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        氣體鉆井巖屑遇水黏附現(xiàn)象與對策研究

        2018-09-05 11:36:26祝效華門宏建安家偉
        特種油氣藏 2018年4期
        關(guān)鍵詞:黏附力出水量巖屑

        祝效華,劉 骉,門宏建,安家偉

        (1.西南石油大學(xué),四川 成都 610500;2.中國石油青海油田分公司,甘肅 敦煌 736202)

        0 引 言

        1 氣體攜水和巖屑起動(dòng)實(shí)驗(yàn)

        氣體鉆井施工現(xiàn)場一般通過壓力表、流量計(jì)和濕度計(jì)獲取井下情況,無法直觀反映巖屑和地層水的存在形式,因此,搭建了可視化實(shí)驗(yàn)臺。由于泥頁巖和水混合后黏附嚴(yán)重,無法直接觀察,在不考慮相互作用的情況下,對水平段巖屑起動(dòng)和氣體攜水過程分別模擬分析[8-10]。

        1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方案

        實(shí)驗(yàn)裝置的可視部分全長為10 m,外管為有機(jī)玻璃,其內(nèi)徑為150 mm(模擬Φ152.4 mm井眼);內(nèi)管為PVC材質(zhì),其外徑為75 mm與105 mm(分別模擬Φ73.0 mm鉆桿與接頭)。其他設(shè)備包括:高壓風(fēng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)閥各1臺;渦街流量計(jì)與蝶閥各1個(gè);浮子流量計(jì)和球閥各1個(gè)。

        實(shí)驗(yàn)流程:①啟動(dòng)風(fēng)機(jī),等待流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后調(diào)節(jié)蝶閥,使流量計(jì)讀數(shù)降至最??;②調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)閥至指定轉(zhuǎn)速并持續(xù)加入巖屑(或通過注水管線注水);③調(diào)節(jié)蝶閥使流量計(jì)讀數(shù)增大,觀察與拍攝巖屑(或水流)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)明顯變化時(shí)記錄流量計(jì)讀數(shù)。

        實(shí)驗(yàn)條件為:環(huán)境溫度為20 ℃;巖屑粒徑為0~8 mm;巖屑流量為0~20 kg/min;空氣流量為0~2 800 m3/h;注水流量為0.0~2.0 m3/h;鉆桿轉(zhuǎn)速為0~180 r/min;偏心度為0.0~0.2。

        1.2 氣體攜水現(xiàn)象

        分別以0.5、1.0、1.5、2.0 m3/h的流量向環(huán)空注水,觀察環(huán)空氣流對地層水的攜帶現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:水流受到重力作用匯聚在環(huán)空下部緩慢流動(dòng);隨著氣體流量增大,水流速度加快,位于環(huán)空下部的水流厚度減小并形成不均勻的水膜,少量水以懸浮液滴形式被氣流攜帶前進(jìn);氣體流速進(jìn)一步增大,形成下厚上薄的波動(dòng)水膜并鋪滿玻璃管內(nèi)壁,懸浮液滴分散得更小且形狀扁平;當(dāng)注水量越大時(shí),攜水所需的氣體流量越大,環(huán)空內(nèi)壁液膜的厚度隨之顯著增加,懸浮液滴尺寸更小、個(gè)數(shù)更多。

        1.3 巖屑起動(dòng)現(xiàn)象

        在不考慮地層水時(shí),為分析氣流帶動(dòng)巖屑起動(dòng)的過程,分別以5、10、15 kg/min的質(zhì)量流量加入干燥巖屑,觀察巖屑起動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨氣體流量增大,環(huán)空逐漸出現(xiàn)小粒徑巖屑堆積,粉塵狀巖屑以懸浮形式被氣流帶走;進(jìn)一步增大氣體流量,各種粒徑巖屑均出現(xiàn)大量堆積并形成固定巖屑床,巖屑床整體呈長條帶狀躺于下井壁;再加大氣體流量,流速超過11 m/s時(shí),一段時(shí)間內(nèi)巖屑床體積保持穩(wěn)定,隨后巖屑床中的巖屑出現(xiàn)抖動(dòng)與緩慢推移;隨氣體流量進(jìn)一步增大,流速達(dá)到16.78 m/s時(shí),巖屑床表面的巖屑開始滾動(dòng),逐步由巖屑床迎風(fēng)面滾動(dòng)或躍移至背風(fēng)面,此時(shí)巖屑床縮短速度大于增長速度,體積逐步減小,巖屑床最后完全消失時(shí)氣體流速達(dá)到33.54 m/s。實(shí)驗(yàn)中,在鉆桿環(huán)空處出現(xiàn)了固定巖屑床的形成、增長、穩(wěn)定、減小與消失的全過程。

