水平井環(huán)空旋流攜砂流動規(guī)律實驗研究

劉承婷，張維薇，劉鋼，閆作秀

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水平井環(huán)空旋流攜砂流動規(guī)律實驗研究

劉承婷，張維薇，劉鋼，閆作秀

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318）

基于PIV測速技術(shù)對水平井環(huán)空管道內(nèi)液固兩相流動規(guī)律進行分析，研究不同環(huán)空流量、鉆柱轉(zhuǎn)速、流體粘度等相關(guān)因素。實驗結(jié)果表明，隨著環(huán)空流量、鉆柱的轉(zhuǎn)速和流體粘度的增加，巖屑床厚度降低，從而提高了巖屑的攜帶率。該實驗研究成果可有效的為水平井的沖砂洗井工作提供理論依據(jù)。

環(huán)空旋流；PIV測速技術(shù)；巖屑運移；軸向速度

水平井復(fù)雜的井深結(jié)構(gòu)極大增加了儲層的開采面積，有效提升了油氣采收率，隨著水平井技術(shù)的發(fā)展，水平井內(nèi)液固兩相流流動已成為研究重點［1］。水平井筒中鉆桿旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)空旋流使巖屑顆粒分散在鉆井液中的機理，是研究環(huán)空旋流巖屑顆粒運移規(guī)律、巖屑床形發(fā)展規(guī)律、鉆井液攜巖能力的理論基礎(chǔ)，為水平井參數(shù)優(yōu)化和沖砂洗井作業(yè)提供理論依據(jù)［2］。目前，針對水平井巖屑的運移問題已有相關(guān)研究報道，但大多建立巖屑床的運移數(shù)學(xué)模型對油井的攜砂能力進行分析計算［3-8］，水平段環(huán)空液固兩相流流動規(guī)律的實驗研究相對較少，而液固兩相在水平環(huán)空管道中的旋流流動規(guī)律十分復(fù)雜，環(huán)空砂粒運移規(guī)律不是十分明確，本文結(jié)合PIV實驗的可視化測試技術(shù)特點，為觀察和研究水平環(huán)空管道內(nèi)液固兩相旋流流場情況提供了更加直觀、準確的方法，使研究更加簡便高效［1］。

1 PIV實驗部分

1.1 實驗參數(shù)

實驗中水平環(huán)空外管采用內(nèi)徑為0.05 m的有機玻璃管，內(nèi)管外徑為0.01 m的鋼柱進行模擬，流量控制分別控制在1.4、1.5、1.6、1.7 m3/h，并分別配制濃度為200、400、600 mg/L聚丙烯酰胺水溶液及清水來替代不同粘度鉆井液，巖屑顆粒粒徑為0.08~0.4 mm石英砂，鉆桿轉(zhuǎn)速分別為100 r/min、150、200、250 r/min。分別改變以上變量進行實驗。

1.2 實驗原理

本文將PIV粒子測速裝置和水平環(huán)空井筒相結(jié)合，利用PIV粒子測速系統(tǒng)CCD相機記錄環(huán)空實驗段旋流流動圖像，后使用Tecplot數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)圖像處理，研究井筒內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)動時同心環(huán)空旋流砂粒運移規(guī)律［9］，實驗流程圖和實驗操作圖如圖1、圖2所示。

圖1 實驗流程圖

注：1-環(huán)空外管；2-環(huán)空內(nèi)管；3-實驗支座；4-壓差計；5-下砂裝置；6-井斜角調(diào)節(jié)裝置；7-浮子流量計；8、9-循環(huán)管線；10-電動機；11-螺桿泵；12-水箱；13-收砂裝置；14-PIV圖像采集與處理設(shè)備；15-CCD相機；16-PIV激光器；17-閥

圖2 實驗操作圖

1.3 實驗步驟

（1）實驗流體介質(zhì)配制濃度為0、200、400、600 mg/L聚丙烯酰胺水溶液及清水來替代不同粘度鉆井液，實驗固體砂粒為巖屑顆粒粒徑為0.08~0.4mm石英砂。

