连续油管钻水平井井眼清洗规律研究

徐东升，杨 进，殷启帅，李舒展，张祯祥，张天玮

(中国石油大学(北京)，北京 102249)

为了在小井眼井中钻水平井，常规钻具组合难以满足井眼尺寸以及摩阻转矩的要求。连续油管钻井具有摩阻较低、钻井效率高等特点，因此在小井眼水平井以及其它钻完井修井等方面具有广泛的应用前景。但是，连续油管不能旋转、排量有限，产生的岩屑不能及时返出，对于小井眼水平井钻井携屑能力提出了十分严峻的考验。在水平井中，钻屑受重力的影响，岩屑积沉在井眼的下部。由于水力参数选择以及井眼尺寸限制等原因，岩屑难以携带出井眼底部。采用常规的钻井工艺，由于存在钻杆的转动以及涡流器等工具的作用，可以使岩屑顺利带出，但是，连续油管技术难以通过管柱来改变流体的流动模型，井眼清洗变的更加困难。

为了使水平井、大斜度井中的岩屑清洗出，许多人对此进行模拟研究。王馨雪、廖震等人利用Fluent模拟了大位移井中流速以及角速度对岩屑清洗的影响[1]。刘小刚、杨进等人研究大斜度井中岩屑床的流场变化，并通过岩屑清除器机械清除岩屑[2]。杨树人、张景富等人通过试验，研究井斜角，偏心度等因素与井眼清洗之间的相互关系[3]。闫铁等通过试验，研究钻井液的流变性对清除岩屑的影响，并确定了合适的钻进液流变参数[4]。考虑到试验模拟携屑不够准确，连续油管在井眼中钻进缺少具体试验模拟。本文进行连续油管小井眼水平井钻井Fluent模拟，分别研究不同水力参数以及流场条件对井眼清洁能力的影响，为连续油管钻小井眼水平井提供理论依据。

1 计算模型的建立

1.1 数学模型

为了研究钻井液在水平井中携屑规律，本文采用Euler-Euler双流体模型，将流体和颗粒分别视为连续质点以及连续相拟流体，并在此基础上对相关模拟方程进行构建[1]。

1.1.1 质量守恒方程

在连续油管钻井中，认为钻井产生的岩屑与钻井液之间没有质量交换，液固两相的密度均为固定常数，所以，连续性方程写为：

1) 流体相。

2) 颗粒相。

式中：ε1为流体相的浓度；ε2为颗粒相的浓度；ρ1为流体相的密度；ρ2为颗粒相的密度；v1为流体相的速度；v2颗粒相的速度。

1.1.2 动量守恒方程

由于流体相与颗粒相之间没有质量传递，因此，二者的动量方程可以分别写成：

1) 流体相。

2) 流体应力张量。

式中：g为重力加速度；p为液相压力；β为流体与岩屑作用系数；τ1为流体相的应力张量。

3) 颗粒相。

4) 颗粒应力张量。

1.1.3 湍流模型

利用Fluent模拟分析连续油管钻小井眼水平井过程中的携屑能力，采用k-ε湍流模型。通过下述两个表达式分别对流体的湍动能k和湍动耗散率ε进行描述：

式中：ut为湍流粘性系数；Gk为湍动能增量；ρ为流体的密度；cu=0.08,c1=1.45,c2=1.9,σk=1,σε=1.3。

u1=cuρk2/ε

1.2 几何模型

连续油管内径为76.2 mm，连续油管外径为114.3 mm，研究长度10 m。将网格划分为非均匀结构网格(Tec/hybrid-TGrid)，网格数量3.3×105，多相流和湍流模型分别采用欧拉模型、k-ε模型。液固两相流体经由偏心环空入口以5 m/s的设定流速流入，视井壁和连续油管保持相对静止状态，不产生任何相对滑动。岩屑密度以及直径参数分别为2 200 kg/m3、0.5 mm。为研究水平段钻井液携带岩屑的敏感参数，数值计算了环空偏心度、钻井液排量和钻井液黏度对岩屑运移规律的影响[6]。连续油管钻井过程中油管与井筒之间的数值模型如图1，几何模型如图2(注：图中的流场为浓度场)

