非直井气体钻井岩屑起动的临界流速

邵帅，孟庆双，孙晓峰，王克林，栾石柱

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2.中国石油集团大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆 163318）

非直井气体钻井岩屑起动的临界流速

邵帅1，孟庆双2，孙晓峰1，王克林1，栾石柱1

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2.中国石油集团大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆 163318）

注气量作为气体钻井的关键参数，直接关系到现场钻井的成败。目前用于气体钻井的注气量计算方法均是基于垂直井眼得到的，对于水平井、大斜度井的情况并不适用，从而给气体钻井在水平井、大斜度井的应用造成很大困难。在分析岩屑颗粒运动方式的基础上，假设岩屑颗粒沉积在下井壁，注入气体后对岩屑颗粒进行受力分析，得到不同井斜角情况下岩屑颗粒起动所需的临界流速模型。以此速度作为气体的最小流速，从而得到最小注气量。分析认为，在井斜角为60～70°的情况下，岩屑颗粒起动所需气体速度最大；大粒径岩屑对注气量要求很高，实际钻井过程中应采用适当方法减少大粒径岩屑的数量。

水平井；大斜度井；气体钻井；临界流速；注气量

气体钻井凭借其油气层保护功能以及钻速高、环保性好等优点成为油气田开发的主要技术之一[1-4]。注气量是气体钻井的关键参数。注气量不足会导致岩屑滞留在井筒内，产生摩阻增大甚至卡钻现象；注气量过高则对设备的要求相应提高，且会造成钻具严重冲蚀，缩短钻具使用寿命[5-6]:因此，选择合理的最小注气量尤为重要。

目前常用的注气量计算方法主要有最小动能法和最小速度法，但这2种方法均是基于垂直井情况得到的，特别是最为常用的最小动能法，使用的是一种半经验方法[7-9]，这就导致应用于水平井、大斜度井等非直井时会产生较大误差。本文通过分析水平井、大斜度井钻井条件下岩屑颗粒的运动情况，建立了岩屑颗粒起动所需的临界流速模型，为水平井、大斜度井最小注气量的计算提供了可靠依据。

1 非直井段岩屑颗粒的运移方式

气体钻井过程中，岩屑在水平、大斜度井段的运移可分为蠕移、跃移和悬浮3种方式[10-11]。从岩屑颗粒的粒度分布来看[12]，这3种运移方式在水平、大斜度井段同时存在。由于井筒环空狭长的结构及较高的气体流速导致岩屑颗粒极易与井壁、钻具发生碰撞，岩屑很少产生悬浮运动，且岩屑颗粒发生碰撞后破碎，导致大粒径岩屑较少，从而蠕移运动也较少发生，因此，在非直井段，跃移是岩屑颗粒的主要运移方式。

在水平或大斜度井段，由于气体流动方向与岩屑的重力方向不在同一条直线上，很难对岩屑颗粒的运动进行定量描述，也就无法给出准确的注气量。本文首先假设岩屑颗粒沉降在下井壁，然后注入气体使其向井口方向运动，定义使岩屑颗粒起动的最小气体速度为岩屑起动的临界流速。由于岩屑颗粒的主要运移方式是跃移，则可认为能被气体起动的岩屑能够被气体带出井筒，因此，以临界流速作为气体的最小速度，从而确定这类非直井钻井所需的最小注气量。

2 临界流速模型的建立

为研究岩屑颗粒的起动过程，引入沉陷度的定义[13]。在假设岩屑颗粒为球形的条件下，沉陷度为所研究颗粒的最低点与其相邻下游颗粒接触点之间的垂直距离。无因次沉陷度计算公式为

式中:E为沉陷度，m；r为颗粒半径，m。

岩屑颗粒可能完全被其他颗粒所掩盖，也有可能位于前后颗粒的顶部，一般颗粒的位置介于2种情况之间。通过分析可知[14]，E’min=0.134，E’max=1.000。

在水平或大斜度井段，假设岩屑颗粒为球形，所有岩屑颗粒的粒径一致，岩屑首先沉降在下井壁，然后注入气体。对单颗粒进行受力分析（见图1），岩屑颗粒受力主要有浮重Fw、气体的流动推力Fd、周围颗粒对它的上举力以及颗粒之间碰撞产生的冲击力。在颗粒较小的情况下，上举力可以忽略[15]；由于岩屑在环空内的体积分数很低，冲击力也可忽略。井斜角α取值范围为0～90°，当井斜角为90°时，即为水平井段。

式中:d为岩屑颗粒直径，m；ρs为岩屑颗粒真实密度，kg/m3；ρ为气体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；u为气体瞬时速度，m/s；CD为阻力系数，由于在气体钻井条件下，压差阻力占主导地位，取CD=0.44。

图1 颗粒受力分析

浮重、气体流动推力的力臂Lw，Ld分别为

在气流作用下，颗粒要发生滚动必须满足力矩平衡条件:FdLd＞FwLw。

整理得:

式（6）为气体钻井过程中在水平、大斜度井段岩屑起动的临界流速计算公式。通过观察式（6）可以发现，以井斜角α为自变量，其他参数取定值，能够确定临界流速的极值。将临界流速对井斜角求导，并使所求得的导数为0，整理后可得与极值对应的井斜角表达式:

