氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法

劉偉 李黔 程橋 伍賢柱 王明華 張萍唐洪發(fā) 鄭新華 段長(zhǎng)春

1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院 2.西南石油大學(xué) 3.新銳油田技術(shù)服務(wù)有限公司 4.川慶鉆探工程公司5.川慶鉆探工程公司川西鉆探公司 6.中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法

劉偉1李黔2程橋3伍賢柱4王明華5張萍1唐洪發(fā)4鄭新華6段長(zhǎng)春4

1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院 2.西南石油大學(xué) 3.新銳油田技術(shù)服務(wù)有限公司 4.川慶鉆探工程公司5.川慶鉆探工程公司川西鉆探公司 6.中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

氣體鉆井以可壓縮氣基流體作為循環(huán)介質(zhì),環(huán)空流速沿井深分布不均,容易導(dǎo)致下部井段井眼凈化不良、上部井段沖蝕嚴(yán)重等問(wèn)題。因此,有必要對(duì)氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化改善。借助現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué),考慮鉆具偏心、旋轉(zhuǎn)、截面突變等復(fù)雜情況,建立了氣體鉆井的環(huán)空流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析模型,計(jì)算得到了任意井深處環(huán)空多相流動(dòng)規(guī)律,并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析,總結(jié)出了一套全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法,并采用有限體積法對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了數(shù)值評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:井口加載回壓配合井下氣體分流技術(shù)能有效地限制上部井段環(huán)空流速,減少?zèng)_蝕,降低井底壓力和地面注氣壓力,提高下部井段井眼凈化能力和水力能量利用效率,實(shí)現(xiàn)改善全井段環(huán)空流場(chǎng)的目的。

氣體鉆井 環(huán)空流場(chǎng) 數(shù)值分析 流體力學(xué) 回壓 井下氣體分流

0 引言

氣體鉆井技術(shù)以氣基流體作為循環(huán)介質(zhì),能保持鉆進(jìn)過(guò)程處于絕對(duì)欠平衡狀態(tài),提高機(jī)械鉆速,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層[1]。氣基流體在下部井段受壓減速,攜帶巖屑能力弱,在上部井段減壓膨脹,沖蝕作用明顯[2],水力能量利用效率低。因此,有必要對(duì)氣體鉆井環(huán)空速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布進(jìn)行改善。

隨著氣體鉆井技術(shù)的推廣運(yùn)用,國(guó)內(nèi)外加強(qiáng)了對(duì)環(huán)空流體動(dòng)力學(xué)的研究,采用解析法[3-4]和有限體積法[5]對(duì)環(huán)空流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了分析,提出通過(guò)井口加載回壓削弱沖蝕作用[5],通過(guò)井下氣體分流降低井底壓力[6-7]。調(diào)研發(fā)現(xiàn),已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)還沒(méi)有形成一套完整的氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法。因此,基于現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)基本原理,考慮鉆具偏心、旋轉(zhuǎn)、截面突變等復(fù)雜情況,建立模型,對(duì)環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行定量分析,提出了一套全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法,并對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了數(shù)值論證。

1 計(jì)算模型

1.1 基本假設(shè)

1)環(huán)空流動(dòng)為氣固兩相流,兩相間不存在質(zhì)量交換。

2)顆粒直徑沿程保持不變[4]。

1.2 力學(xué)模型

1.2.1 連續(xù)性方程

氣體鉆井環(huán)空氣固兩相間不存在質(zhì)量交換,連續(xù)性方程描述如下:

式中vm為混合速度,m/s;ρm為混合密度,kg/m3。

1.2.2 動(dòng)量方程

系統(tǒng)體積力由重力產(chǎn)生,動(dòng)量方程描述如下:

式中n為相數(shù);μm為混合黏度,kg/(m·s);αk為k相的體積分?jǐn)?shù);g為重力加速度,m/s2;vdr,k為 k相的漂移速度,m/s;p為壓力,Pa;ρk為k相的密度,kg/m3。

1.2.3 能量方程

氣體體積受溫度影響較大,環(huán)空流場(chǎng)評(píng)價(jià)必須考慮能量交換過(guò)程,系統(tǒng)不存在熱源項(xiàng),能量方程簡(jiǎn)化如下:

式中keff為有效熱傳導(dǎo)率,W/(m·k);Ek為第k相流體的能量,J;T為溫度,K。

1.2.4 相對(duì)速度方程

式中vp為顆粒速度,m/s;vq為氣體速度,m/s。

1.2.5 顆粒體積分?jǐn)?shù)方程

式中αp為顆粒體積分?jǐn)?shù);ρq為顆粒密度,kg/m3;vdr,p為漂移速度,m/s。

1.2.6 RNG k—ε湍流方程[5]

氣體鉆井存在流道截面突變、鉆具旋轉(zhuǎn)、偏心等復(fù)雜情況,流體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)漩流。重整化群(RNG k—ε)湍流方程改進(jìn)了ε方程,并為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)解析公式,更加適合對(duì)氣體鉆井環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值評(píng)價(jià)。

