基于赫-巴模型的微小井眼连续油管钻井环空流阻计算分析

2019-09-06侯学军宋洪奇

特种油气藏 2019年4期

侯学军，宋洪奇，关谦，金锐，张辉

(1.重庆科技学院，重庆 401331；2. 陕西省非常规油气勘探开发协同创新中心(西安石油大学)，陕西西安 710065；3.中国石油长城钻探工程有限公司，辽宁盘锦 124010；4.中国石油大学(北京)，北京 102249)

0 引言

连续油管[1-4](简称CT)作为一种前沿钻井技术，在老井加深侧钻、高效钻井、环保、井下智能信息化、自动化方面优势突出，应用前景广泛[5-8]。但因微小井眼CT钻井井眼直径小、环空间隙小，环空循环流阻较大，严重制约了微小井眼CT钻井的应用与推广。国内对于常规井眼环空循环流阻[9-11]的研究较多，井眼环空流阻的计算模型也较多，如：宾汉、幂律、卡森、赫-巴等计算模型。赫-巴模型结合了宾汉与幂律2个流变模型的特点，能更好地反映钻井液的流变特点和流变规律。王常斌[12]等对同心环空赫-巴流体层流和紊流流动进行了数值模拟；魏淑惠[13]等对赫-巴流体偏心环空紊流进行了数值模拟；汪友平[14]等研究了赫-巴流体同心环空流动的速度分布规律；樊洪海[15]等对赫-巴流体同心环空轴向层流流动规律进行了理论分析；郭宇健[16]等基于赫-巴模型，模拟了偏心环空波动压力；张晋凯[17]研究了偏心效应对赫-巴流体环空流动特性的影响；侯学军[18-21]等对微小井眼流阻进行了计算分析。国内环空流阻研究大部分是针对常规井眼，使用赫-巴模型针对Φ89.0 mm微小井眼CT钻井的环空流阻计算的研究相对较少。此次研究运用赫-巴模型，计算微小井眼CT环空流阻，分析环空流阻随CT外径、环空间隙、钻井液流速、偏心度[22]等因素的变化规律，研究对应的控制方法，以期推动微小井眼CT钻井技术发展。

1 赫-巴模型与流变参数计算

1.1 赫-巴模型

赫-巴模型[23]如下：

τ=τ0+Kγn

(1)

τ0=0.511φ3

(2)

(3)

(4)

式中：τ为剪切应力，N/m2；τ0为屈服切应力，N/m2；K为稠度系数，N·sn/m2；γ为剪切速率，s-1；n为流性指数；φ200、φ100、φ3分别为旋转黏度计在200、100、3 r/min时的读数。

1.2 雷诺数计算

赫-巴模型雷诺数[24]计算公式如下：

(5)

式中：Dh为微小井眼的井眼直径，m；D0为微小井眼中使用的CT外径，m；V为微小井眼环空钻井液的平均流速，m/s；Re为雷诺数；ρ为微小井眼环空钻井液的密度，kg/m3。

1.3 CT钻井环空流阻计算

对于微小井眼CT钻井环空，根据范宁摩阻[25]方程与环空偏心修正，循环流阻计算公式如下：

(6)

式中：p为微小井眼环空钻井液的循环流阻，Pa；L为微小井眼环空长度，m；f为微小井眼环空钻井液的范宁摩阻系数。

2 微小井眼CT环空流阻实例分析

2.1 计算参数设定

在Φ89.0 mm的微小井眼中，选择适合钻井的CT管柱[26](表1)。假设钻井液的密度为1.5 g/cm3，根据计算公式对Φ89.0 mm的微小井眼CT环空流阻进行计算并绘图。

表1 CT参数

2.2 环空流阻计算结果分析

2.2.1 环空流阻随流速的变化

图1为2 000 m长CT在Φ89.0 mm井眼中环空流阻随流速变化曲线。由图1可知：随钻井液环空流速增加，微小井眼CT环空流阻逐渐增加；CT管径越大，微小井眼CT环空流阻受环空流速的影响越大。2 000 m长CT，流速从1 m/s增至2 m/s，环空流阻平稳增加；流速从2 m/s开始，环空流阻随环空流速呈线性增加；流速为9 m/s时，Φ73.0 mm CT的环空流阻最大，为26.3 MPa，Φ25.4 mm CT的环空流阻最小，为5.3 MPa。