由式（7）可以看出，临界流速取极值时对应的井斜角与无因次沉陷度直接相关。实际情况下，岩屑颗粒并不是完美的球形，而且沉积方式并不固定，因此较难确定沉陷度具体取值，这在以后研究中仍需进一步分析。

3 参数对临界流速的影响

现取一口以气体钻井方式钻进的水平井进行参数对比。由于计算岩屑起动的临界流速需要井底压力，因此须在注气量已知的情况下进行计算，进而判断注气量是否合理，并着重讨论无因次沉陷度、井斜角和岩屑颗粒直径对临界流速的影响。所模拟的钻井基本数据如下:井口处于标准大气压下，地面温度为24°C，地温梯度为3°C/100m，岩石密度为2 500 kg/m3，φ244mm套管下至2 100m，从套管鞋处开始造斜，以φ219mm钻头继续钻进，造斜曲率半径为610m，钻至3 050m处井斜达到90°。钻柱结构:φ171mm钻铤×150m+ φ115mm钻杆×2 900m。钻速为18m/h，转速为50 r/ min，注入气体为空气，注气量83m3/min。

3.1 无因次沉陷度

沉陷度的取值对岩屑起动的临界流速影响很大，同一颗粒在不同沉陷度取值情况下的临界流速差值可达10m/s（见图2a），通过分析式（7）也可看出沉陷度的关键性。下文则对无因次沉陷度取一个中间值，为0.6。

3.2 井斜角

井斜角在60～70°时，岩屑起动的临界流速最大（见图2b）。当造斜至井斜角为60～70°时，就可能达到钻水平井所需的最大注气量。

3.3 岩屑粒径

在不同井斜角情况下，不同粒径岩屑起动的临界流速变化趋势一致（见图2c）。岩屑粒径对临界流速的影响很大，当岩屑粒径达到10mm时所需的临界流速极大，注气量过高，现场常用设备很难达到要求，而且水平井段不同于垂直井段，大粒径岩屑无法落回井底，一旦沉积到下井壁就很难起动，也不易破碎为小粒径岩屑；因此，在钻井过程中，需要选择适当的钻井工艺参数（如调节钻压、转速）或使用二次破碎工具来获得较小粒径的岩屑。

图2 无因次沉陷度、井斜角、岩屑粒径与临界流速的关系

4 结论

1）利用所建模型能够计算气体钻井中水平井、大斜度井等非直井岩屑起动的临界流速，从而得出最小注气量。

2）在气体钻水平井、大斜度井过程中，井斜角达到60～70°时岩屑起动的临界流速最大，应注意及时调整注气量，保证岩屑被顺利运至地面。

3）直径过大的岩屑颗粒需要很高的注气量才能运出井筒，因此，有必要在钻井过程中采用调节钻井工艺参数或使用二次破碎工具等方法，减少大粒径岩屑的数量。

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（编辑 赵卫红）

Starting velocity of cutting particles in gasdrilling of horizontalor highly deviated well

Shao Shuai1,M eng Qingshuang2,Sun Xiaofeng1,W ang Kelin1,Luan Shizhu1

(1.College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daq ing 163318,China;2.No.1 Drilling Com pany,Daqing Drilling Engineering Com pany,CNPC,Daqing 163318,China)

Gas injection rate as the key parameters of gas drilling directly relates to the success of actual drilling.At present,the calculationmethodsofgas injection arebased on verticalwells.Thesemethods donotapply forhorizontalwells and highly deviated wells,which leads to the greatdifficulty for app lication ofgas drilling.Based on the analysis ofmovementmode of cutting particles, this paper firstassumes that the cutting particles deposit in the low wall ofborehole,then analyzes the stressof cutting particlesafter gas injection.The starting velocitymodelof cutting particles in different deviation angles is gotten,and thisvelocity is taken as the m inimum velocity of gas,which can be used for calculating the m inimum gas injection rate.Analysis suggests that the starting velocity of cutting particles reaches themaximum in the deviation angle 60-70°;the large size cutting particles require a high starting velocity and the number of large size cutting particles should be reduce by using appropriate methods in actual drilling process.

horizontalwell;highly deviated well;gas drilling;starting velocity;gas injection rate

国家自然科学基金项目“气体钻井地层-井眼流体-旋转管柱耦合作用下井眼净化机理研究”（51174043）；国家科技重大专项课题“复杂结构井优化设计与控制关键技术”（2011ZX05009-005）；

TE242

A

2013-05-30；改回日期：2013-09-14。

邵帅，男，1987年生，在读硕士研究生，2010年毕业于东北石油大学，研究方向为钻井工艺理论与技术。电话:（0459）6503521，E-mail:zdshaoshuai@163.com。

邵帅，孟庆双，孙晓峰，等.非直井气体钻井岩屑起动的临界流速[J].断块油气田，2013，20（6）:803-805.

Shao Shuai，Meng Qingshuang，Sun Xiaofeng，et al.Starting velocity of cutting particles in gas drilling of horizontal or highly deviated well[J]. Fault-Block Oil&Gas Field，2013，20（6）:803-805.

10.6056/dkyqt201306032