（2）為減小實驗誤差，實驗開始前必須對流量計、壓力表等計量設(shè)備進行標定。

（3）為保證實驗循環(huán)系統(tǒng)正常運行，將儲液箱加滿，再按1:9比例加入示蹤粒子（空心玻璃微珠，直徑1~5，密度1050kg/m3，撒播濃度約5mg/L）［1］，并攪拌均勻。

（4）打開計算機，使軟件處于工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥門，使各閥門處于打開狀態(tài)，開啟螺桿泵，調(diào)節(jié)螺桿泵頻率以滿足試驗工況。

（5）待管路測試段流體流動穩(wěn)定后，分別開啟激光發(fā)射器和CCD相機，調(diào)節(jié)激光亮度和CCD拍攝圖像的清晰度，直至滿足實驗要求。

（6）調(diào)節(jié)下砂開關(guān)，按實驗液固比例均勻向管路中加入。

（7）泵速由低到高調(diào)節(jié)，同時電機調(diào)節(jié)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速，待液流流動穩(wěn)定后記錄該時刻泵速時粒子速度圖像、壓力表與浮子流量計的示數(shù)。檢查采集圖像，效果不好的圖像重新調(diào)節(jié)參數(shù)并記錄，保存圖像。

（8）對同一變量下所有泵速圖像都采集完后，改變鉆桿轉(zhuǎn)速和流體粘度，每一變量依次重復(fù)操作以上步驟，并保存數(shù)據(jù)。

（9）實驗結(jié)束后關(guān)閉設(shè)備，排出管線和水箱內(nèi)的液體，以免腐蝕管線，并處理采集的圖像，最后得到環(huán)空實驗段的速度矢量圖、軸向速度分布、流場云圖等信息。

實驗室內(nèi)部溫度保持在18~20 ℃范圍內(nèi)，實驗過程中所選流體近似為不可壓縮流體［1］。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 環(huán)空流量對液固兩相環(huán)空旋流流動影響

實驗中液相選取200 mg/L聚丙烯酰胺水溶液，內(nèi)管轉(zhuǎn)速定為150 r/min，固相采用粒徑為0.2 mm石英砂，其密度為2 985 kg/m3,出砂量設(shè)定為5%。調(diào)節(jié)螺桿泵頻率，選取流量為1.4、1.5、1.6、1.7m3/h；得到相應(yīng)的速度云圖、矢量圖如圖3所示。

（a）=1.4 m3/h

（b）=1.5 m3/h

（c）=1.6m3/h

（d）=1.7 m3/h

圖3 不同環(huán)空流量下液固兩相環(huán)空旋流流場的速度云圖與矢量圖

Fig.3 The velocity cloud and vector of liquid-solid two- phase annular vortex flow under different annular flow

由圖3（a）-(d)可以看出，流量對環(huán)空螺旋流場影響較明顯。隨著環(huán)空流量的不斷增加，巖屑床表面巖屑顆粒開始運動，進入懸浮層，環(huán)空懸浮層巖屑顆粒濃度增大，巖屑床厚度隨環(huán)空流量增加而降低［10］，當流量增加到1.6 m3/h時巖屑床開始移動。

2.2 鉆柱轉(zhuǎn)速對液固兩相環(huán)空旋流流動影響

實驗中調(diào)節(jié)螺桿泵頻率取流量為1.5 m3/h，聚丙烯酰胺容液濃度為200 mg/L,固相采用粒徑為0.2 mm石英砂，其密度為2 985 kg/m3,出砂量設(shè)定為5%，調(diào)節(jié)鉆柱轉(zhuǎn)速為100、150、200、250 r/min；得到相應(yīng)的速度云圖、矢量圖如圖4所示。

（a）=100 r/min

（b）=150 r/min

（c）=200 r/min

（d）=250 r/min

圖4 不同鉆柱轉(zhuǎn)速下液固兩相環(huán)空旋流流場的速度云圖與矢量圖

Fig.4 The velocity cloud and vector diagram of liquid-solid two-phase annular vortex flow at different drill string speeds

