侯學軍，宋洪奇，關 謙，金 銳，張 輝

(1.重慶科技學院，重慶 401331；2. 陜西省非常規(guī)油氣勘探開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心(西安石油大學)，陜西 西安 710065；3.中國石油長城鉆探工程有限公司，遼寧 盤錦 124010；4.中國石油大學(北京)，北京 102249)

0 引 言

連續(xù)油管[1-4](簡稱CT)作為一種前沿鉆井技術，在老井加深側鉆、高效鉆井、環(huán)保、井下智能信息化、自動化方面優(yōu)勢突出，應用前景廣泛[5-8]。但因微小井眼CT鉆井井眼直徑小、環(huán)空間隙小，環(huán)空循環(huán)流阻較大，嚴重制約了微小井眼CT鉆井的應用與推廣。國內對于常規(guī)井眼環(huán)空循環(huán)流阻[9-11]的研究較多，井眼環(huán)空流阻的計算模型也較多，如：賓漢、冪律、卡森、赫-巴等計算模型。赫-巴模型結合了賓漢與冪律2個流變模型的特點，能更好地反映鉆井液的流變特點和流變規(guī)律。王常斌[12]等對同心環(huán)空赫-巴流體層流和紊流流動進行了數(shù)值模擬；魏淑惠[13]等對赫-巴流體偏心環(huán)空紊流進行了數(shù)值模擬；汪友平[14]等研究了赫-巴流體同心環(huán)空流動的速度分布規(guī)律；樊洪海[15]等對赫-巴流體同心環(huán)空軸向層流流動規(guī)律進行了理論分析；郭宇健[16]等基于赫-巴模型，模擬了偏心環(huán)空波動壓力；張晉凱[17]研究了偏心效應對赫-巴流體環(huán)空流動特性的影響；侯學軍[18-21]等對微小井眼流阻進行了計算分析。國內環(huán)空流阻研究大部分是針對常規(guī)井眼，使用赫-巴模型針對Φ89.0 mm微小井眼CT鉆井的環(huán)空流阻計算的研究相對較少。此次研究運用赫-巴模型，計算微小井眼CT環(huán)空流阻，分析環(huán)空流阻隨CT外徑、環(huán)空間隙、鉆井液流速、偏心度[22]等因素的變化規(guī)律，研究對應的控制方法，以期推動微小井眼CT鉆井技術發(fā)展。

1 赫-巴模型與流變參數(shù)計算

1.1 赫-巴模型

赫-巴模型[23]如下：

τ=τ0+Kγn

(1)

τ0=0.511φ3

(2)

(3)

(4)

式中：τ為剪切應力，N/m2；τ0為屈服切應力，N/m2；K為稠度系數(shù)，N·sn/m2；γ為剪切速率，s-1；n為流性指數(shù)；φ200、φ100、φ3分別為旋轉黏度計在200、100、3 r/min時的讀數(shù)。

1.2 雷諾數(shù)計算

赫-巴模型雷諾數(shù)[24]計算公式如下：

(5)

式中：Dh為微小井眼的井眼直徑，m；D0為微小井眼中使用的CT外徑，m；V為微小井眼環(huán)空鉆井液的平均流速，m/s；Re為雷諾數(shù)；ρ為微小井眼環(huán)空鉆井液的密度，kg/m3。

1.3 CT鉆井環(huán)空流阻計算

對于微小井眼CT鉆井環(huán)空，根據(jù)范寧摩阻[25]方程與環(huán)空偏心修正，循環(huán)流阻計算公式如下：

(6)

式中：p為微小井眼環(huán)空鉆井液的循環(huán)流阻，Pa；L為微小井眼環(huán)空長度，m；f為微小井眼環(huán)空鉆井液的范寧摩阻系數(shù)。

2 微小井眼CT環(huán)空流阻實例分析

2.1 計算參數(shù)設定

在Φ89.0 mm的微小井眼中，選擇適合鉆井的CT管柱[26](表1)。假設鉆井液的密度為1.5 g/cm3，根據(jù)計算公式對Φ89.0 mm的微小井眼CT環(huán)空流阻進行計算并繪圖。

表1 CT參數(shù)

2.2 環(huán)空流阻計算結果分析

2.2.1 環(huán)空流阻隨流速的變化

圖1為2 000 m長CT在Φ89.0 mm井眼中環(huán)空流阻隨流速變化曲線。由圖1可知：隨鉆井液環(huán)空流速增加，微小井眼CT環(huán)空流阻逐漸增加；CT管徑越大，微小井眼CT環(huán)空流阻受環(huán)空流速的影響越大。2 000 m長CT，流速從1 m/s增至2 m/s，環(huán)空流阻平穩(wěn)增加；流速從2 m/s開始，環(huán)空流阻隨環(huán)空流速呈線性增加；流速為9 m/s時，Φ73.0 mm CT的環(huán)空流阻最大，為26.3 MPa，Φ25.4 mm CT的環(huán)空流阻最小，為5.3 MPa。

圖1 2000m長CT在Φ89.0mm井眼的環(huán)空流阻隨流速變化曲線

2.2.2 環(huán)空流阻隨管徑的變化

圖2為Φ89.0 mm井眼中環(huán)空流阻隨管徑變化曲線。由圖2可知：隨CT管徑增加，微小井眼環(huán)空流阻加速增大。CT外徑小于50.8 mm時，微小井眼CT環(huán)空流阻增加趨勢比較平緩；CT外徑大于50.8 mm時，微小井眼CT環(huán)空流阻呈加速增大趨勢。

