欠平衡钻水平井岩屑运移可视化实验

魏 纳 孟英峰 李 皋 朱宽亮 李永杰 徐小峰 辛春彦

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.中国石油冀东油田公司钻采工艺研究院

充气欠平衡钻井是指在钻井过程中含气钻井液作用在井底的压力低于地层孔隙压力，能大幅度减少井漏、保护和及时发现储层，而钻水平井可大幅度暴露储层，数倍提高油气产量。因此，利用水平井特殊轨迹增产的特点，与利用充气欠平衡消除储层伤害增产的特点相结合，产生了“充气欠平衡钻水平井”新技术［1－3］。

随着我国低压薄层油气藏的开发需求，充气欠平衡钻水平井技术成为国内外钻井界关注的热点，而它的工程难点之一在于含气钻井液条件下的水平段井眼净化。这是由于井眼净化不畅所造成钻具摩阻扭矩增大从而严重制约着水平井眼的延伸能力的提高［4］。而欠平衡钻井条件下岩屑运移的科学核心是欠平衡条件下井筒内气液固耦合复杂多相流动，由于井下各组分间的相间相互作用机理以及岩屑固相运移形式无法可视化，因此，开展水平段气液固复杂介质耦合可视化流动实验研究，最终形成复杂介质多相流动条件下的气液固耦合流动规律认识及数学描述。这对于优化钻井施工参数以及降低钻井安全风险均有着积极意义。

1 岩屑在水平井筒中的运移规律分析

1.1 水平井岩屑运移特殊性

图1 水平井段岩屑分布图

图2 直井段岩屑分布图

由于管流运动与岩屑颗粒重力的方向性差异，直井段与水平井段岩屑运移规律大为不同（图1、2）。由图1可以看出：在钻头破岩后大颗粒尺寸岩屑在钻铤处由于流速高可以较为顺畅地运移；到了钻铤与钻杆交界处由于环空面积陡然增加，大颗粒岩屑可能发生堆积。对比直井段与水平井段，直井段中较大岩屑会回落至井底重复破碎；而水平井段一旦产生流体所不能携带的大颗粒岩屑，这些岩屑只会停留在下井壁等待钻具的碾压直至形成小颗粒才被流体顺利携走。

1.2 水平井岩屑颗粒的运动形式

水平井中岩屑运移情况可以分为悬浮、滚动、跃移3种形式。

1.2.1 悬浮

悬浮是岩屑颗粒运动的重要方式，引起岩屑颗粒悬浮的主要因素是紊动作用（图3）。悬浮运动的形式是随钻井液漂流，悬浮运动时受到2种力的作用：①重力，使岩屑颗粒向下井壁沉降；②气液两相流推动力，使岩屑颗粒沿井筒向下游运动。岩屑颗粒向下游运动的速度与气液两相流速度有关，岩屑颗粒输送量可间接代表岩屑颗粒向下游运动的速度，流量越大，可带走的岩屑颗粒量也越多。悬浮颗粒在沉降过程中被涡流带回上层，使岩屑颗粒上下漂移，沉降速度变慢，岩屑悬浮照片如图4所示。

图3 岩屑悬浮受力图

图4 多相流条件下岩屑悬浮照片

1.2.2 滚动

位于岩屑床表面突出位置的颗粒，当液流拖曳力（FD）大于颗粒阻力时（图5），便开始以滑动的形式运动。由于井壁表面粗糙不平，滑动往往会转化为滚动，在运动中都与下井壁保持接触，岩屑实际滚动如图6所示。

图5 水平井岩屑滚动受力图

图6 水平井岩屑滚动照片

1.2.3 跃移

跳起的岩屑当落到下井壁时对岩屑床的岩屑有冲击作用，作用力的大小则与其跃起的高度和钻井液流速有关。若岩屑跃起较低，则其从液流中取得的动量不大，在落回岩屑床后不会继续跳动。若跃起较高，则落到岩屑床后还可以重新跳起。跃起高度与钻井液密度成反比，这就是在水平井中岩屑运移的最为特殊的一类运动方式——跃移，岩屑跃移受力图如图7所示。