1.3 邊界條件

巖屑初始濃度由機(jī)械鉆速確定,物理模型建立過(guò)程中參考坐標(biāo)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,以考慮鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 算例分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

井身結(jié)構(gòu)為`215.9 mm井眼、井深3 400 m、`244.5 mm套管下至 2 400 m、套管內(nèi)徑為 222.4 mm。

鉆具結(jié)構(gòu)為`215.9 mm鉆頭+`158.75 mm鉆鋌(5柱)+`127 mm鉆桿。

巖屑密度為2 600 kg/m3、機(jī)械鉆速為20 m/h、顆粒直徑為3 mm、地溫梯度為2.2°/100 m、轉(zhuǎn)速為60 r/min。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)條件下的環(huán)空流場(chǎng)

采用建立的計(jì)算模型,對(duì)氣體鉆井環(huán)空流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)壓力分布圖可知(圖1),在下部井段(尤其是鉆鋌段)環(huán)空壓力下降較快,鉆鋌段長(zhǎng)度僅占總井深的3.97%,壓降卻達(dá)到了整個(gè)環(huán)空壓降的20.8%。環(huán)空速度場(chǎng)沿井深分布不均,在“關(guān)鍵點(diǎn)”(實(shí)質(zhì)是鉆鋌與鉆桿連接處、存在截面突變那一段)和井底,氣流速度分別為10.01 m/s和11.49 m/s,該處容易出現(xiàn)井眼凈化不良的問(wèn)題。氣體在向上運(yùn)移過(guò)程中,減壓膨脹,到達(dá)井口時(shí),流速達(dá)到71.61 m/s,是“關(guān)鍵點(diǎn)”氣流速度的7.15倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了井眼凈化的要求,夾雜固體顆粒的高速氣流必將對(duì)環(huán)空井壁和鉆具造成沖蝕。

圖1 環(huán)空流場(chǎng)分布圖(出口壓力0.1 MPa)

氣體鉆井速度場(chǎng)沿井深呈現(xiàn)出“上大下小”的特征,提高井眼凈化能力和減小沖蝕作用難以得到同時(shí)滿足,環(huán)空速度場(chǎng)分布有待改善。

取不同注氣量對(duì)氣體鉆井環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明:井底壓力隨注氣量的增加先減后增,存在一個(gè)臨界點(diǎn)(圖2)。計(jì)算條件下,注氣量從97.96 m3/min增加到146.94 m3/min,“關(guān)鍵點(diǎn)”、井底氣體速度僅增加4.4%和4.0%,而井口氣流速度卻增加了近5倍。所以超過(guò)一定值后,繼續(xù)增加注氣量,并不能有效提高下部井段氣流速度,從而提高下部井段井眼凈化能力,反而會(huì)導(dǎo)致上部井段沖蝕嚴(yán)重和水力能量的不必要浪費(fèi)。

圖2 注氣量對(duì)環(huán)空流場(chǎng)的影響圖(出口壓力0.1 MPa)

氣體鉆井環(huán)空速度場(chǎng)沿井深分布不均,地面注氣壓力高,全井段環(huán)空流場(chǎng)還有待改善,以實(shí)現(xiàn)提高機(jī)械鉆速,節(jié)約鉆井成本的目的。

3 氣體鉆井環(huán)空流場(chǎng)改善方法

3.1 全井段環(huán)空流場(chǎng)改善原理

與鉆井液相比,氣基流體具有較大的壓縮性,氣體體積受環(huán)境壓力影響較大,這既是導(dǎo)致環(huán)空速度場(chǎng)分布不均的主要原因,也是環(huán)空流場(chǎng)改善方法的理論依據(jù)。在井口加載一定回壓后,上部井段環(huán)空壓力增加,氣體壓縮,流速降低,削弱了沖蝕作用。下部鉆具組合中配上特別設(shè)計(jì)的井下氣體分流器(DHAD),通過(guò)具有特殊結(jié)構(gòu)、外形和噴射角度的噴嘴,將鉆桿內(nèi)部分氣體直接分流,排入環(huán)空,在環(huán)空分流處形成局部壓降,下部井段環(huán)空壓力降低、氣體膨脹,流速加快,攜帶巖屑能力得以提高,同時(shí)降低注氣壓力,減少壓縮氣體的設(shè)備和燃油消耗,進(jìn)而節(jié)約鉆井成本。氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)改善的基本原理就是利用氣基流體的可壓縮性,通過(guò)改變環(huán)空壓力場(chǎng)分布來(lái)使速度場(chǎng)沿井深分布更加均勻、合理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改善環(huán)空速度場(chǎng)的目的。

3.2 全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法數(shù)值評(píng)價(jià)

采用有限體積法,對(duì)加載不同回壓和通過(guò)井下氣體分流器(DHAD)分流20 m3氣體后全井段環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,以評(píng)價(jià)環(huán)空流場(chǎng)改善方法的可行性。