        本文研究由生產(chǎn)同質(zhì)新能源汽車的雙寡頭車企構(gòu)成的有特定需求的消費(fèi)市場,企業(yè)可以通過研發(fā)高續(xù)航里程的新能源汽車來獲取更多的積分,從而出售獲取利潤。在該博弈模型中,政府首先根據(jù)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求以及科技進(jìn)步需求,制定針對新能源汽車的CAFC得分效率θ1;企業(yè)在已知θ1后進(jìn)行續(xù)航技術(shù)研發(fā),決策續(xù)航里程研發(fā)量si,此時(shí),有續(xù)航研發(fā)合作與續(xù)航研發(fā)競爭兩種情形;最后,雙寡頭新能源車企開展產(chǎn)量博弈。企業(yè)i的利潤函數(shù)為:

        2 巖屑聚團(tuán)黏附機(jī)理和對巖屑的影響

        2.1 聚團(tuán)黏附機(jī)理

        在氣體鉆水平井鉆遇地層水時(shí),環(huán)空會出現(xiàn)氣、液、固三相混合流動(dòng),導(dǎo)致巖屑顆粒與顆粒間、顆粒與井壁間黏附的主要作用力有范德華力、毛細(xì)力和靜電力。自由水受毛細(xì)力作用侵入巖屑床過程中,黏土礦物首先開始表面水化,在水化能驅(qū)動(dòng)下,水分子與氧原子形成氫鍵保持在黏土表面,接著以氫鍵方式逐層連接,形成多層吸附;然后開始滲透水化,當(dāng)黏土晶層吸附的陽離子濃度高于所侵入液相中的濃度時(shí),在濃度差作用下形成的滲透壓使水分子擴(kuò)散進(jìn)入晶層間,增加晶層間距而形成擴(kuò)散雙電層,導(dǎo)致了泥頁巖體積的膨脹。

        在地層水大量侵入泥頁巖孔隙前,顆粒間含有部分強(qiáng)結(jié)合水及少量弱結(jié)合水,相互作用力較小且相對獨(dú)立,因此,黏附力很?。浑S地層水的滲入,泥頁巖進(jìn)入塑性階段,巖屑中含有大量弱結(jié)合水以及部分自由水,在毛細(xì)力、范德華力和靜電力作用下,巖屑顆粒之間、顆粒與介質(zhì)之間的吸引力增強(qiáng);隨著巖屑中含水量的進(jìn)一步增加,顆粒間的毛細(xì)力由逐漸增加變?yōu)榻档?,尤其大量自由水進(jìn)入泥頁巖后,使得顆粒與顆粒之間、顆粒與介質(zhì)之間的毛細(xì)力大幅降低,宏觀黏附力也隨之下降。

        在有液相吸附于泥頁巖孔隙時(shí),導(dǎo)致巖屑聚團(tuán)黏附的作用力效果大小依次為毛細(xì)力、范德華力、靜電力。研究表明[11],除強(qiáng)帶電性的高分子顆粒以外,顆粒間的靜電力一般遠(yuǎn)小于范德華力和毛細(xì)力,故可忽略不計(jì)。

        2.2 黏附對巖屑的影響

        2.2.1 巖屑顆粒受到的黏附力

        為定量研究巖屑起動(dòng)時(shí)受到黏附力的阻礙作用,計(jì)算了巖屑之間以及巖屑和井壁間的范德華力Fvdw和毛細(xì)力Fc[11](表1)。

        由表1可知:相同條件下毛細(xì)力遠(yuǎn)大于范德華力,即毛細(xì)力對巖屑的黏附起決定作用;相同直徑巖屑顆粒之間的毛細(xì)力較小,巖屑顆粒與井壁間的毛細(xì)力較大;在2個(gè)接觸的巖屑顆粒間,當(dāng)一個(gè)巖屑顆粒直徑給定時(shí),毛細(xì)力隨著另一巖屑顆粒直徑的增大而增大。