2.2.3 環(huán)空流阻隨井深的變化

圖3為Φ89.0 mm井眼中環(huán)空流阻隨井深變化曲線。由圖3可知：環(huán)空流阻隨CT下入深度的增加呈現(xiàn)線性增加；CT外徑增加(環(huán)空間隙減小)，環(huán)空流阻增加，CT外徑為73.0 mm時，環(huán)空流阻增加迅速，增加量最大，隨CT管徑逐漸減少，環(huán)空流阻越來越小，隨管徑的減小，環(huán)空流阻增加的趨勢逐漸減緩，CT外徑為25.4 mm時的環(huán)空流阻的增長最慢。

圖2 Φ89.0mm井眼中環(huán)空流阻隨管徑變化曲線

2.2.4 環(huán)空流阻隨偏心程度的變化

由于CT管柱在井眼中不居中，將導致環(huán)空流阻發(fā)生變化。假設環(huán)空中鉆井液流速為2 m/s和3 m/s，以不同的偏心度，對Φ89.0 mm井眼中環(huán)空流阻進行計算(圖4)。由圖4可知：環(huán)空流阻隨偏心度增加而降低，但在環(huán)空流阻降低的同時，也增大了CT與環(huán)空井壁的摩擦阻力；環(huán)空間隙越小(CT管徑增加)，偏心度對環(huán)空流阻影響越大，可以通過減少CT管徑(增大環(huán)空間隙)來降低環(huán)空流阻。

圖3 Φ89.0mm井眼中環(huán)空流阻隨井深變化曲線

圖4 Φ89.0mm井眼中環(huán)空流阻隨偏心度變化曲線

2.3 微小井眼CT鉆井參數(shù)優(yōu)選

微小井眼鉆井最小攜巖流速為巖屑沉降速度[27]的2倍，即最小攜巖流速為0.54 m/s。以8 000 m深井為例，額定泵壓為27.6 MPa，通過計算環(huán)空流阻，分析不同外徑CT可使用的鉆井液流速(表2)。在CT鉆井過程中，井筒中CT內水眼中的鉆井液會產(chǎn)生一部分流阻，滾筒上預留一定安全長度的CT也會產(chǎn)生一部分流阻，CT滾筒流阻和井筒中CT內循環(huán)流阻隨管徑增加而減小。因此，在選擇流速時應小于表2中的計算值。當選用Φ25.4、Φ31.8、Φ38.1、Φ44.5、Φ50.8、Φ60.3、Φ73.0 mm的CT時，推薦使用的鉆井液流速分別為：0.54～9.00 m/s、0.54～9.00 m/s、0.54～8.80 m/s、0.54～7.80 m/s、0.54～7.10 m/s、0.54～5.20 m/s、0.54～3.10 m/s。

表2 鉆井液流速優(yōu)選

3 實例驗證

將黃占盈[24]實驗數(shù)據(jù)(模擬CT長度為2.9 m)，與赫-巴模型偏心修正[28]后的計算數(shù)據(jù)對比(表3)。由表3可知：環(huán)空計算流阻與實驗流阻誤差為1.6%～9.6%，當流速為0.17 m/s時，誤差最大為9.6%。通過對比分析可知，運用赫-巴模型計算的環(huán)空流阻與實驗環(huán)空流阻能夠較好地吻合，在工程允許誤差(10%)以內。

表3 環(huán)空流阻實驗值與計算值對比

遼河油田某井，采用CT進行老井開窗側鉆，采用長度為3 000 m、Φ60.3 mm的CT從1 580 m鉆至2 300 m，鉆井液密度為1.20～1.25 g/cm3，鉆井液排量為7～10 L/s，地面泵壓為16～27 MPa。將赫-巴模型計算環(huán)空流阻與實測環(huán)空流阻對比(表4)，實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)最大誤差為9.3%。說明赫-巴模型計算結果可以滿足現(xiàn)場使用需求。

表4 環(huán)空流阻實測值與計算值對比

4 結 論

(1) 針對Φ89.0 mm微小井眼CT鉆井環(huán)空流阻較大的問題，運用赫-巴模型對微小井眼CT鉆井環(huán)空流阻進行了定量計算，并分析了環(huán)空流阻隨CT外徑、井深、井眼偏心度、環(huán)空流速等參數(shù)的變化規(guī)律。

(2) 減小微小井眼CT鉆井環(huán)空流阻的方法包括采用小管徑CT，增加環(huán)空間隙；在流速不低于最小攜巖流速情況下減小鉆井液流速；減小鉆井深度等。

(3) 基于地面泵的額定泵壓和最小攜巖流速，計算8 000 m井深CT微小井眼鉆井在環(huán)空最小攜巖流速下的最大環(huán)空流阻，優(yōu)選了適合微小井眼CT鉆井的鉆井液循環(huán)流速。

(4) 將赫-巴模型計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場實例進行了對比分析，使用赫巴模型計算的環(huán)空流阻與實測數(shù)據(jù)能較好吻合，該計算模型可為微小井眼CT鉆井環(huán)空流阻計算提供理論依據(jù)。