吳宇，王昌軍，王志龍　(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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鉆井液黏度影響定向井及水平井?dāng)y砂規(guī)律的室內(nèi)研究

吳宇，王昌軍，王志龍(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]利用自制的可視化模擬攜砂裝置，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算出砂量與加砂量之比(攜砂率)，研究了3種不同黏度流體在定向井以及水平井中的攜砂規(guī)律。結(jié)果表明，在不同井斜角、不同黏度的情況下，流體的攜砂率是不一致的。當(dāng)井斜角為45°時(shí)，低黏流體不利于攜砂，提高流體黏度有利于提高攜砂率；當(dāng)井斜角為60～90°(大斜度及水平井段)時(shí)，高黏流體從沉積的巖屑床上方滑過(guò)，攜砂率下降，而低黏流體能對(duì)巖屑床產(chǎn)生擾動(dòng)作用，提高巖屑的攜帶效率。這項(xiàng)研究結(jié)果為定向井和水平井鉆井液流變參數(shù)的選擇提供了重要參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]定向井；水平井；鉆井液黏度；井斜角；模擬裝置；攜砂率

隨著勘探開(kāi)發(fā)要求的不斷提高，定向井及水平井廣泛應(yīng)用于開(kāi)發(fā)海洋和陸地情況復(fù)雜的油田，而井眼清潔問(wèn)題已成為定向井及水平井鉆井安全、效率的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1,2]。在鉆井過(guò)程中，巖屑在井筒中堆積形成巖屑床，繼而導(dǎo)致蹩扭矩、蹩泵壓、卡鉆具等一系列問(wèn)題[3]。影響定向井及水平井段巖屑攜帶的因素眾多，例如：與鉆井液相關(guān)的包括鉆井液環(huán)空返速、流變性、密度等，與巖屑相關(guān)的包括巖屑粒徑、表面粗糙度、形狀和密度等，其他因素還包括井斜角、機(jī)械鉆速等[4～11]。其中，鉆井液黏度是影響巖屑攜帶的主要因素[12]。針對(duì)這一主要因素，筆者應(yīng)用自制的可視化模擬攜砂裝置進(jìn)行了室內(nèi)研究分析，這對(duì)海洋及陸地油田定向井及水平井段井眼清潔具有重要指導(dǎo)意義。

1定向井及水平井巖屑沉降情況分析

巖屑在井筒中的沉降情況大致分為3種[13]。第1種是在直井中，巖屑沉降速度只有軸向分量，這種情況下提高鉆井液黏度有利于增大攜砂率。第2種是在有斜度的井中，巖屑沉降速度具有軸向分量和徑向分量，在徑向分量的影響下，巖屑會(huì)向井筒低邊沉降，從而形成巖屑床。同時(shí)，巖屑床表面的顆粒又受到鉆井液的拖曳、舉升、懸浮等作用，并克服重力、塑性力等阻力作用[14]，巖屑顆粒在巖屑床表面滾動(dòng)，或舉升至上層流體之中，表現(xiàn)為接觸、懸移、躍移、層移等運(yùn)動(dòng)形式[15]。第3種是在水平井中，巖屑的沉降速度只有徑向分量。當(dāng)井斜角逐漸增大時(shí)，巖屑沉降速度的軸向分量逐漸減小至0，徑向分量逐漸增至最大，巖屑顆粒主要表現(xiàn)為在巖屑床表面滾動(dòng)，難以被舉升至上層流體之中，此時(shí)增大鉆井液黏度反而不利于攜砂。

2可視化模擬攜砂試驗(yàn)研究

2.1可視化模擬攜砂裝置簡(jiǎn)介

針對(duì)大斜度井段巖屑攜帶的問(wèn)題，國(guó)外石油院校和科研院所建立了形式和性能各樣的模擬攜砂試驗(yàn)平臺(tái)，較為著名的是塔爾薩大學(xué)的TUDRP室外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[13,16]，其他如Heriot-Watt大學(xué)，F(xiàn)rancais du Petrole Institute[17]，BJ Services[18]和METU[19]等研究單位也建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究和報(bào)道很少。筆者試驗(yàn)所用設(shè)備是由長(zhǎng)江大學(xué)和中海油服聯(lián)合研制的可視化模擬攜砂裝置，見(jiàn)圖1。該裝置井筒全長(zhǎng)7m，內(nèi)徑122.5mm，為可視透明材料制作，能實(shí)時(shí)觀察鉆屑在井筒中的運(yùn)移規(guī)律，同時(shí)具有連續(xù)的加砂出砂系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)算攜砂率。裝置井斜角0～90°可調(diào)，環(huán)空返速0～2m/s可調(diào)，模擬鉆桿轉(zhuǎn)速0～150r/min可調(diào)。

