屑顆粒滾動(dòng)啟動(dòng)條件

要確定單顆粒巖屑滾動(dòng)前進(jìn)最小氣液量則需要建立水平方向上的數(shù)學(xué)方程：

式中CD為阻力系數(shù)，無因次；ρm為流體密度，kg／m3；um為流體流動(dòng)速度，m／s；ds為巖屑直徑，m；k為摩擦阻力系數(shù)，無因次；G為巖屑顆粒重力，N。

通過不同顆粒的重力（G）和不同材料摩擦阻力系數(shù)（k）則可反求最小流速（um）。

2.2 巖屑躍移運(yùn)動(dòng)

2.2.1 巖屑顆粒躍移受力分析［5－9］

欠平衡鉆井中，巖屑在環(huán)空中的運(yùn)移，受到的作用力主要包括重力、阻力、薩夫曼升力、浮力、巴塞特力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力和馬格努斯效應(yīng)力等，圖8為巖屑受力分析圖。

圖8 巖屑堆積體的受力分析圖

在水平井段中，它是構(gòu)成水平摩擦阻力的主要作用力，其計(jì)算公式為：

式中W 為巖屑重力，N；ρs為巖屑密度，kg／m3；Vs為巖屑顆粒體積，m3；g為重力加速度，m／s2。

施加在巖屑上的動(dòng)力主要是氣液兩相的阻力。阻力受雷諾數(shù)、巖屑形狀、巖屑尺寸及流體流動(dòng)狀態(tài)和流體可壓縮性等許多因素的影響，其方向與流體相對(duì)顆粒的速度方向一致，其計(jì)算公式為：

式中FD為阻力，N；CD為阻力系數(shù)，無因次；um為流體流動(dòng)速度，m／s；us為巖屑運(yùn)移速度，m／s；ds為巖屑直徑，m。

2.2.2 巖屑顆粒躍移啟動(dòng)條件

根據(jù)圖8中對(duì)巖屑顆粒的受力分析，忽略黏聚力和浮力的作用，堆積體顆粒極限受力平衡方程式可變形為：

分層流：fi＝64／Nre

紊流（段塞流、攪動(dòng)流、環(huán)霧流）：

推導(dǎo)躍移啟動(dòng)時(shí)受力平衡式［5－8］：

式中fi為氣液界面摩擦系數(shù)，無因次；D為管道當(dāng)量直徑，m；Re為雷諾數(shù)；μi為混合物黏度，Pa·s；μg為氣相黏度，Pa·s；αg為空泡率；μ1為液相黏度，Pa·s；α1為持液率；CD為阻力系數(shù)，無量綱，是Re的函數(shù)；ρm為混合物真實(shí)密度，kg／m3；um為氣液混合速度，m／s；當(dāng)um繼續(xù)增大，該平衡狀態(tài)將被打破，巖屑開始運(yùn)移；ui為巖屑顆粒床平均摩阻系數(shù)，無因次；ε為巖屑顆粒堆積空隙程度，無因次；α／β與巖屑堆積程度相關(guān)，無因次。

3 水平井段可視化實(shí)驗(yàn)及分析

研究建立總長為25m、實(shí)驗(yàn)環(huán)空外管內(nèi)徑為140 mm、內(nèi)管外徑為63mm、內(nèi)管內(nèi)徑為55mm的環(huán)空可視化有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)裝置，采用壓縮空氣和水作為實(shí)驗(yàn)流體，采用當(dāng)量直徑為6mm的模擬巖屑作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，開展了不同注液量的臨界攜巖可視化實(shí)驗(yàn)，并測試流體力學(xué)參數(shù)，從而得到不同實(shí)驗(yàn)條件下的井眼凈化臨界攜巖數(shù)據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容

1）水平井段多相流與攜巖大型臺(tái)架模擬實(shí)驗(yàn)（模擬旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆動(dòng)鉆桿）。

