大位移井不同井斜角度下岩屑运移规律研究

韩雪莹

（长江大学机械工程学院，湖北 荆州434023）

近年来，岩屑在大位移井中运移规律的研究内容备受关注，由于大位移井不同井段的类型、角度存在差异，所以岩屑运移规律不能一概而论。要想得出全面、准确的研究结论，务必通过模型分析法全面分析大位移井岩屑运移情况，以便为大位移井日后的技术应用奠定良好基础，大大提高岩屑分布特性的参考价值。可见，这一论题具有探究性意义和现实性意义，论题内容概述如下。

1 岩屑层形成机制

钻头下钻处理期间，岩层碎屑随之出现，这是岩屑层形成的主要原因[1]。岩屑向外输运的过程中，常因岩屑体积不规则，导致碎屑在井口大量堆积，随着时间积累，发育成岩屑床。岩屑层一旦出现，则岩屑会在外力、自身重力等因素影响下滑落、堆积，最终影响钻井速度，以及井下物质开采量。一般来说，岩屑浓度越高，岩屑床厚度越高，进而倾斜角度随之增大，对矿井开采效率、运送速度、钻井液密度会产生负面影响。

2 大位移井几何模型的建立

随着油气田开发活动大范围开展，大位移井应用频次相应增多。然而大位移井方法投用期间，受不同井斜角度影响，会影响岩屑运移量及运移速度。考虑到井下环节复杂、多变，凭借传统的人为方式难以准确归纳岩屑运移规律，所以几何模型的构建具有迫切性和必要性[2]。具体来说，利用结构化多面体网格单元划分网格，以便满足差异化井斜角度（30°、45°、65°）下几何模型的构建，及其在岩屑运移规律分析中应用，为几何结构网格模型建立提供价值化数据。在此之前，以相关资料查阅、现场考察等形式深入研究井筒内部参数，如压力、排量、液体当量密度的变化情况，为岩屑在不同井斜角条件下运移规律对比奠定基础。

井斜角度影响岩屑运移，一般来说，小于30°井斜角直井段形成岩屑床的可能性较小。客观总结大位移井不同井斜角度下岩屑运移规律时，基于同心工况条件，比较不同井斜角岩屑分布情况。在此期间，会用到基本方程、岩屑扩散方程，经相应公式代入客观获得岩屑运移规律，具体内容分析如下。

3 大位移井不同井斜角度下岩屑运移规律分析

3.1 纵向截面速度场

观察位移井中心处不同井斜角截面岩屑速度变化情况，低井斜角度对应高环空气流、高岩屑运移速度，相反，高井斜角度对应低环空气流、低岩屑运移速度。环空反速条件下，静止岩屑层、移动运移层、悬浮运移层由下到上形成，基于此，构建相应的岩屑运移模型，如果环空存在稳态固液两项非压缩流体，且物质连续，三层岩屑体积浓度约50%，钻杆静置。此时，运用连续性方程进行计算，公式如下：

其中，M、N、S 分别代表面积、岩屑浓度、速度；sd、mb 代表悬浮层、移动层；Msd代表面积悬浮层、Nsd岩屑浓度悬浮层、Ssd速度悬浮层；Mmb代表面积移动层、Nmb岩屑浓度移动层、Smb速度移动层；τ 表示应力；s 表示湿周。倾斜角度产生后，环空气流速度变化具有对称性，受重力影响，岩屑运移方向靠近低速区。

3.2 轴向截面速度场

井斜角由30°增加到45°，再到65°，岩屑床厚度明显增加，致使钻井液垂直向上的分量由多到少[3]。环空返速情况下，井斜角一旦改变，会明显作用于环空返速较小时岩屑床厚度，相对来说，环空返速较高时，对岩屑床厚度影响较弱（如表1）。岩屑厚度与层流流型、紊流流型分别呈正相关和负相关，环空返速与紊流标准一致，返速提高后，泥浆摩擦力和阻力相应增大，这种情况下岩屑颗粒随之流动，岩屑层厚度相应减小。压降减小率＞泥浆流动摩擦力增加率，环空总压明显降低，但并不是一直降低，当岩屑运动摩擦阻力减小率＜泥浆流动摩擦阻力增加率，环空降压随之增加，岩床高度、厚度减少到最小，则岩床不存在。环空断面岩屑均匀分布，混流体与纯流体的压降值大致相同，随环空返速增加相应升高，其中，极小值的环空返速为临界环空返速。

