特殊轨迹井气体钻井筒流动规律实验与研究

杨　峰，朱化蜀，焦少卿，王旭东

（1.中国石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳618000；2.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳618000；3.中石化西南油气分公司石油工程监督中心，四川德阳618000）

特殊轨迹井气体钻井筒流动规律实验与研究

杨峰*1，朱化蜀2，焦少卿3，王旭东1

（1.中国石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳618000；2.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳618000；3.中石化西南油气分公司石油工程监督中心，四川德阳618000）

注气参数计算是气体钻井中十分重要的一个环节，目前关于大斜度井、水平井等特殊轨迹井岩屑运移规律的实验及理论研究相对较少，尤其是室内试验更是一项空白。介绍了气体钻井井筒流动规律大型试验台架的组建和实验过程，实验模拟了不同倾角、不同工作方式条件下空气流动和携岩工况，通过试验对特殊轨迹井颗粒运移规律有了新的认识，同时在实验的基础上，对颗粒滚动移动最小流速、跃移移动最小流速和气体钻水平井携水规律模型进行修正，为今后特殊轨迹井气体钻井参数设计提供参考依据

特殊轨迹井；气体钻井；注气参数；实验与研究；模型修正

注气参数计算是气体钻井中十分重要的一个环节，它是井眼能否彻底净化的关键因素，因此一直为学者所重视。然而，纵观现有的众多注气量计算方法，大多是针对垂直井，而针对大斜度井、水平井等特殊轨迹井气体钻井过程中岩屑的运移规律的实验及理论方面的研究相对较少。随着气体钻井应用范围的扩大，部分国内外学者曾根据大斜度井、水平井钻井等特殊轨迹井的特点，建立数学模型，根据Angel等方法对携屑问题进行了研究，得出了许多有益的结论。而这些模型的建立均是在一定假设基础上进行的，模型计算结果与实际注气量存在一定偏差，影响了研究成果对现场施工设计方面的指导作用。

美国Tulsa大学、挪威SINTEF多相流试验室、Schlumberger公司、法国流体力学研究所、英国帝国理工学院都建有大型井筒或管道多相流实验架，主要用于油气井多相流、油气储运、流体力学基础理论等方面的研究，而没有针对特殊轨迹气体钻井井筒流动规律与井眼净化实验研究的功能。

2000年，西南石油大学梁红、孟英峰等人设计了空气雾化钻井实验架，井筒高15m，外筒内径0.07m，内筒外径0.03m，空压机排量6m3/min，压力0.8MPa。实验架由气源系统、岩屑输送系统、流体注入系统、井筒系统、测量系统组成，可开展直井的气体钻井携岩实验。

然而，在特殊井眼轨迹井空气钻井中，岩屑的沉降方向没有沿着井眼轨迹的方向，其携岩规律与直井的情况大不相同。为了模拟不同井眼轨迹井筒内气体流动规律，获取模型检验与修正的各项基础数据，得到合理的特殊轨迹井空气钻井注气参数，需要专门针对特殊轨迹井空气钻井开展大型台架模拟实验。因此，建立大型井筒流动实验架模拟不同倾角、不同工作方式条件下的空气流动及携岩是特殊轨迹气体钻井井筒流动规律与井眼净化研究的关键。

1　实验台架的组成

实验架由实验管路、起升系统、加热系统、供气系统、供液系统、岩屑模拟系统、测试系统等7个部分组成：

①实验管路，包括高压和低压2套系统，每套系统包括一根无模拟钻杆的空井筒和一根有模拟钻杆的井筒及其附加管线、安全阀。低压管段采用∅160mm× 10mm的透明有机玻璃管段，每根管长2m，尼龙法兰连接，每个接点安装压力传感器测取流动压力，耐压1MPa，其中的模拟钻杆采用∅63mm×3mm的PVC管。高压管段采用∅110mm×10mm的不锈钢管段，每根管长6m，不锈钢法兰连接，每个接点安装压力传感器测取流动压力，要求承受10MPa压力，实验架设计承压为12MPa。

②实验架起升系统，用于支撑实验管路、测试系统等，并能保持要求的实验井段的井斜角度，以模拟从直井—斜井—水平井的各种工况。

③实验供气系统，包括压风机、空压机、增压机、储气罐、过滤器等，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。

