楊　峰，朱化蜀，焦少卿，王旭東

（1.中國(guó)石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽(yáng)618000；2.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000；3.中石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心，四川德陽(yáng)618000）

特殊軌跡井氣體鉆井筒流動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)與研究

楊峰*1，朱化蜀2，焦少卿3，王旭東1

（1.中國(guó)石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽(yáng)618000；2.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000；3.中石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心，四川德陽(yáng)618000）

注氣參數(shù)計(jì)算是氣體鉆井中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前關(guān)于大斜度井、水平井等特殊軌跡井巖屑運(yùn)移規(guī)律的實(shí)驗(yàn)及理論研究相對(duì)較少，尤其是室內(nèi)試驗(yàn)更是一項(xiàng)空白。介紹了氣體鉆井井筒流動(dòng)規(guī)律大型試驗(yàn)臺(tái)架的組建和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同傾角、不同工作方式條件下空氣流動(dòng)和攜巖工況，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)特殊軌跡井顆粒運(yùn)移規(guī)律有了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)顆粒滾動(dòng)移動(dòng)最小流速、躍移移動(dòng)最小流速和氣體鉆水平井?dāng)y水規(guī)律模型進(jìn)行修正，為今后特殊軌跡井氣體鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)

特殊軌跡井；氣體鉆井；注氣參數(shù)；實(shí)驗(yàn)與研究；模型修正

注氣參數(shù)計(jì)算是氣體鉆井中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它是井眼能否徹底凈化的關(guān)鍵因素，因此一直為學(xué)者所重視。然而，縱觀現(xiàn)有的眾多注氣量計(jì)算方法，大多是針對(duì)垂直井，而針對(duì)大斜度井、水平井等特殊軌跡井氣體鉆井過(guò)程中巖屑的運(yùn)移規(guī)律的實(shí)驗(yàn)及理論方面的研究相對(duì)較少。隨著氣體鉆井應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾根據(jù)大斜度井、水平井鉆井等特殊軌跡井的特點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)Angel等方法對(duì)攜屑問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了許多有益的結(jié)論。而這些模型的建立均是在一定假設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際注氣量存在一定偏差，影響了研究成果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)方面的指導(dǎo)作用。

美國(guó)Tulsa大學(xué)、挪威SINTEF多相流試驗(yàn)室、Schlumberger公司、法國(guó)流體力學(xué)研究所、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院都建有大型井筒或管道多相流實(shí)驗(yàn)架，主要用于油氣井多相流、油氣儲(chǔ)運(yùn)、流體力學(xué)基礎(chǔ)理論等方面的研究，而沒(méi)有針對(duì)特殊軌跡氣體鉆井井筒流動(dòng)規(guī)律與井眼凈化實(shí)驗(yàn)研究的功能。

2000年，西南石油大學(xué)梁紅、孟英峰等人設(shè)計(jì)了空氣霧化鉆井實(shí)驗(yàn)架，井筒高15m，外筒內(nèi)徑0.07m，內(nèi)筒外徑0.03m，空壓機(jī)排量6m3/min，壓力0.8MPa。實(shí)驗(yàn)架由氣源系統(tǒng)、巖屑輸送系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、井筒系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)組成，可開展直井的氣體鉆井?dāng)y巖實(shí)驗(yàn)。

然而，在特殊井眼軌跡井空氣鉆井中，巖屑的沉降方向沒(méi)有沿著井眼軌跡的方向，其攜巖規(guī)律與直井的情況大不相同。為了模擬不同井眼軌跡井筒內(nèi)氣體流動(dòng)規(guī)律，獲取模型檢驗(yàn)與修正的各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到合理的特殊軌跡井空氣鉆井注氣參數(shù)，需要專門針對(duì)特殊軌跡井空氣鉆井開展大型臺(tái)架模擬實(shí)驗(yàn)。因此，建立大型井筒流動(dòng)實(shí)驗(yàn)架模擬不同傾角、不同工作方式條件下的空氣流動(dòng)及攜巖是特殊軌跡氣體鉆井井筒流動(dòng)規(guī)律與井眼凈化研究的關(guān)鍵。

1　實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的組成

實(shí)驗(yàn)架由實(shí)驗(yàn)管路、起升系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、巖屑模擬系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等7個(gè)部分組成：

