劉宇涵 鐘瀚宇 李野松 楊普
摘要:為探究影響水平井片狀巖屑運移效率相關(guān)因素的影響效果,本研究參考邊界層繞流理論和解析運移模型,確定鉆井液排量、鉆桿轉(zhuǎn)速、環(huán)空偏心度等作為對運移效率具有顯著影響的工況因素,并選取參數(shù)范圍,使用巖屑運移實驗裝置開展了水平井片狀巖屑運移模擬實驗。基于水平環(huán)空巖屑運移分層模型理論,研究巖屑受力、運移方式和影響因素交互影響,進而找出各因素的影響作用以及各因素之間的交互作用。
關(guān)鍵詞:水平井;片狀巖屑運移;分層模型;方差分析
1引言
1.1研究背景
近年來,由于水平井、大位移井可以較大限度地增大儲層泄油面積,提高油氣采收率,因此在海洋、深部地層以及非常規(guī)油氣藏的開發(fā)中越來越多地采用水平井的開采方式,但在鉆井過程中出現(xiàn)的巖屑沉積、巖屑運移效率低等問題也非常明顯[1]。巖屑受重力作用沉積到底部形成巖屑床,對生產(chǎn)造成安全隱患。
本課題基于流體流動攜巖模型,通過對片狀巖屑懸浮、滾動、階躍運動的臨界條件進行分析,將鉆桿轉(zhuǎn)速、排量、偏心度三個因素作為實驗變量,采用片狀巖屑和長水平模擬井筒模擬真實情況下的巖屑運移過程,結(jié)合回歸分析和含有交互項的雙因素方差分析方法,研究實驗變量對巖屑運移效率的影響效果,為提高巖屑運移效率提供理論依據(jù)。
2巖屑運移受力分析
片狀巖屑主要受到液流推動力、摩擦力;重力、浮力和支撐力,以巖屑運移的三種模式[2]進行具體分析。
(1)懸浮
懸浮是片狀巖屑運動的方式之一,引起懸浮的主要因素是紊動作用。片狀巖屑輸送量可間接代表其運移速度,流量越大,巖屑輸送量也越多。懸浮巖屑在沉降過程中被渦流帶回上層,沉降速度變慢。
(2)滾動
位于巖屑床表面的片狀巖屑,當(dāng)氣液流推動力大于片狀巖屑所受摩擦力時,由于巖屑床表面的粗糙度較高,會形成滾動。
(3)躍移
在水平井段中,重力是構(gòu)成水平摩擦阻力的主要作用力,施加在片狀巖屑上的動力主要為氣液兩相的阻力,當(dāng)發(fā)生躍移時,片狀巖屑將不落回巖屑床表面而保持振蕩懸浮運移狀態(tài)。
經(jīng)以上分析,發(fā)現(xiàn)影響巖屑運移的主要因素有鉆桿轉(zhuǎn)速、排量、偏心度等,本實驗選取此三種變量進行巖屑運移模擬實驗,觀測并驗證巖屑運移狀態(tài),進一步研究各影響因素的作用效果以及因素間的交互作用。
3巖屑運移狀態(tài)
通過模擬現(xiàn)場實驗,再結(jié)合巖屑運移模型,發(fā)現(xiàn)隨著鉆井液流速增大,有如下巖屑運移狀態(tài):
(1)靜止巖屑床
流速較低時,拖曳力和舉升力影響很小,片狀巖屑在重力影響下沉降堆積,形成巖屑床,此時片狀巖屑基本靜止于巖屑床面。
(2)移動、靜止巖屑床
當(dāng)流速增加至一定程度,床面片狀巖屑就開始向前運移,巖屑之間碰撞躍移上升后又掉落至床面,啟動速度較大的片狀巖屑還可能再次反彈[4]。
(3)巖屑懸浮、移動和靜止巖屑床
流速進一步增加,片狀巖屑浮重與渦旋效應(yīng)較弱,躍移片狀巖屑將不落回巖屑床表面而保持振蕩懸浮運移狀態(tài),此時既存在懸浮層,又存在移動和靜止巖屑床[5],巖屑懸浮層的存在有利于巖屑運移。
(4)巖屑懸浮、移動巖屑床
流速增至足以將移動巖屑床舉升至主流區(qū),鉆井液不斷驅(qū)使靜止巖屑床開始向前運移,直至靜止巖屑床全部消失,僅剩懸浮層和移動巖屑床[4]。