④实验流体加热系统，包括电加热与控制系统，能模拟井下一定温度范围的变化情况。

⑤液体供给系统，包括水供给，油的供给装置，用于模拟不同气液比，不同产出油的变化情况。

⑥岩屑模拟系统，包括岩屑模拟装置及其计量装置。用于模拟钻进过程中井下产生的岩屑情况。

⑦测试系统，包括高压和低压管路的温度、压力、流量、实验图像等测试记录设备。

实验架可实现以下功能：

①任意角度干气携岩规律可视化实验；

②该实验架能实现0°～90°气体钻井携岩实验，并能保证气体流速从0～35m/s变化，从而完全满足携岩能力的要求；

③地层出水条件下携水规律及流型流态研究；

④可通过变频式注入泵模拟地层产液量大小并通过该实验架模拟不同井斜角、不同注气量大小条件下的流型流态与气体携液能力；

⑤岩屑运动轨迹可视化实验研究；

⑥通过安装在实验架上的高速摄像仪能捕捉不同井段位置的岩屑运移情况和气固两相流流型流态，从而为研究岩屑瞬态运移规律提供实验手段；

⑦具备实验管段的压力、气体流量、液体流量、岩屑加入量、实验现象图像等的自动监测、自动记录功能。

2　实验过程

实验方案设计。实验方案设计的目的主要是探究气体（干气）钻水平井携岩及井眼净化效果、气体钻水平井携水规律以及颗粒运移等3方面的基本规律。实验所选取的各种颗粒材料基础数据见表1。

Angel方程是在直径为2.5～3mm岩屑条件下做出的实验结果，因此，本实验采用材料需要进行相似性比对计算，其结果见表2。材料与管壁的滚动摩擦系数见表3。

表1　各种实验颗粒材料基础数据

表2　各种颗粒材料相似性临界流速

表3　各种颗粒材料与管壁滚动摩擦系数

针对气体（干气）钻水平井携岩及井眼净化效果、气体钻水平井携水规律以及颗粒运移规律等3方面，分别开展相关实验参数设计。

针对颗粒运移规律研究方面，实验采用压缩空气作为实验流体介质，通过不同尺寸、密度的模拟岩屑颗粒，包括：黄豆、绿豆、玻璃颗粒等在不同气量下，利用高速摄像仪研究其运动轨迹，实验参数见表4。

针对干气携岩及井眼净化效果研究方面，实验采用空气作为实验流体介质，采用不同尺寸、密度的模拟岩屑颗粒，包括：黄豆、绿豆、玻璃颗粒等，各材料尺寸从3.0～7.8mm变化。在不同气量下，研究其携岩效果（主要研究临界携岩气量）。从而利用实验结果修正现有携岩数学模型。其具体做法为：在井底以不同速度注入模拟岩屑，然后加大注气量（注气量可从0～22m3/min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。稳定注气2min后逐步加大气量，待井底岩屑携带完全后停止实验，测试参数包括：气量、气体流速、动能、颗粒速度、管流压力等。整个实验流压控制在0.1～0.6MPa内，实验温度采用不加热室外空气的温度，实验参数见表5。

针对气体钻水平井携水规律研究方面，设计思路为：注入小排量实验液体停止在水平管一定液位高度（液位高度控制在0～10cm），而后注气（注气量在0～20m3/min控制）携液，利用高速摄像仪观察井底出水运动流型流态和井底出水对井壁润湿效果。

表4　颗粒运动规律实验设计

表5　干气携岩实验设计

利用高速摄像仪研究气体中液体运动规律和携液效果研究，具体做法为：在注气的同时注入微流量液体，用高速摄像仪先观察液体运动形态，再加大注气量待井口有液体产出物后稳定注气2min，观察高速气流中液体形态及运动规律，实验参数见表6。

表6　水平井携液实验设计

3　实验结果分析及模型修正

（1）颗粒运移规律研究。颗粒运移规律为：滚动—跃移—连续运移。一方面，一般条件下颗粒运动应该为直线运动，但从实验图片分析来看，颗粒在临界携岩状态下，总是处于管流悬浮停滞运动状态，其运动轨迹主要受管柱偏心而带来的横向上气流的不均匀，从而使得颗粒运动发生折线式的上下运动；另一方面，受岩屑堆积影响，后续岩屑撞击岩屑团产生跃移也是水平井岩屑运动的一大特点。在水平井中，若钻柱产生偏芯，岩屑将更易形成岩屑床，造成携岩困难。