①實(shí)驗(yàn)管路，包括高壓和低壓2套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括一根無(wú)模擬鉆桿的空井筒和一根有模擬鉆桿的井筒及其附加管線、安全閥。低壓管段采用?160mm× 10mm的透明有機(jī)玻璃管段，每根管長(zhǎng)2m，尼龍法蘭連接，每個(gè)接點(diǎn)安裝壓力傳感器測(cè)取流動(dòng)壓力，耐壓1MPa，其中的模擬鉆桿采用?63mm×3mm的PVC管。高壓管段采用?110mm×10mm的不銹鋼管段，每根管長(zhǎng)6m，不銹鋼法蘭連接，每個(gè)接點(diǎn)安裝壓力傳感器測(cè)取流動(dòng)壓力，要求承受10MPa壓力，實(shí)驗(yàn)架設(shè)計(jì)承壓為12MPa。

②實(shí)驗(yàn)架起升系統(tǒng)，用于支撐實(shí)驗(yàn)管路、測(cè)試系統(tǒng)等，并能保持要求的實(shí)驗(yàn)井段的井斜角度，以模擬從直井—斜井—水平井的各種工況。

③實(shí)驗(yàn)供氣系統(tǒng)，包括壓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、增壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、過(guò)濾器等，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。

④實(shí)驗(yàn)流體加熱系統(tǒng)，包括電加熱與控制系統(tǒng)，能模擬井下一定溫度范圍的變化情況。

⑤液體供給系統(tǒng)，包括水供給，油的供給裝置，用于模擬不同氣液比，不同產(chǎn)出油的變化情況。

⑥巖屑模擬系統(tǒng)，包括巖屑模擬裝置及其計(jì)量裝置。用于模擬鉆進(jìn)過(guò)程中井下產(chǎn)生的巖屑情況。

⑦測(cè)試系統(tǒng)，包括高壓和低壓管路的溫度、壓力、流量、實(shí)驗(yàn)圖像等測(cè)試記錄設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)架可實(shí)現(xiàn)以下功能：

①任意角度干氣攜巖規(guī)律可視化實(shí)驗(yàn)；

②該實(shí)驗(yàn)架能實(shí)現(xiàn)0°～90°氣體鉆井?dāng)y巖實(shí)驗(yàn)，并能保證氣體流速?gòu)?～35m/s變化，從而完全滿足攜巖能力的要求；

③地層出水條件下攜水規(guī)律及流型流態(tài)研究；

④可通過(guò)變頻式注入泵模擬地層產(chǎn)液量大小并通過(guò)該實(shí)驗(yàn)架模擬不同井斜角、不同注氣量大小條件下的流型流態(tài)與氣體攜液能力；

⑤巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡可視化實(shí)驗(yàn)研究；

⑥通過(guò)安裝在實(shí)驗(yàn)架上的高速攝像儀能捕捉不同井段位置的巖屑運(yùn)移情況和氣固兩相流流型流態(tài)，從而為研究巖屑瞬態(tài)運(yùn)移規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)手段；

⑦具備實(shí)驗(yàn)管段的壓力、氣體流量、液體流量、巖屑加入量、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖像等的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)記錄功能。

2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的目的主要是探究氣體（干氣）鉆水平井?dāng)y巖及井眼凈化效果、氣體鉆水平井?dāng)y水規(guī)律以及顆粒運(yùn)移等3方面的基本規(guī)律。實(shí)驗(yàn)所選取的各種顆粒材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

Angel方程是在直徑為2.5～3mm巖屑條件下做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此，本實(shí)驗(yàn)采用材料需要進(jìn)行相似性比對(duì)計(jì)算，其結(jié)果見表2。材料與管壁的滾動(dòng)摩擦系數(shù)見表3。

表1　各種實(shí)驗(yàn)顆粒材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2　各種顆粒材料相似性臨界流速

表3　各種顆粒材料與管壁滾動(dòng)摩擦系數(shù)

針對(duì)氣體（干氣）鉆水平井?dāng)y巖及井眼凈化效果、氣體鉆水平井?dāng)y水規(guī)律以及顆粒運(yùn)移規(guī)律等3方面，分別開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)。