由圖4（a）-（d）可以看出，鉆柱旋轉(zhuǎn)環(huán)空流場中產(chǎn)生明顯螺旋流流動，增加了巖屑沉降距離，環(huán)空紊流程度增加，隨著轉(zhuǎn)速增加到150 r/min時，巖屑顆粒逐漸開始運動，流體中巖屑濃度增加，巖屑床厚度明顯降低；當流量達到1.6 m3/h時，鉆柱轉(zhuǎn)速對巖屑的攜帶作用將減弱，這時流量對巖屑床厚度變化起主導(dǎo)作用。

2.3 流體粘度對液固兩相環(huán)空旋流流動影響

實驗中調(diào)節(jié)螺桿泵頻率取流量為1.5 m3/h，內(nèi)管轉(zhuǎn)速為150 r/min，固相采用粒徑為0.2 mm石英砂，其密度為2 985 kg/m3, 出砂量設(shè)定為5%，選取不同濃度聚丙烯酰胺容液進行試驗，溶液濃度為200、400、600 mg/L及清水；得到相應(yīng)的速度云圖、矢量圖如圖5所示。

（a）=0 mg/L

（b）=200 mg/L

（c）=400 mg/L

（d）=600 mg/L

圖5 不同流體粘度下液固兩相環(huán)空旋流流場的速度云圖與矢量圖

Fig.5 Velocity cloud and vector diagram of liquid-solid two- phase annular vortex flow under different fluid viscosities

由圖5（a）-(d)可以看出，當流量、轉(zhuǎn)速一定時，流體粘度變化對環(huán)空螺旋流動影響較明顯。環(huán)空管道內(nèi)流體主流流動方向沿流線方向向前運動，隨著流體粘度不斷增加，巖屑床表面巖屑顆粒開始運動，進入懸浮層，懸浮層巖屑顆粒濃度增大，巖屑床厚度隨液體粘度增加而降低，當粘度增加至400 mg/L時，巖屑啟動所需能量隨之增加，不利于巖屑顆粒運移，但有效降低了巖屑床厚度，增加了懸浮增巖屑濃度，提高了巖屑攜帶率。

3 結(jié)論

本文利用PIV測速技術(shù)對水平環(huán)空段液固兩相流動情況進行試驗研究，分析不同工況下流場速度云圖和矢量圖，得出以下結(jié)論：

（1）環(huán)空流量增加使環(huán)空壓降升高，環(huán)空截面軸向速度增加，使懸浮層巖屑濃度增加，巖屑床厚度變低，提高巖屑的攜帶率；較其它變量對環(huán)空管道巖屑運移影響較顯著，當流量增加到1.6 m3/h時巖屑床開始移動。

（2）鉆桿轉(zhuǎn)速使環(huán)空流體切向速度增加，加大環(huán)空螺旋流動，轉(zhuǎn)速增加到150 r/min時，巖屑床厚度明顯降低，提高巖屑的攜帶率；對水平環(huán)空段軸向速度、壓降影響較小。

（3）流體粘度對環(huán)空流場影響較顯著，巖屑床厚度隨液體粘度增加而降低，當流體粘度增加至400 mg/L時，巖屑顆粒的啟動能量增加，但提高了巖屑攜帶率，并使環(huán)空壓降增加。

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Experimental Study on Flow Rule of Sand Carrying Swirling Flow in the Annulus Pipeline of Horizontal Well

，Z，，

（School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Based on PIV velocity measurement technique, the rule of liquid-solid flow in the annulus pipeline of horizontal well was analyzed, and the relevant factors such as different annular flow rate, drill string speed and fluid viscosity were studied. The experimental results show that,with the increase of annular flow rate, the speed of drill string and the viscosity of fluid, the thickness of cutting bed is reduced, and the carrying rate of cuttings is improved. The experimental results can provide a theoretical basis for the sand-flushing operation of horizontal wells.

Annular swirling flow; PIV velocity measurement;Cuttings migration;Axial speed

TE 25

A

1671-0460（2017）08-1585-04

2017-05-23

劉承婷（1978-），女，副教授，博士研究生，2013年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：多相流體力學(xué)。E-mail：liuchengting.nepu.edu.cn。