（2）干气携岩及井眼净化效果研究采用不同模拟岩屑进行临界携岩实验，实验数据见表7。

可以看出，颗粒先发生滚动的气量小于跃移时气量，而当气量大于跃移气量时，颗粒开始连续运移。因此，跃移气量可作为气体钻水平井连续携岩临界气量。

表7　颗粒运移方式对比

（3）气体钻水平井携水规律研究。高气液比条件下的稳定气流中，液体主要以液膜和液滴形式存在于管流中，液膜主要以粘附于管壁缓慢向前推进，而中心管流液滴是被气流携带至井口。实验携液量与理论携液量的对比见表8。从表中可知，实际携液量低于实际携液量，且携液量的增长速度快于注气量的增长速度。

表8　各种气量条件下携液实验数据

（4）模型完善与修正：

①颗粒运移规律修正。颗粒在水平井中的运移规律与通常的气体携岩假设有一定差别：在水平井中，颗粒在临界携岩状态下总是处于悬浮运动状态，其运动轨迹主要受管柱偏芯而带来的纵向上气流的不均匀，从而使得颗粒运动发生折线式的上下运动。

②干气携岩及井眼净化模型完善与修正。

a.颗粒滚动移动最小流速数学模型修正：

b.跃移移动最小流速数学模型修正：从实验结果可以看出，实际最低连续携岩气量只相当于Angel公式的66%左右。因此，对于干气携岩井眼净化的标准为：气体应具有的动能应大于标况下10.05m/s流动的空气动能。

或者采用跃移临界气量的143%作为修正模型，即：

③气体钻水平井携水规律模型完善与修正：从表8可以看出，不同注气量条件下，其理论携液能力不同。这主要是由于在较小注气量下，大量液体未被带出导致流动中心气液比较高。

由于气体钻井如遇地层出水，在转换循环介质之前，环空管流气液比是大于1500。因此，应该按照误差25.8%作为携液数学模型修正依据，即：

4　结论

（1）针对大斜度井、水平井等特殊轨迹井气体钻井过程中岩屑的运移规律而设计的大型试验台架填补了国内的一项空白，通过试验对水平井气体钻井过程中颗粒运移规律有了新的认识：在水平段，颗粒总是处于管流悬浮停滞运动状态，其运动轨迹主要受管柱偏芯而带来的横向上气流的不均匀，从而使得颗粒运动发生折线式的上下运动；

（2）受岩屑堆积影响，后续岩屑撞击岩屑团产生跃移也是水平井岩屑运动的一大特点。在水平井中，若钻柱产生偏芯，岩屑将更易形成岩屑床，造成携岩困难；

（3）水平段实际最低连续携岩气量只相当于Angel公式的66%左右。因此，对于干气携岩井眼净化的标准为：气体具有的动能应大于标况下10.05m/s流动的空气动能，可采用跃移临界气量的143%作为修正模型计算注气量。

［1］孟英峰，练章华，等.气体钻水平井的携岩研究及在白浅111H井的应用［J］.天然气工业，2005，25（8）：50-53.

［2］孟英峰，练章华，等.气体钻水平井的携岩CFD数值模拟分析［J］.天然气工业，2005，25（7）：50-52.

［3］袁兆广，周开吉，等.气体钻大斜度水平井最小注气量计算方法研究［J］.天然气工业，2007，27（4）：65-68.

［4］肖国益，赵向阳，等.气体钻井携岩关键点多相流动规律研究［J］.石油钻采工艺，2011，33（1）：16-19.

［5］DOAN Q T，VINCANO INC，OGUZTORELI M，et al，Modeling of Transient Cuttings Transport in Underbalanced Drilling （UBD）［J］.IADC/SPE 85061.

TE2

A

1004-5716（2016）05-0047-04

2016-01-20

2016-01-25

国家科技重大专项专题“低渗气藏气体钻井关键技术”（编号：2011ZX05022-005）部分研究成果。

杨峰（1980-），男（汉族），四川达州人，工程师，现从事井眼轨迹控制研究工作。