反循環(huán)空氣鉆井管柱沖蝕國內(nèi)外技術(shù)研究

摘要：鉆井措施中氣體鉆井較常規(guī)鉆井有很多明顯的優(yōu)點，比如：可以有效地保護儲層，以及加快鉆井的速度，還可以降低鉆井時的復雜程度等，但由于投入到氣體鉆井設(shè)備的資金多、設(shè)備占地大、運行起來造成的能量損耗高，以至于限制了其廣泛的應用范圍。因此，反循環(huán)空氣錘鉆井正因其具有消除井漏、減小對鉆井液的用量、減少污染以及更快找到產(chǎn)層等優(yōu)勢而被廣泛應用。但利用此方法進行鉆井時，將空氣加壓注入井內(nèi)，通過雙臂鉆桿到達井底，然后空氣再攜帶巖屑向上返，在這一過程中，巖屑會與管柱產(chǎn)生摩擦進而沖蝕管柱。

關(guān)鍵詞：空氣鉆井;反循環(huán)鉆井;沖蝕模型;沖蝕磨損量;沖蝕速率

1 前言

在現(xiàn)如今的氣體鉆井過程中，經(jīng)常會遇到的腐蝕介質(zhì)是氧、高礦化度的地層水，而當開發(fā)高含硫和高壓二氧化碳的油氣田時，還會出現(xiàn)硫化氧和二氧化碳的侵蝕，以上的這些介質(zhì)都會對金屬設(shè)備和鉆具產(chǎn)生嚴重的腐蝕破壞。除此之外，氣體鉆井時氣體攜巖的返速相當大，通常在15m/s～100m/s范圍內(nèi)，而且?guī)r屑顆粒的粒徑不一，形狀也不規(guī)則，這對井下作業(yè)的沖蝕十分嚴重。因此，環(huán)空巖屑對鉆桿的沖蝕作用不可忽視。為了有效地減小巖屑沖蝕對鉆柱的損耗，提高鉆柱的使用壽命，研究巖屑的沖蝕磨損機理十分必要。

2 國外現(xiàn)狀

在國外，氣固兩相流的沖蝕研究較多，Edwards et al、Chen et al和Zhang et?al利用計算流體動力學（CFD）軟件，并結(jié)合試驗驗證了沖蝕速率模型的準確性，同時，基于不同的沖蝕模型，研究了固體顆粒對不同結(jié)構(gòu)石油管道彎頭的沖蝕影響。

除此之外，早年，F(xiàn)innie提出了剛性顆粒沖擊塑性材料的微切削理論，此模型較好地闡述了塑性材料在多角形顆粒、低攻角下的沖蝕規(guī)律，其不足之處是不能清晰地解釋有些重要的實驗現(xiàn)象，如高攻角下即近于法向沖擊時塑性材料產(chǎn)生的沖蝕。幾年后，F(xiàn)innie修正了微切削模型，并將其應用于高攻角下塑性材料的沖蝕研究。

后來，Bitter提出了沖蝕的變形磨損理論，其包含兩部分變形，即變形磨損和切削磨損。此外，Bitter以能量守恒為出發(fā)點，通過對沖蝕磨損中顆粒沖入和擠出兩個階段的能量分析，得到了變形磨損量、切削磨損量和總沖蝕量的表達式該理論已得到了實驗驗證，能夠較好地解釋塑性材料的沖蝕現(xiàn)象，但缺乏物理模型的支持。

以上幾種沖蝕磨損理論都假設(shè)顆粒為不變形的剛體，這與實際情況不符。因此Tilly在沖蝕微切削理論的基礎(chǔ)上，考慮到粒子撞擊材料表面時有可能會發(fā)生碎裂，提出了二次沖蝕理論，即包括第一次沖蝕和第二次沖蝕兩部分。同時，他還發(fā)現(xiàn)顆粒的破碎程度與顆粒的速度、沖擊角和粒度有密不可分的關(guān)系。當粒子太小或沖擊速度較小時僅出現(xiàn)一次沖蝕，甚至沒有沖蝕發(fā)生;當粒子足夠大、速度也較大時導致顆粒破碎，從而出現(xiàn)第二次沖蝕。因此，總沖蝕量是兩次沖蝕量之和，其計算公式表示如下：

