水平井岩屑运移数值模拟研究

谌柯宇

摘 要：随着石油钻采工艺不断发展，水平井钻井在世界范围内全面展开，已成为现代油气勘探开发的重要手段。由于水平井的井斜角大，岩屑在运移过程中容易形成岩屑床，而岩屑床清除比较困难。针对目前存在的问题，采用计算流体力学仿真模拟技术对不同岩屑粒径下岩屑运移进行了研究。结果表明：岩屑粒径的增大，移动岩屑床速度和悬浮岩屑体积分数基本保持不变，悬浮岩屑运移速度及固定岩屑床体积分数呈下降趋势，环空下部岩屑床高度增加，堆满了下环空，单位体积内岩屑所占比重下降，导致了移动岩屑床體积分数先增大后减小。建议在某些井段使用低钻速牙轮钻进，以此控制岩屑粒径在2mm以内，降低岩屑清洗难度。

关键词：水平井钻井 岩屑运移 数值模拟

中图分类号：TE21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（b）-0027-01

水平井钻井在油气田开发过程中应用广泛，可提高产能，降低成本。井眼净化是水平井关键技术之一，由于井斜角为90 °，岩屑运移过程中容易形成岩屑床，造成井眼清洗困难，井眼净化不好可导致严重的钻井事故。在水平井中，岩屑粒径大小之间影响钻井液携岩难度大小。该文通过流场仿真揭示粒径大小对井眼清洗的影响。

1 水平井环空流场数值模型

建立水平井环空流场模型，在重力作用下，钻柱存在偏心。考虑到在钻井工程中，实际的钻柱结构较复杂，为了便于对环空进行数值计算。针对其空间结构进行简化和假设：（1）忽略环空温度、井底产气产水对钻井液流动的影响；（2）钻井液在水平环空中的流动视为不可压缩流体的流动。

2 环空流场数值模拟

该文主要模拟湍流中岩屑粒径对岩屑清除的作用。一般管道流中雷诺数小于2100为层流状态，大于4000为紊流，2100～4000为过渡流状态。该文选择选择RNG k-ε湍流模型进行水平井钻井液固两相流的数值研究[1]。

钻柱在井眼中不断旋转，边界面是不断变化的，所以将与钻柱一起旋转的流体部分和其他流体部分分别进行网格划分，利用MRF模型进行数值划分，单元总数为3004200。

目前广泛采用的钻井液流变模式有幂律模式、宾汉模式、卡森模式以及带屈服值的幂律模式[2-3]。钻井液流变模式的优选不仅对于准确计算流变参数至关重要，而且对于分析研究岩屑清除问题也具有重要作用[71，72]。在环形空间的较低剪切速率范围内，幂律模式比宾汉模式更接近实际钻井液的流动特性。因此，尽管宾汉模式一直是国内外钻井液工艺中最常用的流变模式，但目前认为，采用幂律模式能够比宾汉模式更好地表示钻井液在环空的流变性，并能更准确地预测环空压降和进行有关的水力参数计算。

模型基本参数如下：钻杆外径88.9 mm、井眼直径152.4 mm、模型长度18.526 m、环境压力29.3 MPa。

3 计算结果

在水平井钻井过程中，钻柱必然会由于重力的原因产生偏心。环空流场的流场性质很大程度上取决于钻柱的情况。由前面的分析可知，钻柱的偏心是造成流场大环空与小环空差异的主要原因。改变偏心度，研究了偏心度0～0.32对岩屑运移及岩屑床颗粒分布的影响规律。结果表明：偏心度对岩屑运移影响较大，随着偏心度的不断增加，岩屑床的体积分数不断增长，在完全偏心的情况下，固定岩屑床体积分数达到了62.5%，移动岩屑床的体积分数则为38%。悬浮岩屑速度随着偏心度的增大而增大，原因也在于大小环空改变了流场速度分布。移动岩屑床体积分数随着偏心度的增大而增加，且移动岩屑床的体积分数占总的固定床体积分数随着偏心度增大而增加，所占比例由45.28%增至60.8%。这说明，偏心度的增大，不利于岩屑床清除效率的提高。

改变排量，研究了排量对岩屑运移及岩屑床颗粒分布的影响规律，结果表明：开始阶段时钻井液排量对岩屑颗粒体积分数影响较小，随着排量的增加，岩屑颗粒体积分数随钻井液排量的增大而降低，并在排量大于20L/s时变化幅度趋于平稳。随着钻井液排量的增大，悬浮岩屑颗粒运移速度及移动岩屑床运移速度提升较大，同时固定岩屑床体积分数由67%下降至24%。随着钻井液排量的增大，移动岩屑床体积分数并未增大，这是由于排量增大，很多岩屑由移动床式运移形态转变为悬浮式，这一点可由固定床体积分数减小和移动床体积分数与固定床之比基本无变化得出。改变转速，研究了转速对岩屑运移及岩屑床颗粒分布的影响规律。结果表明：随着转速的增大，悬浮岩屑运移速度和移动岩屑床速度、悬浮岩屑体积分数、移动岩屑床体积分数、固定岩屑床体积分数变化很小。

改变岩屑粒径，研究了岩屑粒径对岩屑运移及岩屑床颗粒分布的影响规律。结果表明：随着岩屑粒径增大，悬浮岩屑运移速度及固定岩屑床体积分数呈下降趋势，在使用5 mm岩屑颗粒时，悬浮岩屑运移速度及固定岩屑床体积分数分别降低至0.89 m/s和30.6%。移动岩屑床速度和悬浮岩屑体积分数基本保持不变。随着岩屑颗粒粒径的增大，环空下部岩屑床高度增加，堆满了下环空，单位体积内岩屑所占比重下降，也间接导致了移动岩屑床体积分数先增大后减小。固定岩屑床体积分数减小的原因是大颗粒岩屑直径较大，颗粒与颗粒之间的间隙也大，颗粒之间的间隙中充满了钻井液，所以固定岩屑床体积分数变小了。

4 结论

偏心度的增大，不利于岩屑床清除效率的提高。增大泵的排量，有利于提高岩屑运移效率、减小岩屑床体对钻进安全的影响，但排量过大会增大能耗，增加生产成本。岩屑速度转速的变化对于岩屑体积分数影响不大，钻柱旋转对岩屑床厚度影响巨大。随着岩屑粒径的增大，岩屑清洗的困难度也不断增大。建议在某些井段使用低钻速牙轮钻进，以此控制岩屑粒径在2 mm以内，降低岩屑清洗难度。

参考文献

[1] 于勇，张俊明.Fluent入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[2] 贺成才.幂律流体在偏心环空中流动的数值模拟[J].石油学报，2002，23（6）： 85-89.

[3] Hecker M，Barry M，Thomas B M. Reducing Well Cost by Gravel Packing in Nonaqueous Fluid [C].SPE Annual.