水平井片状岩屑运移可视化实验研究

刘宇涵 钟瀚宇 李野松 杨普

摘要：为探究影响水平井片状岩屑运移效率相关因素的影响效果，本研究参考边界层绕流理论和解析运移模型，确定钻井液排量、钻杆转速、环空偏心度等作为对运移效率具有显著影响的工况因素，并选取参数范围，使用岩屑运移实验装置开展了水平井片状岩屑运移模拟实验。基于水平环空岩屑运移分层模型理论，研究岩屑受力、运移方式和影响因素交互影响，进而找出各因素的影响作用以及各因素之间的交互作用。

关键词：水平井;片状岩屑运移;分层模型;方差分析

1引言

1.1研究背景

近年来，由于水平井、大位移井可以較大限度地增大储层泄油面积，提高油气采收率，因此在海洋、深部地层以及非常规油气藏的开发中越来越多地采用水平井的开采方式，但在钻井过程中出现的岩屑沉积、岩屑运移效率低等问题也非常明显[1]。岩屑受重力作用沉积到底部形成岩屑床，对生产造成安全隐患。

本课题基于流体流动携岩模型，通过对片状岩屑悬浮、滚动、阶跃运动的临界条件进行分析，将钻杆转速、排量、偏心度三个因素作为实验变量，采用片状岩屑和长水平模拟井筒模拟真实情况下的岩屑运移过程，结合回归分析和含有交互项的双因素方差分析方法，研究实验变量对岩屑运移效率的影响效果，为提高岩屑运移效率提供理论依据。

2岩屑运移受力分析

片状岩屑主要受到液流推动力、摩擦力;重力、浮力和支撑力，以岩屑运移的三种模式[2]进行具体分析。

（1）悬浮

悬浮是片状岩屑运动的方式之一，引起悬浮的主要因素是紊动作用。片状岩屑输送量可间接代表其运移速度，流量越大，岩屑输送量也越多。悬浮岩屑在沉降过程中被涡流带回上层，沉降速度变慢。

（2）滚动

位于岩屑床表面的片状岩屑，当气液流推动力大于片状岩屑所受摩擦力时，由于岩屑床表面的粗糙度较高，会形成滚动。

（3）跃移

在水平井段中，重力是构成水平摩擦阻力的主要作用力，施加在片状岩屑上的动力主要为气液两相的阻力，当发生跃移时，片状岩屑将不落回岩屑床表面而保持振荡悬浮运移状态。

经以上分析，发现影响岩屑运移的主要因素有钻杆转速、排量、偏心度等，本实验选取此三种变量进行岩屑运移模拟实验，观测并验证岩屑运移状态，进一步研究各影响因素的作用效果以及因素间的交互作用。

3岩屑运移状态

通过模拟现场实验，再结合岩屑运移模型，发现随着钻井液流速增大，有如下岩屑运移状态：

（1）静止岩屑床

流速较低时，拖曳力和举升力影响很小，片状岩屑在重力影响下沉降堆积，形成岩屑床，此时片状岩屑基本静止于岩屑床面。

（2）移动、静止岩屑床

当流速增加至一定程度，床面片状岩屑就开始向前运移，岩屑之间碰撞跃移上升后又掉落至床面，启动速度较大的片状岩屑还可能再次反弹[4]。

（3）岩屑悬浮、移动和静止岩屑床

流速进一步增加，片状岩屑浮重与涡旋效应较弱，跃移片状岩屑将不落回岩屑床表面而保持振荡悬浮运移状态，此时既存在悬浮层，又存在移动和静止岩屑床[5]，岩屑悬浮层的存在有利于岩屑运移。

（4）岩屑悬浮、移动岩屑床

流速增至足以将移动岩屑床举升至主流区，钻井液不断驱使静止岩屑床开始向前运移，直至静止岩屑床全部消失，仅剩悬浮层和移动岩屑床[4]。

（5）非均匀悬浮

当流速继续增大，岩屑所受拖曳力开始占主导作用，此时岩屑所受的上举力也逐渐增大，岩屑从沉积状态转变为悬浮状态，此时岩屑全部悬浮于环空，且下部的岩屑浓度明显高于上部[6]。

（6）均匀悬浮运移模型

在足够高的剪切速率下，钻井液紊流流动，岩屑沉降速度较小起主导作用的拖曳力驱动岩屑随液相一起流动，固液两相间不存在滑脱，整体呈现为均匀的悬浮流动状态[6]。

4岩屑运移模拟实验

4.1实验装置

本实验依据实际水平井的结构情况，设计并组装了一套长度为20.8m，环空内径220mm、钻具外径127mm、钻头及钻具连接处外径170mm的可视化水平环空岩屑运移模拟装置。

为与实际钻井情况一致，所用岩屑为片状岩屑;考虑实验的可视化及设备使用等原因，使用清水模拟钻井液。

4.2实验参数确定

在水平段钻进过程中，影响岩屑运移且模拟实验调节的参数主要包括：钻井液排量、环空偏心度、钻杆转速等。实验参数范围如表 4 1所示：

5实验分析

下面以钻井液排量、钻具转速和环空偏心度作为因素展开双因素方差分析，过程中采用Python statsmodels函数库编程计算。

5.1等重复试验的双因素方差分析

构建的双因素方差分析模型，对模型假设进行检验并导出检验统计量，根据检验量展开检验分析交互效应是否显著[7]。

在控制钻杆转速10r/min的情况下，进行排量与偏心度的正交试验，测量岩屑运移出井筒所需时间，正交试验表如图5-1所示。

利用结果进行方差分析，如表5-2所示：

表中x1和x2分别表示排量和偏心度，在显著性水平为0.05的情况下，当时，可认为该因素对指标的影响显著，从分差分析结果，可知偏心度和排量的交互效应显著。因此，在实际应用中，选取适当偏心度和排量的组合将提升岩屑运移效率。

6结论

通过理论分析，并结合岩屑运移模拟实验及数据分析，得到如下结论：

（1）排量和转速的增加提高了岩屑运移效率，而偏心度的增加降低了岩屑运移效率;

（2）提高钻杆转速和减小环空偏心度主要是通过减少岩屑沉积，增大悬浮层浓度，从而加速岩屑的运移;

（3）偏心度和排量二者的交互作用对提升岩屑运移效率较为显著，且交互影响效果强于排量影响效果，弱于偏心度影响效果。

参考文献

[1]倪晓东，高艳宁.大斜度井段岩屑床厚度计算模式研究[J].中州煤炭，2016（06）：131-134.

[2]杨玉良，蒲晓林，魏治明.水平井岩屑床清除的应用研究[J].钻井液与完井液，1994（01）：16-20.

[3]魏纳，刘洋，崔振军，江林，李海涛，徐汉明.海洋天然气水合物层钻水平井不同扩径方式携岩能力图版[J].石油钻采工艺，2019，第41卷（4）：435-440

[4]汤捷.水平井片状岩屑启动及运移规律研究[D].东北石油大学，2019.

[5]魏纳，孟英峰，李皋等.欠平衡钻水平井岩屑运移可视化实验[J].天然气工业，2014，（1）：80-85.

[6]宋巍.水平井岩屑运移规律研究[D].西南石油大学，2013.

[7]司守奎.Python数学实验与建模.[M].北京：科学出版社，2020：150–155.

课题：水平井片状岩屑高效清除实验 （课题编号：2020KSZ01050）