图7 水平井段岩屑跃移示意图

2 多相流体流动携岩模型

2.1 岩屑滚动运动

岩屑在下井壁滚动时是以单颗粒个体运动为主，在气液两相流动的作用下，岩屑沿下井壁滚动向下游运移。

2.1.1 岩屑颗粒滚动受力分析

在气液量较小时，颗粒首先在井壁处于单颗粒滚动运动，其受力包括：横向上气流对其拖曳力（FD），与井壁的摩擦力（F摩擦）；纵向上受到重力（G）、浮力（F浮）和支撑力（N），如图5所示。

2.1.2 岩屑颗粒滚动启动条件

要确定单颗粒岩屑滚动前进最小气液量则需要建立水平方向上的数学方程：

式中CD为阻力系数，无因次；ρm为流体密度，kg／m3；um为流体流动速度，m／s；ds为岩屑直径，m；k为摩擦阻力系数，无因次；G为岩屑颗粒重力，N。

通过不同颗粒的重力（G）和不同材料摩擦阻力系数（k）则可反求最小流速（um）。

2.2 岩屑跃移运动

2.2.1 岩屑颗粒跃移受力分析［5－9］

欠平衡钻井中，岩屑在环空中的运移，受到的作用力主要包括重力、阻力、萨夫曼升力、浮力、巴塞特力、压力梯度力、附加质量力和马格努斯效应力等，图8为岩屑受力分析图。

图8 岩屑堆积体的受力分析图

在水平井段中，它是构成水平摩擦阻力的主要作用力，其计算公式为：

式中W 为岩屑重力，N；ρs为岩屑密度，kg／m3；Vs为岩屑颗粒体积，m3；g为重力加速度，m／s2。

施加在岩屑上的动力主要是气液两相的阻力。阻力受雷诺数、岩屑形状、岩屑尺寸及流体流动状态和流体可压缩性等许多因素的影响，其方向与流体相对颗粒的速度方向一致，其计算公式为：

式中FD为阻力，N；CD为阻力系数，无因次；um为流体流动速度，m／s；us为岩屑运移速度，m／s；ds为岩屑直径，m。

2.2.2 岩屑颗粒跃移启动条件

根据图8中对岩屑颗粒的受力分析，忽略黏聚力和浮力的作用，堆积体颗粒极限受力平衡方程式可变形为：

分层流：fi＝64／Nre

紊流（段塞流、搅动流、环雾流）：

推导跃移启动时受力平衡式［5－8］：

式中fi为气液界面摩擦系数，无因次；D为管道当量直径，m；Re为雷诺数；μi为混合物黏度，Pa·s；μg为气相黏度，Pa·s；αg为空泡率；μ1为液相黏度，Pa·s；α1为持液率；CD为阻力系数，无量纲，是Re的函数；ρm为混合物真实密度，kg／m3；um为气液混合速度，m／s；当um继续增大，该平衡状态将被打破，岩屑开始运移；ui为岩屑颗粒床平均摩阻系数，无因次；ε为岩屑颗粒堆积空隙程度，无因次；α／β与岩屑堆积程度相关，无因次。

3 水平井段可视化实验及分析

研究建立总长为25m、实验环空外管内径为140 mm、内管外径为63mm、内管内径为55mm的环空可视化有机玻璃实验装置，采用压缩空气和水作为实验流体，采用当量直径为6mm的模拟岩屑作为实验介质，开展了不同注液量的临界携岩可视化实验，并测试流体力学参数，从而得到不同实验条件下的井眼净化临界携岩数据。