從井口壓力對(duì)環(huán)空流場(chǎng)的影響曲線(圖3)可以看到,井口壓力從0.1 M Pa增加到0.4 M Pa,井口、“關(guān)鍵點(diǎn)”、井底氣體速度分別減小75%、6.0%、3.8%,井底壓力增加3.99%,井口加載一定回壓后,上部井段環(huán)空流速明顯減小,削弱了夾雜固體顆粒的高速氣流對(duì)環(huán)空井壁和鉆具的沖蝕作用,而井口回壓的增加并不會(huì)明顯影響井底壓力。所以,通過(guò)在井口加載一定回壓,可實(shí)現(xiàn)對(duì)上部井段環(huán)空流場(chǎng)的改善。

圖3 井口壓力環(huán)空流場(chǎng)的影響圖

通過(guò)井下氣體分流器(DHAD)分流20 m3氣體后(圖4),環(huán)空氣體分流處產(chǎn)生了約0.3 M Pa的局部壓降,井底壓力降低了21.2%。下部井段環(huán)空壓力降低,氣體膨脹,流速加快,攜帶巖屑能力得以提升。實(shí)現(xiàn)了改善下部井段環(huán)空流場(chǎng),降低井底壓力和注氣壓力的目的。數(shù)值模擬表明采用全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法可實(shí)現(xiàn)以下目的。

圖4 井下氣體分流對(duì)環(huán)空流場(chǎng)的影響圖

1)不增加注氣量的前提下,提高下部井段井眼凈化能力。

2)降低井底壓力和地面注氣壓力,減少壓縮氣體的設(shè)備,降低燃油消耗。

3)削弱上部井段夾雜固體顆粒的高速氣流對(duì)環(huán)空井壁和鉆具的沖蝕作用。

4 結(jié)論

1)對(duì)氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,指出了環(huán)空流場(chǎng)改善方向。

2)提出了氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法,采用數(shù)值方法證明了該方法的可行性。

3)井口加載回壓配合井下氣體分流技術(shù)能有效提高下部井段井眼凈化能力,削弱對(duì)上部井段沖蝕作用,減小注氣壓力,降低注氣成本。

[1]馬光長(zhǎng),杜良民.空氣鉆井技術(shù)及其應(yīng)用[J].鉆采工藝, 2004,27(3):4-8.

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Methods of im proving the whole annulus flow field dur ing gas drilling

Liu Wei1,Li Qian2,Cheng Qiao3,W u Xianzhu4,Wang M inghua5,Zhang Ping1,Tang Hongfa4,Zheng Xinhua6,Duan Changchun4
(1.D rilling&Production Engineering Technology Research Institute,Chuanqing D rilling Engineering Co., L td.,CN PC,Guanghan,Sichuan 618300,China;2.Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;3.X inrui Oilf ield Technology Service Com pany,L td.,X i’an,Shaanxi 710018,China;4. Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan 610051,China;5.Chuanxi D rilling Com pany,Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan 610051,China;6.Research Institute of Exp loration and Development,Tarim Oilfield Com pany,PetroChina,Kuerle,Xinjiang 841000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 7,pp.52-54,7/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Comp ressible gas-base fluids are used as the circulating media during gas drilling.The annulus flow rate is unevenly distributed along the well dep th,w hich w ill easily result in many p roblems such as poo r well cleaning at the bottom section and serious flush at the upper section.Therefo re it is a requisite to imp rove the annulus flow field along the w hole well.Based on the modern computational fluid dynamics,w ith the string eccentricity,rotation,sharp change in cross area considered,a numerical analysis model fo r annulus fluid dynamicsof gas drilling is set up.Themulti-phase flow rules at any dep th can then be obtained.The affecting factorsare also studied to get a setof methods to imp rove the annulus flow field along the w hole well.The limited volumemethod is also used to evaluate the feasibility of thismethod.It show s that adding back p ressure atwellhead and gas diverting dow nhole can effectively limit the annulus flow rate at the upper section to reduce flushing and decrease bo th bo ttomhole p ressure and gas injection p ressure at the surface,so the well cleaning at the bottom section can be imp roved and the hydraulic power can be more effectively used.Thus,the w hole annulus flow field is then really imp roved.

gas drilling,annulus flow field,numerical analysis,fluid dynamics,back p ressure,dow nhole gas diverting

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“氣體鉆井技術(shù)與裝備”(編號(hào):2006AA 06A 103)。

劉偉,1982年生,工程師,碩士;2005年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè);從事鉆井技術(shù)服務(wù)和研究工作。地址: (618300)四川省廣漢市中山大道南二段88號(hào)。電話:13778216330。E-mail:liuwei2606642@163.com

劉偉等.氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法.天然氣工業(yè),2010,30(7):52-54.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.014

2010-05-01 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.014

L iu Wei,engineer,bo rn in 1982,holds an M.Sc.degree,being engaged in drilling technology research and technical service.

Add:No.88,South Sec.2,Zhongshan Rd.,Guanghan,Sichuan 618300,P.R.China

Mobile:+86-13778216330E-mail:liuwei2606642@163.com