特殊軌跡井氣體鉆井筒流動規(guī)律實(shí)驗(yàn)與研究

楊　峰，朱化蜀，焦少卿，王旭東

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

特殊軌跡井氣體鉆井筒流動規(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.中國石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽618000；2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽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規(guī)律大型試驗(yàn)臺架的組建和實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同傾角、不同工作方式條件下空氣流動和攜巖工況，通過試驗(yàn)對特殊軌跡井顆粒運(yùn)移規(guī)律有了新的認(rèn)識，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對顆粒滾動移動最小流速、躍移移動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，大多是針對垂直井，而針對大斜度井、水平井等特殊軌跡井氣體鉆井過程中巖屑的運(yùn)移規(guī)律的實(shí)驗(yàn)及理論方面的研究相對較少。隨著氣體鉆井應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，部分國內(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等方法對攜屑問題進(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，影響了研究成果對現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)方面的指導(dǎo)作用。

美國Tulsa大學(xué)、挪威SINTEF多相流試驗(yàn)室、Schlumberger公司、法國流體力學(xué)研究所、英國帝國理工學(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、油氣儲運(yùn)、流體力學(xué)基礎(chǔ)理論等方面的研究，而沒有針對特殊軌跡氣體鉆井井筒流動規(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)，需要專門針對特殊軌跡井空氣鉆井開展大型臺架模擬實(shí)驗(yàn)。因此，建立大型井筒流動實(shí)驗(yàn)架模擬不同傾角、不同工作方式條件下的空氣流動及攜巖是特殊軌跡氣體鉆井井筒流動規(guī)律與井眼凈化研究的關(guān)鍵。

1　實(shí)驗(yàn)臺架的組成

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2m，尼龍法蘭連接，每個(gè)接點(diǎn)安裝壓力傳感器測取流動壓力，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6m，不銹鋼法蘭連接，每個(gè)接點(diǎn)安裝壓力傳感器測取流動壓力，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)、儲氣罐、過濾器等，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)過程中井下產(chǎn)生的巖屑情況。

⑦測試系統(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)，并能保證氣體流速從0～35m/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可通過變頻式注入泵模擬地層產(chǎn)液量大小并通過該實(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)動軌跡可視化實(shí)驗(yàn)研究；

⑥通過安裝在實(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)象圖像等的自動監(jiān)測、自動記錄功能。

2　實(shí)驗(yàn)過程

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)行相似性比對計(jì)算，其結(jié)果見表2。材料與管壁的滾動摩擦系數(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摩擦系數(shù)

針對氣體（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)動軌跡，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表4。

針對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)，測試參數(shù)包括：氣量、氣體流速、動能、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)動流型流態(tài)和井底出水對井壁潤濕效果。

表4　顆粒運(yùn)動規(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—躍移—連續(xù)運(yùn)移。一方面，一般條件下顆粒運(yùn)動應(yīng)該為直線運(yùn)動，但從實(shí)驗(yàn)圖片分析來看，顆粒在臨界攜巖狀態(tài)下，總是處于管流懸浮停滯運(yùn)動狀態(tài)，其運(yùn)動軌跡主要受管柱偏心而帶來的橫向上氣流的不均勻，從而使得顆粒運(yùn)動發(fā)生折線式的上下運(yùn)動；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，且攜液量的增長速度快于注氣量的增長速度。

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)動狀態(tài)，其運(yùn)動軌跡主要受管柱偏芯而帶來的縱向上氣流的不均勻，從而使得顆粒運(yùn)動發(fā)生折線式的上下運(yùn)動。

②干氣攜巖及井眼凈化模型完善與修正。

a.顆粒滾動移動最小流速數(shù)學(xué)模型修正：

b.躍移移動最小流速數(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，對于干氣攜巖井眼凈化的標(biāo)準(zhǔn)為：氣體應(yīng)具有的動能應(yīng)大于標(biāo)況下10.05m/s流動的空氣動能。

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

（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，對于干氣攜巖井眼凈化的標(biāo)準(zhǔn)為：氣體具有的動能應(yīng)大于標(biāo)況下10.05m/s流動的空氣動能，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］肖國益，趙向陽，等.氣體鉆井?dāng)y巖關(guān)鍵點(diǎn)多相流動規(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：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。