(5)非均勻懸浮
當(dāng)流速繼續(xù)增大,巖屑所受拖曳力開始占主導(dǎo)作用,此時巖屑所受的上舉力也逐漸增大,巖屑從沉積狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼腋顟B(tài),此時巖屑全部懸浮于環(huán)空,且下部的巖屑濃度明顯高于上部[6]。
(6)均勻懸浮運移模型
在足夠高的剪切速率下,鉆井液紊流流動,巖屑沉降速度較小起主導(dǎo)作用的拖曳力驅(qū)動巖屑隨液相一起流動,固液兩相間不存在滑脫,整體呈現(xiàn)為均勻的懸浮流動狀態(tài)[6]。
4巖屑運移模擬實驗
4.1實驗裝置
本實驗依據(jù)實際水平井的結(jié)構(gòu)情況,設(shè)計并組裝了一套長度為20.8m,環(huán)空內(nèi)徑220mm、鉆具外徑127mm、鉆頭及鉆具連接處外徑170mm的可視化水平環(huán)空巖屑運移模擬裝置。
為與實際鉆井情況一致,所用巖屑為片狀巖屑;考慮實驗的可視化及設(shè)備使用等原因,使用清水模擬鉆井液。
4.2實驗參數(shù)確定
在水平段鉆進過程中,影響巖屑運移且模擬實驗調(diào)節(jié)的參數(shù)主要包括:鉆井液排量、環(huán)空偏心度、鉆桿轉(zhuǎn)速等。實驗參數(shù)范圍如表 4 1所示:
5實驗分析
下面以鉆井液排量、鉆具轉(zhuǎn)速和環(huán)空偏心度作為因素展開雙因素方差分析,過程中采用Python statsmodels函數(shù)庫編程計算。
5.1等重復(fù)試驗的雙因素方差分析
構(gòu)建的雙因素方差分析模型,對模型假設(shè)進行檢驗并導(dǎo)出檢驗統(tǒng)計量,根據(jù)檢驗量展開檢驗分析交互效應(yīng)是否顯著[7]。
在控制鉆桿轉(zhuǎn)速10r/min的情況下,進行排量與偏心度的正交試驗,測量巖屑運移出井筒所需時間,正交試驗表如圖5-1所示。
利用結(jié)果進行方差分析,如表5-2所示:
表中x1和x2分別表示排量和偏心度,在顯著性水平為0.05的情況下,當(dāng)時,可認(rèn)為該因素對指標(biāo)的影響顯著,從分差分析結(jié)果,可知偏心度和排量的交互效應(yīng)顯著。因此,在實際應(yīng)用中,選取適當(dāng)偏心度和排量的組合將提升巖屑運移效率。
6結(jié)論
通過理論分析,并結(jié)合巖屑運移模擬實驗及數(shù)據(jù)分析,得到如下結(jié)論:
(1)排量和轉(zhuǎn)速的增加提高了巖屑運移效率,而偏心度的增加降低了巖屑運移效率;
(2)提高鉆桿轉(zhuǎn)速和減小環(huán)空偏心度主要是通過減少巖屑沉積,增大懸浮層濃度,從而加速巖屑的運移;
(3)偏心度和排量二者的交互作用對提升巖屑運移效率較為顯著,且交互影響效果強于排量影響效果,弱于偏心度影響效果。
參考文獻
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[3]魏納,劉洋,崔振軍,江林,李海濤,徐漢明.海洋天然氣水合物層鉆水平井不同擴徑方式攜巖能力圖版[J].石油鉆采工藝,2019,第41卷(4):435-440
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課題:水平井片狀巖屑高效清除實驗 (課題編號:2020KSZ01050)