        表1 不同粒徑巖屑間的范德華力和毛細(xì)力

        2.2.2 巖屑顆粒的起動(dòng)受力

        為分析巖屑起動(dòng)時(shí)的受力,建立了簡化后的巖屑起動(dòng)模型(圖1)。

        如圖1a,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于阻力時(shí),巖屑顆粒達(dá)到滑動(dòng)起動(dòng)狀態(tài):

        F=f(λ,dv,φ,μ,θ)=FD-f-Gcosθ>0

        (1)

        式中:F為驅(qū)動(dòng)力,N;λ為扁平度系數(shù);dv為等效直徑,m;φ為沉陷度特征角,rad;μ為摩擦系數(shù);θ為井斜角,rad;FD為氣流曳力,為巖屑提供沿井眼軸向的動(dòng)力,N;f為顆粒起動(dòng)時(shí)受到的滑動(dòng)摩擦力,N;G為巖屑重力,N。

        圖1 巖屑起動(dòng)時(shí)受力情況

        如圖1b,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩大于阻力矩時(shí),巖屑顆粒達(dá)到滾動(dòng)起動(dòng)狀態(tài):

        (2)

        由于起動(dòng)瞬間FN、L4、L5為0,可不考慮,故式(2)可簡化為:

        M=f(λ,dv,φ,θ)=FDL1-(G-Ff)L2

        (3)

        根據(jù)式(1)和(3),可以得到巖屑黏附力和起動(dòng)力之間的定量關(guān)系,進(jìn)而從巖屑起動(dòng)過程和受力狀態(tài)的角度,分析起動(dòng)力、黏附力及兩者間的相互關(guān)系隨巖屑平均粒徑的變化趨勢(圖2、3),可得到巖屑起動(dòng)的臨界條件,為后續(xù)對策的研究提供理論基礎(chǔ)。

        圖2 不同粒徑下黏附力和巖屑起動(dòng)力

        由圖2可知:當(dāng)巖屑粒徑為0.0~3.0 mm時(shí),起動(dòng)力FD小于最小黏附力Fcmin,可認(rèn)為所有受到毛細(xì)力作用黏附的巖屑均無法起動(dòng);當(dāng)巖屑粒徑為3.0~6.1 mm時(shí),起動(dòng)力FD位于最小黏附力Fcmin和最大黏附力Fcmax之間,并隨巖屑粒徑的增大而上升,逐步逼近最大黏附力Fcmax,可認(rèn)為部分巖屑具有足以擺脫毛細(xì)力的起動(dòng)力,并隨巖屑粒徑增大,能夠起動(dòng)巖屑的比例提高。

        由圖3a、b可知:當(dāng)巖屑平均粒徑為0.5 mm和1.5 mm時(shí),隨著被黏附巖屑粒徑的增大,黏附力上升,起動(dòng)力保持不變,并且?guī)r屑顆粒受到的黏附力遠(yuǎn)大于起動(dòng)力,即巖屑無法起動(dòng)。由圖3c可知:對平均粒徑為2.5、3.5、6.1 mm的巖屑,黏附力隨著被黏附巖屑粒徑的增大而升高,當(dāng)被黏附巖屑粒徑超過3.5 mm或黏附于井壁時(shí),起動(dòng)力大于黏附力,可認(rèn)為巖屑能夠起動(dòng)。

        3 影響因素分析

        3.1 地層出水量

        在氣體鉆井的水平段,根據(jù)滲流理論和勢能理論可得到地層出水流量的計(jì)算公式[12-14]。地層水是導(dǎo)致泥頁巖巖屑黏附的直接原因,出水量決定了環(huán)空流態(tài)和巖屑運(yùn)移難度,一般認(rèn)為地層出水流量QW≤2 m3/h時(shí),可通過加大注氣量或干燥劑控制環(huán)空水量,保證氣體鉆井的進(jìn)行。