表1 不同结构轴向截面速度对比

3.3 比较井深方向岩屑速度

比较30°、45°、65°井斜角度工况下岩屑井深速度，得知倾斜前部分井斜角变化对岩屑运移速度影响较小，倾斜后部分井斜角变化后，岩屑速度随之改变（如表2）。

表2 不同结构岩屑沿井深高度速度对比

岩床顺着井壁方向的重力分量同井壁与岩屑床的摩擦力增大，一定程度上减慢了携岩运动速度，主要原因是井斜角度扩大。环空返速条件下，运动床面积与井斜角成正相关，即运动床面积增大，井斜角随之扩大。对于静止床来说，水平段岩床面积与井斜角呈反比，即井斜角增大，则岩床面积减小。井斜角65°时，岩床面积最大，当井斜角小于65°，岩床面积以较快速度减小；井斜角30°时，岩床面积最小。环空返速条件变化时，近水平井段重力压力梯度以较小幅度变化，并呈递增趋势，井斜角小于65°后呈递减趋势。具体如图1 所示。

图1 不同井斜角度下岩屑运移规律

3.4 CDF-DEM 方法模拟倾斜井段岩屑运移规律

钻井液、岩屑运移情况模拟的传统方法，即构建液固两项欧拉-欧拉双流体模型，这一方法未全面考虑细小岩屑流动细微流动情况。从实用性角度来看，运用CDF-DEM 方法模拟倾斜井段岩屑运移情况，能够弥补传统方法片面呈现模拟图像的不足，进而全面、直观呈现岩屑运移规律，使油田勘探开发作业精准化开展，尽可能增加产量，提高经济效益。方法实践阶段，基于Lagrange 坐标获得离散运动轨迹，基于Euler 坐标得知液相运动情况，分别求解。为客观总结颗粒、井壁、钻杆壁的碰撞运动规律，以及岩屑不同状态下的变化规律，通过构建软球模型比较模拟情况下岩屑浓度值与实验数值，根据对比结果判定CDF-DEM 方法是否具有可靠性。

由于工况参数多样变化，所以岩屑运移现象不尽相同。以岩屑运移影响因素为切入点，经总结发现：随着转速加快，液体周围抬升力量随之增强，意味着悬浮能力在原有基础上提升，在这一活动中，岩屑床受到外力冲击，不同程度上阻碍岩屑堆积进程，进而减少岩屑床厚度。钻杆偏心度在原有基础上扩大，钻杆环空间距减小，当流动速度减慢，颗粒温度由高向低过渡，导致钻杆底层出现大量集聚现象。流动速度逐渐加快，岩屑床轴向助推力量明显加剧，同时，环空内流核区面积范围相应扩大，说明岩屑颗粒以较快速度运输。CDF-DEM 方法在不同操作环境中有较强适应性，当液流变性在岩屑运移中产生影响，这与井筒内液固两相流动状态相近，能为钻井实践提供理论指导。

4 岩屑管理的有效措施

了解大位移井不同井斜角度下岩屑运移规律后，应掌握岩屑科学化管理措施，尽最大可能控制岩屑运移环节的负面因素，从整体上提高岩屑运移效率。如果岩屑运移速度过快，顺利的情况下能够缩短碎屑移送时间，一旦矿井内部环境复杂，则会出现碎屑大量滑落现象，并且岩屑床完整性会受到破坏。岩屑上返期间，务必客观、全面分析矿井环境，提供适宜的移送工具，同时，做好过程监督与管理，尽可能减少碎屑掉落现象。最为关键的是，相关技术人员灵活运用录井技术，据此精准测量岩屑体积、获取岩层信息，为岩屑管理方法制定提供可靠的技术支持[4]。基于岩屑体积测量的实际需求，针对性处理环空岩屑，同时做好记录，为岩屑地质地貌研究提供理论指导。考虑地质断层情况，尽可能减少岩屑体积测量误差，据此获得真实的地质信息，确保岩屑管理工作高效开展。此外，三维解剖模拟图常态构建，据此追踪钻探钻头方向，通过运动轨迹对比，及时矫正偏差，大大提高岩屑管理有效性。可见，这既能提高录井技术实用性，又能顺利完成岩屑管理目标，推动油田开发活动顺利进行。

综上所述，大位移井方法广泛用于油田勘探，要求勘探人员客观总结不同井斜角度下岩屑运移规律。为直观、具体了解岩屑运移情况，基于几何模型掌握纵向截面速度场、轴向截面速度场，并比较井深方向岩屑速度。当理论内容掌握后，为岩屑管理提供思路指导，进而适时改进岩屑管理方法，从整体上提高油田勘探有效性，推动区域经济和国家经济稳健发展。此外，这能为日后岩屑运移规律总结奠定基础，取得井眼清洁的理想效果。