針對(duì)顆粒運(yùn)移規(guī)律研究方面，實(shí)驗(yàn)采用壓縮空氣作為實(shí)驗(yàn)流體介質(zhì)，通過(guò)不同尺寸、密度的模擬巖屑顆粒，包括：黃豆、綠豆、玻璃顆粒等在不同氣量下，利用高速攝像儀研究其運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表4。

針對(duì)干氣攜巖及井眼凈化效果研究方面，實(shí)驗(yàn)采用空氣作為實(shí)驗(yàn)流體介質(zhì)，采用不同尺寸、密度的模擬巖屑顆粒，包括：黃豆、綠豆、玻璃顆粒等，各材料尺寸從3.0～7.8mm變化。在不同氣量下，研究其攜巖效果（主要研究臨界攜巖氣量）。從而利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正現(xiàn)有攜巖數(shù)學(xué)模型。其具體做法為：在井底以不同速度注入模擬巖屑，然后加大注氣量（注氣量可從0～22m3/min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)定注氣2min后逐步加大氣量，待井底巖屑攜帶完全后停止實(shí)驗(yàn)，測(cè)試參數(shù)包括：氣量、氣體流速、動(dòng)能、顆粒速度、管流壓力等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流壓控制在0.1～0.6MPa內(nèi)，實(shí)驗(yàn)溫度采用不加熱室外空氣的溫度，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表5。

針對(duì)氣體鉆水平井?dāng)y水規(guī)律研究方面，設(shè)計(jì)思路為：注入小排量實(shí)驗(yàn)液體停止在水平管一定液位高度（液位高度控制在0～10cm），而后注氣（注氣量在0～20m3/min控制）攜液，利用高速攝像儀觀察井底出水運(yùn)動(dòng)流型流態(tài)和井底出水對(duì)井壁潤(rùn)濕效果。

表4　顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表5　干氣攜巖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用高速攝像儀研究氣體中液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和攜液效果研究，具體做法為：在注氣的同時(shí)注入微流量液體，用高速攝像儀先觀察液體運(yùn)動(dòng)形態(tài)，再加大注氣量待井口有液體產(chǎn)出物后穩(wěn)定注氣2min，觀察高速氣流中液體形態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表6。

表6　水平井?dāng)y液實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及模型修正

（1）顆粒運(yùn)移規(guī)律研究。顆粒運(yùn)移規(guī)律為：滾動(dòng)—躍移—連續(xù)運(yùn)移。一方面，一般條件下顆粒運(yùn)動(dòng)應(yīng)該為直線運(yùn)動(dòng)，但從實(shí)驗(yàn)圖片分析來(lái)看，顆粒在臨界攜巖狀態(tài)下，總是處于管流懸浮停滯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要受管柱偏心而帶來(lái)的橫向上氣流的不均勻，從而使得顆粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生折線式的上下運(yùn)動(dòng)；另一方面，受巖屑堆積影響，后續(xù)巖屑撞擊巖屑團(tuán)產(chǎn)生躍移也是水平井巖屑運(yùn)動(dòng)的一大特點(diǎn)。在水平井中，若鉆柱產(chǎn)生偏芯，巖屑將更易形成巖屑床，造成攜巖困難。

（2）干氣攜巖及井眼凈化效果研究采用不同模擬巖屑進(jìn)行臨界攜巖實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

可以看出，顆粒先發(fā)生滾動(dòng)的氣量小于躍移時(shí)氣量，而當(dāng)氣量大于躍移氣量時(shí)，顆粒開始連續(xù)運(yùn)移。因此，躍移氣量可作為氣體鉆水平井連續(xù)攜巖臨界氣量。

表7　顆粒運(yùn)移方式對(duì)比

（3）氣體鉆水平井?dāng)y水規(guī)律研究。高氣液比條件下的穩(wěn)定氣流中，液體主要以液膜和液滴形式存在于管流中，液膜主要以粘附于管壁緩慢向前推進(jìn)，而中心管流液滴是被氣流攜帶至井口。實(shí)驗(yàn)攜液量與理論攜液量的對(duì)比見表8。從表中可知，實(shí)際攜液量低于實(shí)際攜液量，且攜液量的增長(zhǎng)速度快于注氣量的增長(zhǎng)速度。

