大位移井不同井斜角度下巖屑運(yùn)移規(guī)律研究

韓雪瑩

（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

近年來，巖屑在大位移井中運(yùn)移規(guī)律的研究內(nèi)容備受關(guān)注，由于大位移井不同井段的類型、角度存在差異，所以巖屑運(yùn)移規(guī)律不能一概而論。要想得出全面、準(zhǔn)確的研究結(jié)論，務(wù)必通過模型分析法全面分析大位移井巖屑運(yùn)移情況，以便為大位移井日后的技術(shù)應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)，大大提高巖屑分布特性的參考價(jià)值?？梢姡@一論題具有探究性意義和現(xiàn)實(shí)性意義，論題內(nèi)容概述如下。

1 巖屑層形成機(jī)制

鉆頭下鉆處理期間，巖層碎屑隨之出現(xiàn)，這是巖屑層形成的主要原因[1]。巖屑向外輸運(yùn)的過程中，常因巖屑體積不規(guī)則，導(dǎo)致碎屑在井口大量堆積，隨著時間積累，發(fā)育成巖屑床。巖屑層一旦出現(xiàn)，則巖屑會在外力、自身重力等因素影響下滑落、堆積，最終影響鉆井速度，以及井下物質(zhì)開采量。一般來說，巖屑濃度越高，巖屑床厚度越高，進(jìn)而傾斜角度隨之增大，對礦井開采效率、運(yùn)送速度、鉆井液密度會產(chǎn)生負(fù)面影響。

2 大位移井幾何模型的建立

隨著油氣田開發(fā)活動大范圍開展，大位移井應(yīng)用頻次相應(yīng)增多。然而大位移井方法投用期間，受不同井斜角度影響，會影響巖屑運(yùn)移量及運(yùn)移速度。考慮到井下環(huán)節(jié)復(fù)雜、多變，憑借傳統(tǒng)的人為方式難以準(zhǔn)確歸納巖屑運(yùn)移規(guī)律，所以幾何模型的構(gòu)建具有迫切性和必要性[2]。具體來說，利用結(jié)構(gòu)化多面體網(wǎng)格單元劃分網(wǎng)格，以便滿足差異化井斜角度（30°、45°、65°）下幾何模型的構(gòu)建，及其在巖屑運(yùn)移規(guī)律分析中應(yīng)用，為幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型建立提供價(jià)值化數(shù)據(jù)。在此之前，以相關(guān)資料查閱、現(xiàn)場考察等形式深入研究井筒內(nèi)部參數(shù)，如壓力、排量、液體當(dāng)量密度的變化情況，為巖屑在不同井斜角條件下運(yùn)移規(guī)律對比奠定基礎(chǔ)。

井斜角度影響巖屑運(yùn)移，一般來說，小于30°井斜角直井段形成巖屑床的可能性較小?？陀^總結(jié)大位移井不同井斜角度下巖屑運(yùn)移規(guī)律時，基于同心工況條件，比較不同井斜角巖屑分布情況。在此期間，會用到基本方程、巖屑擴(kuò)散方程，經(jīng)相應(yīng)公式代入客觀獲得巖屑運(yùn)移規(guī)律，具體內(nèi)容分析如下。

3 大位移井不同井斜角度下巖屑運(yùn)移規(guī)律分析

3.1 縱向截面速度場

觀察位移井中心處不同井斜角截面巖屑速度變化情況，低井斜角度對應(yīng)高環(huán)空氣流、高巖屑運(yùn)移速度，相反，高井斜角度對應(yīng)低環(huán)空氣流、低巖屑運(yùn)移速度。環(huán)空反速條件下，靜止巖屑層、移動運(yùn)移層、懸浮運(yùn)移層由下到上形成，基于此，構(gòu)建相應(yīng)的巖屑運(yùn)移模型，如果環(huán)空存在穩(wěn)態(tài)固液兩項(xiàng)非壓縮流體，且物質(zhì)連續(xù)，三層巖屑體積濃度約50%，鉆桿靜置。此時，運(yùn)用連續(xù)性方程進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