图1 连续油管与井筒的数值模型

图2 连续油管与井筒的几何模型

2 模拟结果及分析

2.1 环空偏心对携屑影响

设定环空偏心距分别为10、20、30 mm，岩屑密度分布如图3所示，可以看出，随着偏心距的增加，岩屑床堆积逐渐加重。[7]

钻杆偏心是水平段钻井中常见的问题，会对岩屑的运移产生负面影响。岩屑的运移变化与钻杆偏心度具有一定的相关性，为了研究其中的规律，设定岩屑直径和体积分数分别为0.5 mm和21%，入口排量以及钻井液黏度分别为6 L/s和20 mPa·s。试验结果如图4，水平环空上、下部岩屑运动具有较大的速度差，下部岩屑速度与偏心度之间表现为反相关系，偏心度越大，下部岩屑速度越小，因此，在水平环空开始有岩屑沉积现象发生[8]。

图3 不同环空偏心度时岩屑运移密度分布

图4 环空偏心度对岩屑运移规律的影响曲线

分析认为，这主要是由于重力作用，油管和岩屑均易向下运动。随着环空偏心距的增加，导致环空下部流体速度逐渐减小，岩屑床形成堆积，最终岩屑床厚度超过了所允许的井眼直径的10%(井眼直径为114.3 mm)[9]。连续管的挠曲会增大偏心度，如果不通过相应的技术手段对岩屑床进行有效清除，极容易引起连续管自锁，或者卡钻等事故障情况发生[10]。

2.2 钻井液排量对携屑影响

设定钻井液排量分别为5、10、15 L/s，分析结果如图5所示，可以看出，随着排量的增加，井眼的清洁度逐渐提高。

图5 不同钻井液排量时岩屑运移密度分布

模拟岩屑的体积分数为30%，岩屑直径为0.5 mm，钻井液黏度为10 mPa·s，偏心度为10 mm。模拟钻井试验结果如图6显示，环空岩屑流速与钻井液排量之间表现为正相关关系，排量越大，流速越高。另外，固定床的高度在钻井液排量增大的过程中迅速下降，岩屑体积分数在此过程中表现为一定程度的提升。因此，钻井液排量越大，使得环空岩屑流速越大，可以形成具有较高速度的冲击湍流，具有较大的岩屑冲击携带力，岩屑床更易被破坏，岩屑易被运走[11]。

图6 不同钻井液排量对岩屑运移规律的影响曲线

通过上述模拟试验研究可知，为了防止岩屑沉降，可以提高钻井液排量来增加冲击湍流和冲击携带力。研究显示，钻井液排量为15 L/s时，对岩屑体积分数的降低效果非常显著[12]。

2.3 钻井液黏度对携屑影响

设定钻井液黏度分别为10、20、30 mPa·s，分析结果如图7所示，随着黏度的增加，黏滞力将会携带起更多岩屑[13]。

模拟计算岩屑体积分数为21%，入口排量为6 L/s，岩屑直径为0.5 mm。钻井液黏度对岩屑运移的影响如图8所示，随着钻井液黏度的增大，沉积在环空底部的岩屑由于钻井液的粘滞作用被带起，引起移动岩屑的体积分数开始增加，沉积在环空底部的固定床的高度随着钻井液黏度的增大而逐渐减小。

由此可见，增加钻井液黏度有利于启动沉积的岩屑，减轻沉降程度，有利于岩屑携出以及井内清洁。岩屑体积分数随着钻井液黏度增大而增加，所以对钻井液黏度进行适当提升有利于降低钻柱摩阻，提高延伸能力[14]。

图7 不同钻井液黏度时岩屑运移密度分布

图8 钻井液黏度对岩屑运移规律的影响曲线

3 结论

1) 采用连续油管钻水平井时，由于重力的作用，产生偏心环空，导致连续管上半部分返速大于下半部分返速，下半部分的岩屑难以被携带，岩屑沉积逐渐严重，延长钻井周期。

2) 模拟试验结果表明，随着排量的增加，偏心环空的上、下部分的返速均有所增加。由于钻井液的冲蚀作用，使岩屑被携带，使下半部分的岩屑床被清除。

3) 随着钻井液黏度的逐渐增加，由于钻井液的黏滞作用，携带起环空中的岩屑，使环空中的岩屑床逐渐减小，最终清除岩屑。但是，考虑到破岩的原因，钻井液的黏度不宜过高。