3.1 实验研究内容

1）水平井段多相流与携岩大型台架模拟实验（模拟旋转钻进钻动钻杆）。

2）水平井段多相流与携岩大型台架模拟实验（模拟滑动钻进及停钻循环）。

3.2 实验设备

实验设备包括实验架、空压机、储气罐、储水罐、液体泵、流量计等（图9），用于模拟井下一定压力范围内一定流速范围的气流流动情况。实验测试部分主要包括实验管段压力、气体流量、液体流量、实验现象图像等的监测与记录部分。

图9 水平井段实验设备照片

3.3 实验流程

在井底以不同速度注入模拟岩屑，保持一定的注气量，然后加大注液量（注液量可从0～5L／s控制），待实验管段悬浮模拟岩屑后，认为该气量即为该实验条件下的临界流量。稳定注液2min后逐步加大液量，待井底岩屑携带完全后停止实验，测试参数包括注液量、注气量、液体流速、岩屑速度、岩屑浓度等。整个实验流压控制在0.1～0.6MPa。

3.4 实验分析

图10、11分别为钻柱转动、钻柱不转动时的岩屑运移实验现象。

图10 钻柱转动的岩屑运移照片

图11 钻柱不转动时岩屑运移照片

通过观察可以看出：与钻柱停止转动相比，由于钻井液的黏性，在钻柱转动过程中会对周围的钻井液有黏滞、黏结作用，从而搅动岩屑床表面的岩屑。因此，在注入相等气量的工况下，其携岩效果更好；岩屑的运移方式主要是跃移。

3.5 实验数据及处理结果

临界流速是指岩屑发生跃移时的最低混合物流速。在达到临界携岩的状态下，实测了气液两相混合真实携岩临界速度，再与多相流数值模拟软件计算出的临界混合速度对比，得出两者的误差。表1、2为钻柱转动和钻柱不转动时的结果对比。

表1 钻柱转动时不同注气液量井底临界速度结果对比表

综合以上实验数据和实验现象，可以看出：与钻柱停止转动相比，钻柱的旋转使作为模拟钻井液的清水呈螺旋运动，环空流场的压力呈波动形状分布，对岩屑运移有搅动和支撑作用，有利于岩屑运移；同时，由于钻井液又具有黏性，在钻柱转动过程中会对周围的钻井液有黏滞黏结作用，从而搅动岩屑床表面的岩屑，因此在注入相等气量的工况下，钻柱停止转动下的携岩效果更好。

4 模型修正

4.1 水平井携岩临界速度模型修正（钻具转动）

从实验数据结果可以看出，实际最低连续携岩综合流速相当于模型公式的跃移临界流速的124%作为修正模型，即

4.2 水平井携岩临界速度模型修正（钻具不动）

从实验数据结果可以看出，实际最低连续携岩综合流速相当于钻具转动时模型公式的跃移临界流速的118%作为修正模型，即

5 结论

1）充气欠平衡钻水平井的工程核心问题之一在于水平段井眼净化，井眼净化不畅所造成钻具摩阻扭矩的增大从而严重制约着水平井眼的延伸能力。而欠平衡条件下岩屑的运移属于气液固复杂多相流动，各组分间的相互作用机理以及岩屑固相运移形式在井下无法实现可视化。因此，有必要开展可视化实验研究。

2）对比直井段与水平井段而言，直井段中较大岩屑会回落至井底重复破碎，而水平井段一旦产生流体所不能携带的大颗粒岩屑，这些岩屑只会停留在下井壁等待钻具的碾压直至形成小颗粒，以被流体携带至下游。

3）水平井段岩屑运移主要是跃移为主，岩屑运移主要依靠气液综合流速与钻井液黏度，而钻具的转动有利于岩屑的运移，在保障携岩顺利的条件下，钻柱停止转动所需综合流速是钻柱转动时的1.18倍。在实验数据处理后，对所建立的考虑钻井液黏切力、流态、岩屑床堆积程度等因素的携岩运移速度模型进行了修正，该模型能满足现场施工设计需要。

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