表8　各種氣量條件下攜液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（4）模型完善與修正：

①顆粒運(yùn)移規(guī)律修正。顆粒在水平井中的運(yùn)移規(guī)律與通常的氣體攜巖假設(shè)有一定差別：在水平井中，顆粒在臨界攜巖狀態(tài)下總是處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要受管柱偏芯而帶來(lái)的縱向上氣流的不均勻，從而使得顆粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生折線式的上下運(yùn)動(dòng)。

②干氣攜巖及井眼凈化模型完善與修正。

a.顆粒滾動(dòng)移動(dòng)最小流速數(shù)學(xué)模型修正：

b.躍移移動(dòng)最小流速數(shù)學(xué)模型修正：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)際最低連續(xù)攜巖氣量只相當(dāng)于Angel公式的66%左右。因此，對(duì)于干氣攜巖井眼凈化的標(biāo)準(zhǔn)為：氣體應(yīng)具有的動(dòng)能應(yīng)大于標(biāo)況下10.05m/s流動(dòng)的空氣動(dòng)能。

或者采用躍移臨界氣量的143%作為修正模型，即：

③氣體鉆水平井?dāng)y水規(guī)律模型完善與修正：從表8可以看出，不同注氣量條件下，其理論攜液能力不同。這主要是由于在較小注氣量下，大量液體未被帶出導(dǎo)致流動(dòng)中心氣液比較高。

由于氣體鉆井如遇地層出水，在轉(zhuǎn)換循環(huán)介質(zhì)之前，環(huán)空管流氣液比是大于1500。因此，應(yīng)該按照誤差25.8%作為攜液數(shù)學(xué)模型修正依據(jù)，即：

4　結(jié)論

（1）針對(duì)大斜度井、水平井等特殊軌跡井氣體鉆井過(guò)程中巖屑的運(yùn)移規(guī)律而設(shè)計(jì)的大型試驗(yàn)臺(tái)架填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的一項(xiàng)空白，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)水平井氣體鉆井過(guò)程中顆粒運(yùn)移規(guī)律有了新的認(rèn)識(shí)：在水平段，顆?？偸翘幱诠芰鲬腋⊥\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要受管柱偏芯而帶來(lái)的橫向上氣流的不均勻，從而使得顆粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生折線式的上下運(yùn)動(dòng)；

（2）受巖屑堆積影響，后續(xù)巖屑撞擊巖屑團(tuán)產(chǎn)生躍移也是水平井巖屑運(yùn)動(dòng)的一大特點(diǎn)。在水平井中，若鉆柱產(chǎn)生偏芯，巖屑將更易形成巖屑床，造成攜巖困難；

（3）水平段實(shí)際最低連續(xù)攜巖氣量只相當(dāng)于Angel公式的66%左右。因此，對(duì)于干氣攜巖井眼凈化的標(biāo)準(zhǔn)為：氣體具有的動(dòng)能應(yīng)大于標(biāo)況下10.05m/s流動(dòng)的空氣動(dòng)能，可采用躍移臨界氣量的143%作為修正模型計(jì)算注氣量。

［1］孟英峰，練章華，等.氣體鉆水平井的攜巖研究及在白淺111H井的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（8）：50-53.

［2］孟英峰，練章華，等.氣體鉆水平井的攜巖CFD數(shù)值模擬分析［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（7）：50-52.

［3］袁兆廣，周開吉，等.氣體鉆大斜度水平井最小注氣量計(jì)算方法研究［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（4）：65-68.

［4］肖國(guó)益，趙向陽(yáng)，等.氣體鉆井?dāng)y巖關(guān)鍵點(diǎn)多相流動(dòng)規(guī)律研究［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：16-19.

［5］DOAN Q T，VINCANO INC，OGUZTORELI M，et al，Modeling of Transient Cuttings Transport in Underbalanced Drilling （UBD）［J］.IADC/SPE 85061.

TE2

A

1004-5716（2016）05-0047-04

2016-01-20

2016-01-25

國(guó)家科技重大專項(xiàng)專題“低滲氣藏氣體鉆井關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05022-005）部分研究成果。

楊峰（1980-），男（漢族），四川達(dá)州人，工程師，現(xiàn)從事井眼軌跡控制研究工作。