        圖3 巖屑的黏附力和起動(dòng)力

        3.2 隨鉆巖屑量

        隨鉆產(chǎn)生的巖屑量主要取決于井眼直徑和機(jī)械鉆速,巖屑流量計(jì)算式見文獻(xiàn)[15-16]。

        氣體鉆井的機(jī)械鉆速可達(dá)20 m/h,假設(shè)水平段井眼尺寸為152.4 mm,巖屑密度為2.8 g/cm3,由巖屑流量計(jì)算式計(jì)算得到巖屑流量為0.0~1 020.6 kg/h。在無水井眼中可通過控制機(jī)械鉆速K減小攜巖負(fù)擔(dān),由巖屑起動(dòng)實(shí)驗(yàn)可知,在Φ152.4 mm井眼中按工程注氣量注氣,當(dāng)0 m/h≤K<11 m/h時(shí),可有效清潔井眼;當(dāng)11 m/h≤K<15 m/h時(shí),遇到大粒徑顆粒會出現(xiàn)滯留甚至巖屑床;當(dāng)K≥15 m/h時(shí),會出現(xiàn)不斷增長變厚的巖屑床。因此,在無出水的氣體鉆水平井中,建議將鉆速控制在15 m/h以內(nèi)。

        3.3 液固比

        液固比即為地層出水量和隨鉆巖屑量之比,其大小直接影響著巖屑床的存在形式,隨液固比上升巖屑床由固態(tài)經(jīng)半固態(tài)和塑性狀態(tài)最后變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài),巖屑的狀態(tài)決定黏附形式,使其可能以分散態(tài)、泥餅態(tài)或液漿態(tài)附著于井壁,并具有不同的強(qiáng)度、剛度、黏滯性和表面摩阻[17-18]。實(shí)際施工中,由傳感器測得出水量與層位,可初步判斷巖屑床形成情況,為進(jìn)一步確認(rèn)其存在形式、尺寸大小和黏附位置,對遇水實(shí)際井眼中的巖屑狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測[19]。表2為給定工況下對3口井中不同出水量條件下巖屑狀態(tài)的預(yù)測,表3為D井中出水量與機(jī)械鉆速對巖屑狀態(tài)的影響。

        表2 對地層出水井中巖屑狀態(tài)的預(yù)測

        表3 D井不同機(jī)械鉆速(巖屑量)對巖屑狀態(tài)的影響

        由于處于塑性狀態(tài)和剛進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的混合物黏性最強(qiáng),應(yīng)將井下的巖屑狀態(tài)控制在固態(tài)、半固態(tài)或液固比較高的流動(dòng)狀態(tài),以避免巖屑顆粒的聚團(tuán)黏附。如表2中B井,全井段均有較嚴(yán)重的地層出水,巖屑在大部分位置都處于流動(dòng)狀態(tài),可通過控制機(jī)械鉆速減少巖屑量以提高液固比,稀釋液固兩相流,從而加速其流動(dòng)。

        若地層出水量較小,可通過降低液固比以控制巖屑狀態(tài)。如表3中D井,當(dāng)機(jī)械鉆速為20 m/h,即巖屑流量為1 020.6 kg/h時(shí),液固比很小,大部分巖屑的狀態(tài)為固態(tài)、半固態(tài),只需加大注氣量以攜帶巖屑流量超過765.45 kg/h部分的巖屑(對應(yīng)機(jī)械鉆速超過15 m/h);當(dāng)鉆速為10 m/h時(shí),在井段2和4處出現(xiàn)了塑性狀態(tài)巖屑,在井段3處出現(xiàn)了低液固比的流動(dòng)狀態(tài)巖屑,這2種狀態(tài)下巖屑極易黏附,僅通過加大注氣量無法有效清理,只有提高鉆速,降低液固比,使巖屑處于固態(tài)、半固態(tài),才能更好地保證鉆進(jìn)。

        4 結(jié) 論

        (1) 在氣體鉆井的水平段,除少量小顆粒外,大部分巖屑沉積于下井壁緩慢前進(jìn),環(huán)空中的水主要以水膜形式緊貼井壁流動(dòng)并伴隨少量懸浮液滴。

        (2) 巖屑吸入地層水發(fā)生水化作用,導(dǎo)致顆粒在毛細(xì)力作用下黏附聚團(tuán),使平均粒徑為0.5 mm和1.5 mm的所有巖屑,以及平均粒徑為2.5、3.5、6.1 mm的部分巖屑無法起動(dòng)。

        (3) 在出水量小的地層,可通過提高鉆速,增大固體巖屑流量,使巖屑床處于固態(tài),不易黏附;在出水量大的地層,可通過控制鉆速,減小固體巖屑流量,使巖屑與溶液混合物處于流動(dòng)狀態(tài),以避免黏附,從而為遇水情況下氣體鉆水平井的順利進(jìn)行奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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