氣體鉆井全井段環空流場改善方法

摘 要

摘要：氣體鉆井以可壓縮氣基流體作為循環介質，環空流速沿井深分布不均，容易導致下部井段井眼凈化不良、上部井段沖蝕嚴重等問題。因此，有必要對氣體鉆井全井段環空流場進行優化改
摘要：氣體鉆井以可壓縮氣基流體作為循環介質，環空流速沿井深分布不均，容易導致下部井段井眼凈化不良、上部井段沖蝕嚴重等問題。因此，有必要對氣體鉆井全井段環空流場進行優化改善。借助現代計算流體力學，考慮鉆具偏心、旋轉、截面突變等復雜情況，建立了氣體鉆井的環空流體動力學數值分析模型，計算得到了任意井深處環空多相流動規律，并對其影響因素進行了分析，總結出了一套全井段環空流場改善方法，并采用有限體積法對該方法的可行性進行了數值評價。結果表明：井口加載回壓配合井下氣體分流技術能有效地限制上部井段環空流速，減少沖蝕，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，實現改善全井段環空流場的目的。
關鍵詞：氣體鉆井；環空流場；數值分析；流體力學；回壓；井下氣體分流
0 引言
    氣體鉆井技術以氣基流體作為循環介質，能保持鉆進過程處于絕對欠平衡狀態，提高機械鉆速，及時發現和保護油氣層[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，有必要對氣體鉆井環空速度場、壓力場、濃度場分布進行改善。
    隨著氣體鉆井技術的推廣運用，國內外加強了對環空流體動力學的研究，采用解析法[3～4]和有限體積法[5]對環空流場分布規律進行了分析，提出通過井口加載回壓削弱沖蝕作用[5]，通過井下氣體分流降低井底壓力[6～7]。調研發現，已公開發表的文獻還沒有形成一套完整的氣體鉆井全井段環空流場改善方法。因此，基于現代計算流體力學基本原理，考慮鉆具偏心、旋轉、截面突變等復雜情況，建立模型，對環空流場進行定量分析，提出了一套全井段環空流場改善方法，并對該方法的可行性進行了數值論證。
1 計算模型
1.1 基本假設
    1) 環空流動為氣固兩相流，兩相間不存在質量交換。
    2) 顆粒直徑沿程保持不變[4]。
1.2 力學模型
1.2.1連續性方程
氣體鉆井環空氣固兩相間不存在質量交換，連續性方程描述如下：
 
式中vm為混合速度，m/s；ρm為混合密度，kg/m3。
1.2.2動量方程
    系統體積力由重力產生，動量方程描述如下：
 
式中n為相數；μm為混合黏度，kg/(m·s)；αk為k相的體積分數；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，環空流場評價必須考慮能量交換過程，系統不存在熱源項，能量方程簡化如下：
 
式中keff為有效熱傳導率，W/(m·k)；Ek為第k相流體的能量，J；T為溫度，K。
1.2.4相對速度方程
   vqp=vp-vq    (4)
式中vp為顆粒速度，m/s；vq為氣體速度，m/s。
1.2.5顆粒體積分數方程
   
式中αp為顆粒體積分數；ρq為顆粒密度，kg/m3；vdr,p為漂移速度，m/s。
1.2.6 RNGk-ε湍流方程[5]
   氣體鉆井存在流道截面突變、鉆具旋轉、偏心等復雜情況，流體運動時會出現強漩流。重整化群(RNGk-ε)湍流方程改進了ε方程，并為湍流Prandtl數提供了一個解析公式，更加適合對氣體鉆井環空流場進行數值評價。
1.3 邊界條件
    巖屑初始濃度由機械鉆速確定，物理模型建立過程中參考坐標采用旋轉坐標系，以考慮鉆具的轉動。
2 算例分析
2.1 計算參數
    井身結構為Φ215.9mm井眼、井深3400m、Φ244.5mm套管下至2400m、套管內徑為222.4mm。
   鉆具結構為Φ215.9mm鉆頭+Φ158.75mm鉆鋌(5柱)+ Φ127mm鉆桿。
    巖屑密度為2600kg/m3、機械鉆速為20m/h、顆粒直徑為3 mm、地溫梯度為2.2°/100m、轉速為60r/min。
2.2 設計參數條件下的環空流場
    采用建立的計算模型，對氣體鉆井環空流體動力學進行了數值模擬。根據壓力分布圖可知(圖1)，在下部井段(尤其是鉆鋌段)環空壓力下降較快，鉆鋌段長度僅占總井深的3.97%，壓降卻達到了整個環空壓降的20.8%。環空速度場沿井深分布不均，在“關鍵點”(實質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10.01m/s和11.49m/s，該處容易出現井眼凈化不良的問題。氣體在向上運移過程中，減壓膨脹，到達井口時，流速達到71.61m/s，是“關鍵點”氣流速度的7.15倍，遠遠超出了井眼凈化的要求，夾雜固體顆粒的高速氣流必將對環空井壁和鉆具造成沖蝕。
    氣體鉆井速度場沿井深呈現出“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滿足，環空速度場分布有待改善。
    取不同注氣量對氣體鉆井環空流場進行了數值模擬，結果表明：井底壓力隨注氣量的增加先減后增，存在一個臨界點(圖2)。計算條件下，注氣量從97.96m3/min增加到146.94m3/min，“關鍵點”、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。所以超過一定值后，繼續增加注氣量，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，反而會導致上部井段沖蝕嚴重和水力能量的不必要浪費。
 