其中，M、N、S 分別代表面積、巖屑濃度、速度；sd、mb 代表懸浮層、移動層；Msd代表面積懸浮層、Nsd巖屑濃度懸浮層、Ssd速度懸浮層；Mmb代表面積移動層、Nmb巖屑濃度移動層、Smb速度移動層；τ 表示應(yīng)力；s 表示濕周。傾斜角度產(chǎn)生后，環(huán)空氣流速度變化具有對稱性，受重力影響，巖屑運(yùn)移方向靠近低速區(qū)。

3.2 軸向截面速度場

井斜角由30°增加到45°，再到65°，巖屑床厚度明顯增加，致使鉆井液垂直向上的分量由多到少[3]。環(huán)空返速情況下，井斜角一旦改變，會明顯作用于環(huán)空返速較小時巖屑床厚度，相對來說，環(huán)空返速較高時，對巖屑床厚度影響較弱（如表1）。巖屑厚度與層流流型、紊流流型分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，環(huán)空返速與紊流標(biāo)準(zhǔn)一致，返速提高后，泥漿摩擦力和阻力相應(yīng)增大，這種情況下巖屑顆粒隨之流動，巖屑層厚度相應(yīng)減小。壓降減小率＞泥漿流動摩擦力增加率，環(huán)空總壓明顯降低，但并不是一直降低，當(dāng)巖屑運(yùn)動摩擦阻力減小率＜泥漿流動摩擦阻力增加率，環(huán)空降壓隨之增加，巖床高度、厚度減少到最小，則巖床不存在。環(huán)空斷面巖屑均勻分布，混流體與純流體的壓降值大致相同，隨環(huán)空返速增加相應(yīng)升高，其中，極小值的環(huán)空返速為臨界環(huán)空返速。

表1 不同結(jié)構(gòu)軸向截面速度對比

3.3 比較井深方向巖屑速度

比較30°、45°、65°井斜角度工況下巖屑井深速度，得知傾斜前部分井斜角變化對巖屑運(yùn)移速度影響較小，傾斜后部分井斜角變化后，巖屑速度隨之改變（如表2）。

表2 不同結(jié)構(gòu)巖屑沿井深高度速度對比

巖床順著井壁方向的重力分量同井壁與巖屑床的摩擦力增大，一定程度上減慢了攜巖運(yùn)動速度，主要原因是井斜角度擴(kuò)大。環(huán)空返速條件下，運(yùn)動床面積與井斜角成正相關(guān)，即運(yùn)動床面積增大，井斜角隨之?dāng)U大。對于靜止床來說，水平段巖床面積與井斜角呈反比，即井斜角增大，則巖床面積減小。井斜角65°時，巖床面積最大，當(dāng)井斜角小于65°，巖床面積以較快速度減小；井斜角30°時，巖床面積最小。環(huán)空返速條件變化時，近水平井段重力壓力梯度以較小幅度變化，并呈遞增趨勢，井斜角小于65°后呈遞減趨勢。具體如圖1 所示。

圖1 不同井斜角度下巖屑運(yùn)移規(guī)律

3.4 CDF-DEM 方法模擬傾斜井段巖屑運(yùn)移規(guī)律

鉆井液、巖屑運(yùn)移情況模擬的傳統(tǒng)方法，即構(gòu)建液固兩項(xiàng)歐拉-歐拉雙流體模型，這一方法未全面考慮細(xì)小巖屑流動細(xì)微流動情況。從實(shí)用性角度來看，運(yùn)用CDF-DEM 方法模擬傾斜井段巖屑運(yùn)移情況，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法片面呈現(xiàn)模擬圖像的不足，進(jìn)而全面、直觀呈現(xiàn)巖屑運(yùn)移規(guī)律，使油田勘探開發(fā)作業(yè)精準(zhǔn)化開展，盡可能增加產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。方法實(shí)踐階段，基于Lagrange 坐標(biāo)獲得離散運(yùn)動軌跡，基于Euler 坐標(biāo)得知液相運(yùn)動情況，分別求解。為客觀總結(jié)顆粒、井壁、鉆桿壁的碰撞運(yùn)動規(guī)律，以及巖屑不同狀態(tài)下的變化規(guī)律，通過構(gòu)建軟球模型比較模擬情況下巖屑濃度值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值，根據(jù)對比結(jié)果判定CDF-DEM 方法是否具有可靠性。