此外，該理論較為成功地解釋了Finnie理論難以說明的大攻角下出現(xiàn)的沖蝕現(xiàn)象。后來，Jahanmir和Suh提出了磨損剝層理論，研究了粒子沖擊塑性材料表面時其對亞表層應力及空穴成核的影響，并認為沖蝕過程中最大空穴成核區(qū)在攻角15?～20?范圍內(nèi)出現(xiàn)。此外，實驗也證明帶棱角的粒子沖蝕靶材時，最大的沖蝕量經(jīng)常在攻角15?～20?范圍內(nèi)出現(xiàn)，而球形顆粒的最大沖蝕量在 25?～30?范圍內(nèi)出現(xiàn)。

3 國內(nèi)現(xiàn)狀

起初，萬里平等人提出氣體鉆井時環(huán)空氣體攜帶的巖屑對鉆桿的沖蝕會引起鉆具失效，但沒有進一步研究相關(guān)的沖蝕磨損機理。隨后，郭建華通過計算流體動力學（CFD）軟件建立了氣體鉆井時環(huán)空氣固兩相流模型，分析了環(huán)空巖屑對井筒的沖蝕作用，發(fā)現(xiàn)沖蝕最嚴重的位置為井底附近，而井口附近鉆桿的沖蝕磨損更易引起鉆柱失效。后來，林鐵軍等采用計算流體動力學的方法建立圓形規(guī)則井眼、鉆桿居中情況下環(huán)空高速氣體攜巖沖蝕鉆桿的兩相流模型來模擬環(huán)空高速氣流對鉆桿的沖蝕規(guī)律。祝效華等在林鐵軍研究的基礎(chǔ)上，更進一步的考慮了鉆桿偏心、井眼擴大、注氣量變化和不同機械鉆速下環(huán)空巖屑對鉆桿的沖蝕規(guī)律。此外，還計算得到了氣體鉆井中引起鉆具沖蝕的臨界氣體速度。幾年后，黃小兵、董耀文等人認為環(huán)空巖屑的粒徑、密度、硬度和形狀等基本屬性會影響鉆具的沖蝕特性，開發(fā)了氣體鉆井鉆具沖蝕磨損的試驗裝備，并模擬了不同氣體排量、機械鉆速等鉆井工藝參數(shù)，以及不同屬性的巖屑對鉆具的沖蝕磨損。轉(zhuǎn)年，張曉東、賈國超等人在深入研究沖蝕磨損理論的基礎(chǔ)上，提出了適用于氣體鉆井的沖蝕機理，并且分析了巖屑粒徑、形狀、沖擊角度及速度和井內(nèi)溫度等參數(shù)對鉆具沖蝕磨損的影響規(guī)律。

總之，關(guān)于氣體沖蝕的研究，國內(nèi)多停留在計算機模擬和室內(nèi)實驗基礎(chǔ)上，還沒有現(xiàn)場試驗的報道。

4 結(jié)論

綜上所述，沖蝕磨損是一個非常復雜的物理過程，易受到流體速度、材料屬性、巖屑屬性等參數(shù)的影響，故不可能期望通過某一個參數(shù)來表征其所有的過程。此外，沖蝕磨損理論僅能解釋一些基本的現(xiàn)象，且也不十分完善?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外學者基本上仍以試驗為主要手段，然后提出不同的沖蝕模型來研究顆粒對材料的沖蝕影響。因此，我們要在現(xiàn)有數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，借助先進的計算機技術(shù)更加深入的研究油井管柱沖蝕機理，進而探索出切實有效、有針對性的削弱和防治油井管柱沖蝕磨損的方法和措施，改善油井管柱的綜合性能，促進我國石油工業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1]羅整.氣體鉆井巖屑對鉆具和井口設(shè)備沖蝕的數(shù)值仿真與實驗研究[D].成都：西南石油大學，2016.

[2]韓烈祥，孫海芳.氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].鉆采工藝，2008，31（5）：1-5.

[3]Liebhard M，Levy A.The?effect?of?erodent?particle?characteristics?on?the?erosionof?metals[J].Wear，1991，151（2）：381-390.

[4]Finnie?I.Some?reflections?on?the?past?and?future?of?erosion[J].Wear，1995，186（1）：1-10.

作者簡介：

第一作者：王振宇（1990-），畢業(yè)于長江大學?，F(xiàn)從事定向工程師工作。