2）水平井段多相流與攜巖大型臺(tái)架模擬實(shí)驗(yàn)（模擬滑動(dòng)鉆進(jìn)及停鉆循環(huán)）。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)架、空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)水罐、液體泵、流量計(jì)等（圖9），用于模擬井下一定壓力范圍內(nèi)一定流速范圍的氣流流動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)測試部分主要包括實(shí)驗(yàn)管段壓力、氣體流量、液體流量、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖像等的監(jiān)測與記錄部分。

圖9 水平井段實(shí)驗(yàn)設(shè)備照片

3.3 實(shí)驗(yàn)流程

在井底以不同速度注入模擬巖屑，保持一定的注氣量，然后加大注液量（注液量可從0～5L／s控制），待實(shí)驗(yàn)管段懸浮模擬巖屑后，認(rèn)為該氣量即為該實(shí)驗(yàn)條件下的臨界流量。穩(wěn)定注液2min后逐步加大液量，待井底巖屑攜帶完全后停止實(shí)驗(yàn)，測試參數(shù)包括注液量、注氣量、液體流速、巖屑速度、巖屑濃度等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流壓控制在0.1～0.6MPa。

3.4 實(shí)驗(yàn)分析

圖10、11分別為鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)、鉆柱不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖10 鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)的巖屑運(yùn)移照片

圖11 鉆柱不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)巖屑運(yùn)移照片

通過觀察可以看出：與鉆柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)相比，由于鉆井液的黏性，在鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)對(duì)周圍的鉆井液有黏滯、黏結(jié)作用，從而攪動(dòng)巖屑床表面的巖屑。因此，在注入相等氣量的工況下，其攜巖效果更好；巖屑的運(yùn)移方式主要是躍移。

3.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

臨界流速是指巖屑發(fā)生躍移時(shí)的最低混合物流速。在達(dá)到臨界攜巖的狀態(tài)下，實(shí)測了氣液兩相混合真實(shí)攜巖臨界速度，再與多相流數(shù)值模擬軟件計(jì)算出的臨界混合速度對(duì)比，得出兩者的誤差。表1、2為鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)和鉆柱不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的結(jié)果對(duì)比。

表1 鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不同注氣液量井底臨界速度結(jié)果對(duì)比表

綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以看出：與鉆柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)相比，鉆柱的旋轉(zhuǎn)使作為模擬鉆井液的清水呈螺旋運(yùn)動(dòng)，環(huán)空流場的壓力呈波動(dòng)形狀分布，對(duì)巖屑運(yùn)移有攪動(dòng)和支撐作用，有利于巖屑運(yùn)移；同時(shí)，由于鉆井液又具有黏性，在鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)對(duì)周圍的鉆井液有黏滯黏結(jié)作用，從而攪動(dòng)巖屑床表面的巖屑，因此在注入相等氣量的工況下，鉆柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)下的攜巖效果更好。

4 模型修正

4.1 水平井?dāng)y巖臨界速度模型修正（鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)）

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，實(shí)際最低連續(xù)攜巖綜合流速相當(dāng)于模型公式的躍移臨界流速的124%作為修正模型，即

4.2 水平井?dāng)y巖臨界速度模型修正（鉆具不動(dòng)）

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，實(shí)際最低連續(xù)攜巖綜合流速相當(dāng)于鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)模型公式的躍移臨界流速的118%作為修正模型，即

5 結(jié)論

1）充氣欠平衡鉆水平井的工程核心問題之一在于水平段井眼凈化，井眼凈化不暢所造成鉆具摩阻扭矩的增大從而嚴(yán)重制約著水平井眼的延伸能力。而欠平衡條件下巖屑的運(yùn)移屬于氣液固復(fù)雜多相流動(dòng)，各組分間的相互作用機(jī)理以及巖屑固相運(yùn)移形式在井下無法實(shí)現(xiàn)可視化。因此，有必要開展可視化實(shí)驗(yàn)研究。