    氣體鉆井環空速度場沿井深分布不均，地面注氣壓力高，全井段環空流場還有待改善，以實現提高機械鉆速，節約鉆井成本的目的。
3 氣體鉆井環空流場改善方法
3.1 全井段環空流場改善原理
    與鉆井液相比，氣基流體具有較大的壓縮性，氣體體積受環境壓力影響較大，這既是導致環空速度場分布不均的主要原因，也是環空流場改善方法的理論依據。在井口加載一定回壓后，上部井段環空壓力增加，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計的井下氣體分流器(DHAD)，通過具有特殊結構、外形和噴射角度的噴嘴，將鉆桿內部分氣體直接分流，排入環空，在環空分流處形成局部壓降，下部井段環空壓力降低、氣體膨脹，流速加快，攜帶巖屑能力得以提高，同時降低注氣壓力，減少壓縮氣體的設備和燃油消耗，進而節約鉆井成本。氣體鉆井全井段環空流場改善的基本原理就是利用氣基流體的可壓縮性，通過改變環空壓力場分布來使速度場沿井深分布更加均勻、合理，進而實現改善環空速度場的目的。
3.2 全井段環空流場改善方法數值評價
    采用有限體積法，對加載不同回壓和通過井下氣體分流器(DHAD)分流20m3氣體后全井段環空流場進行了數值模擬，以評價環空流場改善方法的可行性。
    從井口壓力對環空流場的影響曲線(圖3)可以看到，井口壓力從0.1MPa增加到0.4MPa，井口、“關鍵點”、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，上部井段環空流速明顯減小，削弱了夾雜固體顆粒的高速氣流對環空井壁和鉆具的沖蝕作用，而井口回壓的增加并不會明顯影響井底壓力。所以，通過在井口加載一定回壓，可實現對上部井段環空流場的改善。
 

    通過井下氣體分流器(DHAD)分流20m3氣體后(圖4)，環空氣體分流處產生了約0.3MPa的局部壓降，井底壓力降低了21.2%。下部井段環空壓力降低，氣體膨脹，流速加快，攜帶巖屑能力得以提升。實現了改善下部井段環空流場，降低井底壓力和注氣壓力的目的。數值模擬表明采用全井段環空流場改善方法可實現以下目的。
 

    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環空井壁和鉆具的沖蝕作用。
4 結論
    1) 對氣體鉆井全井段環空流場進行了數值模擬，指出了環空流場改善方向。
    2) 提出了氣體鉆井全井段環空流場改善方法，采用數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能有效提高下部井段井眼凈化能力，削弱對上部井段沖蝕作用，減小注氣壓力，降低注氣成本。
參考文獻
[1] 馬光長，杜良民.空氣鉆井技術及其應用[J].鉆采工藝，2004，27(3)：4-8.
[2] 李愛軍.空氣(霧化)鉆井氣液固多相流模擬與分析研究[J].西部探礦工程，1997，9(3)：5-9.
[3] 蘇義腦，周川.空氣鉆井工作特性分析與工藝參數的選擇研究[J].石油勘探與開發，2005，32(2)：86-90.
[4] 王延民，孟英峰，李皋，等.超深井氣體鉆井環空流動研究[J].鉆采工藝，2008，31(5)：10-12.
[5] 郭建華，余朝毅，李黔，等，氣體鉆井井簡沖蝕作用定量分析及控制方法[J].石油學報，2007，28(6)：129-132.
[6] 邵長明，嚴新新.氣體鉆井技術的改進[J].國外油田工程，2007，23(7)：28-32.
[7] MELLOTT J.Technological improvements in wells drilled with a pneumatic fluid[C]∥IADC/SPE Conference，21-23 February 2006，Miami，Florida，USA.SPE，2006：SPE 99162.
 
(本文作者：劉偉1 李黔2 程橋3 伍賢柱4 王明華5 張萍1 唐洪發4 鄭新華6 段長春4 1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術研究院；2.西南石油大學；3.新銳油田技術服務有限公司；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.中國石油塔里木油田公司勘探開發研究院)