图1 2000m长CT在Φ89.0mm井眼的环空流阻随流速变化曲线

2.2.2 环空流阻随管径的变化

图2为Φ89.0 mm井眼中环空流阻随管径变化曲线。由图2可知：随CT管径增加，微小井眼环空流阻加速增大。CT外径小于50.8 mm时，微小井眼CT环空流阻增加趋势比较平缓；CT外径大于50.8 mm时，微小井眼CT环空流阻呈加速增大趋势。

2.2.3 环空流阻随井深的变化

图3为Φ89.0 mm井眼中环空流阻随井深变化曲线。由图3可知：环空流阻随CT下入深度的增加呈现线性增加；CT外径增加(环空间隙减小)，环空流阻增加，CT外径为73.0 mm时，环空流阻增加迅速，增加量最大，随CT管径逐渐减少，环空流阻越来越小，随管径的减小，环空流阻增加的趋势逐渐减缓，CT外径为25.4 mm时的环空流阻的增长最慢。

图2 Φ89.0mm井眼中环空流阻随管径变化曲线

2.2.4 环空流阻随偏心程度的变化

由于CT管柱在井眼中不居中，将导致环空流阻发生变化。假设环空中钻井液流速为2 m/s和3 m/s，以不同的偏心度，对Φ89.0 mm井眼中环空流阻进行计算(图4)。由图4可知：环空流阻随偏心度增加而降低，但在环空流阻降低的同时，也增大了CT与环空井壁的摩擦阻力；环空间隙越小(CT管径增加)，偏心度对环空流阻影响越大，可以通过减少CT管径(增大环空间隙)来降低环空流阻。

图3 Φ89.0mm井眼中环空流阻随井深变化曲线

图4 Φ89.0mm井眼中环空流阻随偏心度变化曲线

2.3 微小井眼CT钻井参数优选

微小井眼钻井最小携岩流速为岩屑沉降速度[27]的2倍，即最小携岩流速为0.54 m/s。以8 000 m深井为例，额定泵压为27.6 MPa，通过计算环空流阻，分析不同外径CT可使用的钻井液流速(表2)。在CT钻井过程中，井筒中CT内水眼中的钻井液会产生一部分流阻，滚筒上预留一定安全长度的CT也会产生一部分流阻，CT滚筒流阻和井筒中CT内循环流阻随管径增加而减小。因此，在选择流速时应小于表2中的计算值。当选用Φ25.4、Φ31.8、Φ38.1、Φ44.5、Φ50.8、Φ60.3、Φ73.0 mm的CT时，推荐使用的钻井液流速分别为：0.54～9.00 m/s、0.54～9.00 m/s、0.54～8.80 m/s、0.54～7.80 m/s、0.54～7.10 m/s、0.54～5.20 m/s、0.54～3.10 m/s。

表2 钻井液流速优选

3 实例验证

将黄占盈[24]实验数据(模拟CT长度为2.9 m)，与赫-巴模型偏心修正[28]后的计算数据对比(表3)。由表3可知：环空计算流阻与实验流阻误差为1.6%～9.6%，当流速为0.17 m/s时，误差最大为9.6%。通过对比分析可知，运用赫-巴模型计算的环空流阻与实验环空流阻能够较好地吻合，在工程允许误差(10%)以内。

表3 环空流阻实验值与计算值对比

辽河油田某井，采用CT进行老井开窗侧钻，采用长度为3 000 m、Φ60.3 mm的CT从1 580 m钻至2 300 m，钻井液密度为1.20～1.25 g/cm3，钻井液排量为7～10 L/s，地面泵压为16～27 MPa。将赫-巴模型计算环空流阻与实测环空流阻对比(表4)，实测数据与计算数据最大误差为9.3%。说明赫-巴模型计算结果可以满足现场使用需求。