2）對(duì)比直井段與水平井段而言，直井段中較大巖屑會(huì)回落至井底重復(fù)破碎，而水平井段一旦產(chǎn)生流體所不能攜帶的大顆粒巖屑，這些巖屑只會(huì)停留在下井壁等待鉆具的碾壓直至形成小顆粒，以被流體攜帶至下游。

3）水平井段巖屑運(yùn)移主要是躍移為主，巖屑運(yùn)移主要依靠氣液綜合流速與鉆井液黏度，而鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)有利于巖屑的運(yùn)移，在保障攜巖順利的條件下，鉆柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)所需綜合流速是鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的1.18倍。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，對(duì)所建立的考慮鉆井液黏切力、流態(tài)、巖屑床堆積程度等因素的攜巖運(yùn)移速度模型進(jìn)行了修正，該模型能滿足現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)需要。

［1］ 楊春旭，唐洪林，崔海林，等.DP19井小井眼欠平衡長水平段水平井的鉆井技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（11）：76－80.YANG Chunxu，TANG Honglin，CUI Hailin，et al.Technology for drilling prolonged horizontal section in an underbalanced slim hole：A case history of DP19well，Daniudi Gas Field，Ordos Basin［J］.Natural Gas Industry，2012，32（11）：76－80.

［2］ 陳啟文，董瑜，王飛，等.蘇里格氣田水平井開發(fā)技術(shù)優(yōu)化［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（6）：39－42.CHEN Qiwen，DONG Yu，WANG Fei，et al.Optimization of horizontal well development technology in the Sulige Gas Field［J］.Natural Gas Industry，2012，32（6）：39－42.

［3］ 鄧紅琳.大牛地致密砂巖氣田水平井鉆完井技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（12）：59－62.Deng Honglin.Drilling and completion technology for horizontal wells in Daniudi tight sandstone gas reservoirs［J］.Natural Gas Industry，2010，30（12）：59－62.

［4］ 徐坤吉，熊繼有，陳軍，等.深井水平井水平段水力延伸能力評(píng)價(jià)與分析［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，34（6）：101－106.XU Kunji，XIONG Jiyou，CHEN Jun，et al.The evaluation and analysis of hydraulic extensions ability of horizontal section in deep horizontal wells［J］.Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2012，34（6）：101－106.

［5］ 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）：25－28.LIU Gonghui，SONG Tingyuan，LI Jun.Analysis of of cuttings transportation during drilling gas horizontal wells［J］.Petroleum Drilling Techniques，2009，37（5）：25－28.

［6］ 張義.煤層氣羽狀水平井充氣欠平衡鉆井環(huán)空流動(dòng)特性研究［D］.北京：中國石油大學(xué)，2008.ZHANG Yi.Research on air flow characteristics under balanced drilling ring inflatable pinnate horizontal well for coalbed gas［D］.Beijing：China University of Petroleum，2008.

［7］ 董玉祥，馬駿.輸沙量對(duì)海岸沙丘表面風(fēng)沙流中不同粒徑沙粒垂向分布的影響［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，48（3）：102－107.DONG Yuxiang，MA Jun.Influence of total sand transport rates on the vertical distribution of different sand grain sizes in wind－sand flow on the coastal dune［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni：Natural Science Edition，2009，48（3）：102－107.

［8］ 袁兆永.水平井環(huán)空泡沫攜巖流動(dòng)規(guī)律研究［D］.北京：中國石油大學(xué)，2009.YUAN Zhaoyong.Study on the annular cuttings transport flow in horizontal wells［D］.Beijing：China University of Petroleum，2009.

［9］ 萬里平，何保生，唐洪明，等.沖砂洗井泡沫攜砂規(guī)律數(shù)值模擬研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，35（4）：101－106.WAN Liping，HE Baosheng，TANG Hongming，et al.Numerical simulation on sand carrying rule of sand washing and flushing foam fluid［J］.Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2013，35（4）：101－106.