圖1　大斜度井可視化模擬攜砂裝置

2.2攜砂率的評(píng)價(jià)方法

由于該實(shí)驗(yàn)設(shè)備巖屑供給總量是有限的，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，環(huán)空巖屑最終會(huì)清除干凈，所以該試驗(yàn)統(tǒng)一規(guī)定10min內(nèi)的出砂總量與總加砂量的比值為攜砂率Ea，其計(jì)算表達(dá)式為：

式中：m為10min內(nèi)出砂總量，kg；M為加砂總量，kg。

3試驗(yàn)結(jié)果與評(píng)價(jià)

試驗(yàn)選用清水、Polymer 1和Polymer 2這3種不同黏度的流體模擬攜砂情況，其流變性能見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)用流體流變性能

注：μa為表觀黏度；Nφ6、Nφ3分別為6速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)6、3r/min對(duì)應(yīng)的讀值；τ為低剪切速率下的

切力， τ=2Nφ3-Nφ6。

模擬攜砂條件為：上返流速0.9m/s，加砂總量80kg。分別評(píng)價(jià)了在不同井斜角下，不同黏度流體對(duì)攜砂率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

1)當(dāng)井斜角為45°時(shí)，增大流體黏度有利于攜砂，Polymer 2的攜砂率>Polymer 1的攜砂率>清水的攜砂率。這是因?yàn)樵?5°井斜角下，巖屑顆粒容易被舉升至上層流體之中，巖屑床的下滑會(huì)引起巖屑顆粒的二次夾帶，造成低黏的流體不利于攜砂。因此增大黏度有利于懸浮攜帶這部分巖屑，從而增大攜砂率。

表2　在不同井斜角下流體黏度對(duì)攜砂率的影響

2)當(dāng)井斜角為60°時(shí)，在保證流體能擾動(dòng)巖屑床的情況下適當(dāng)增大黏度更加利于攜砂，Polymer 1的攜砂率>清水的攜砂率>Polymer 2的攜砂率。這是因?yàn)樵?0°井斜角下，仍有少部分巖屑被舉升至巖屑床上層流體之中，適當(dāng)增大黏度有利于懸浮攜帶這部分巖屑，但繼續(xù)增大黏度會(huì)導(dǎo)致流體由紊流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，反而不利于攜巖(這與Okrajni[13]的研究相符合)。因?yàn)檫@種情況下，巖屑的軸向沉降速度分量逐漸減小，巖屑床的軸向下滑趨勢(shì)逐漸減弱，高黏流體懸浮巖屑的優(yōu)勢(shì)也逐漸減弱，因黏滯阻力的增大造成流體動(dòng)能減小的劣勢(shì)逐漸增強(qiáng)，所以一味地增大黏度反而會(huì)降低攜砂率。

3)當(dāng)井斜角為90°時(shí)，低黏流體比高黏流體更利于攜巖，清水的攜砂率>Polymer 1的攜砂率>Polymer 2的攜砂率。這是因?yàn)樵?0°井斜角(水平段)下，巖屑顆粒主要表現(xiàn)為在巖屑床表面滾動(dòng)，難以被舉升至上層流體之中，高黏流體從沉積的巖屑床上方滑過(guò)，導(dǎo)致攜砂率下降，而低黏流體能對(duì)巖屑床產(chǎn)生擾動(dòng)作用，提高了巖屑的攜帶效率。

4結(jié)論

1)當(dāng)井斜角為45°時(shí)，巖屑顆粒容易被舉升至上層流體之中，同時(shí)巖屑床的下滑會(huì)引起巖屑顆粒的二次夾帶，造成低黏流體不利于攜砂，此時(shí)增大流體黏度有利于提高攜砂率。

2)當(dāng)井斜角為60°時(shí)，不斷地增大黏度反而會(huì)降低攜砂率，此時(shí)選擇黏度適當(dāng)?shù)牧黧w更有利于攜砂。

3)當(dāng)井斜角為90°(水平井段)時(shí)，低黏流體能對(duì)巖屑床產(chǎn)生擾動(dòng)作用，提高了攜帶巖屑的效率，此時(shí)低黏流體比高黏流體更有利于攜帶巖屑。

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[編輯]帥群

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)5-0054-04

[中圖分類號(hào)]TE254

[作者簡(jiǎn)介]吳宇(1991-)，男，碩士生，從事油氣田應(yīng)用化學(xué)方向的研究與學(xué)習(xí)；通信作者：王昌軍，gimwang0424@163.com。

[基金項(xiàng)目]中海油田服務(wù)股份有限公司科研項(xiàng)目(G1415CS-B21C012)。

[收稿日期]2015-10-20

[引著格式]吳宇，王昌軍，王志龍.鉆井液黏度影響定向井及水平井?dāng)y砂規(guī)律的室內(nèi)研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2016,13(5):54～57.