由于工況參數(shù)多樣變化，所以巖屑運(yùn)移現(xiàn)象不盡相同。以巖屑運(yùn)移影響因素為切入點(diǎn)，經(jīng)總結(jié)發(fā)現(xiàn)：隨著轉(zhuǎn)速加快，液體周圍抬升力量隨之增強(qiáng)，意味著懸浮能力在原有基礎(chǔ)上提升，在這一活動中，巖屑床受到外力沖擊，不同程度上阻礙巖屑堆積進(jìn)程，進(jìn)而減少巖屑床厚度。鉆桿偏心度在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)大，鉆桿環(huán)空間距減小，當(dāng)流動速度減慢，顆粒溫度由高向低過渡，導(dǎo)致鉆桿底層出現(xiàn)大量集聚現(xiàn)象。流動速度逐漸加快，巖屑床軸向助推力量明顯加劇，同時，環(huán)空內(nèi)流核區(qū)面積范圍相應(yīng)擴(kuò)大，說明巖屑顆粒以較快速度運(yùn)輸。CDF-DEM 方法在不同操作環(huán)境中有較強(qiáng)適應(yīng)性，當(dāng)液流變性在巖屑運(yùn)移中產(chǎn)生影響，這與井筒內(nèi)液固兩相流動狀態(tài)相近，能為鉆井實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

4 巖屑管理的有效措施

了解大位移井不同井斜角度下巖屑運(yùn)移規(guī)律后，應(yīng)掌握巖屑科學(xué)化管理措施，盡最大可能控制巖屑運(yùn)移環(huán)節(jié)的負(fù)面因素，從整體上提高巖屑運(yùn)移效率。如果巖屑運(yùn)移速度過快，順利的情況下能夠縮短碎屑移送時間，一旦礦井內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，則會出現(xiàn)碎屑大量滑落現(xiàn)象，并且?guī)r屑床完整性會受到破壞。巖屑上返期間，務(wù)必客觀、全面分析礦井環(huán)境，提供適宜的移送工具，同時，做好過程監(jiān)督與管理，盡可能減少碎屑掉落現(xiàn)象。最為關(guān)鍵的是，相關(guān)技術(shù)人員靈活運(yùn)用錄井技術(shù)，據(jù)此精準(zhǔn)測量巖屑體積、獲取巖層信息，為巖屑管理方法制定提供可靠的技術(shù)支持[4]?；趲r屑體積測量的實(shí)際需求，針對性處理環(huán)空巖屑，同時做好記錄，為巖屑地質(zhì)地貌研究提供理論指導(dǎo)。考慮地質(zhì)斷層情況，盡可能減少巖屑體積測量誤差，據(jù)此獲得真實(shí)的地質(zhì)信息，確保巖屑管理工作高效開展。此外，三維解剖模擬圖常態(tài)構(gòu)建，據(jù)此追蹤鉆探鉆頭方向，通過運(yùn)動軌跡對比，及時矯正偏差，大大提高巖屑管理有效性?？梢?，這既能提高錄井技術(shù)實(shí)用性，又能順利完成巖屑管理目標(biāo)，推動油田開發(fā)活動順利進(jìn)行。

綜上所述，大位移井方法廣泛用于油田勘探，要求勘探人員客觀總結(jié)不同井斜角度下巖屑運(yùn)移規(guī)律。為直觀、具體了解巖屑運(yùn)移情況，基于幾何模型掌握縱向截面速度場、軸向截面速度場，并比較井深方向巖屑速度。當(dāng)理論內(nèi)容掌握后，為巖屑管理提供思路指導(dǎo)，進(jìn)而適時改進(jìn)巖屑管理方法，從整體上提高油田勘探有效性，推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)和國家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健發(fā)展。此外，這能為日后巖屑運(yùn)移規(guī)律總結(jié)奠定基礎(chǔ)，取得井眼清潔的理想效果。