气体钻井全井段环空流场改善方法

摘 要

摘要：气体钻井以可压缩气基流体作为循环介质，环空流速沿井深分布不均，容易导致下部井段井眼净化不良、上部井段冲蚀严重等问题。因此，有必要对气体钻井全井段环空流场进行优化改
摘要：气体钻井以可压缩气基流体作为循环介质，环空流速沿井深分布不均，容易导致下部井段井眼净化不良、上部井段冲蚀严重等问题。因此，有必要对气体钻井全井段环空流场进行优化改善。借助现代计算流体力学，考虑钻具偏心、旋转、截面突变等复杂情况，建立了气体钻井的环空流体动力学数值分析模型，计算得到了任意井深处环空多相流动规律，并对其影响因素进行了分析，总结出了一套全井段环空流场改善方法，并采用有限体积法对该方法的可行性进行了数值评价。结果表明：井口加载回压配合井下气体分流技术能有效地限制上部井段环空流速，减少冲蚀，降低井底压力和地面注气压力，提高下部井段井眼净化能力和水力能量利用效率，实现改善全井段环空流场的目的。
关键词：气体钻井；环空流场；数值分析；流体力学；回压；井下气体分流
0 引言
    气体钻井技术以气基流体作为循环介质，能保持钻进过程处于绝对欠平衡状态，提高机械钻速，及时发现和保护油气层[1]。气基流体在下部井段受压减速，携带岩屑能力弱，在上部井段减压膨胀，冲蚀作用明显[2]，水力能量利用效率低。因此，有必要对气体钻井环空速度场、压力场、浓度场分布进行改善。
    随着气体钻井技术的推广运用，国内外加强了对环空流体动力学的研究，采用解析法[3～4]和有限体积法[5]对环空流场分布规律进行了分析，提出通过井口加载回压削弱冲蚀作用[5]，通过井下气体分流降低井底压力[6～7]。调研发现，已公开发表的文献还没有形成一套完整的气体钻井全井段环空流场改善方法。因此，基于现代计算流体力学基本原理，考虑钻具偏心、旋转、截面突变等复杂情况，建立模型，对环空流场进行定量分析，提出了一套全井段环空流场改善方法，并对该方法的可行性进行了数值论证。
1 计算模型
1.1 基本假设
    1) 环空流动为气固两相流，两相间不存在质量交换。
    2) 颗粒直径沿程保持不变[4]。
1.2 力学模型
1.2.1连续性方程
气体钻井环空气固两相间不存在质量交换，连续性方程描述如下：
 
式中vm为混合速度，m/s；ρm为混合密度，kg/m3。
1.2.2动量方程
    系统体积力由重力产生，动量方程描述如下：
 
式中n为相数；μm为混合黏度，kg/(m·s)；αk为k相的体积分数；g为重力加速度，m/s2；vdr,k为k相的漂移速度，m/s；p为压力，Pa；ρk为k相的密度，kg/m3。
1.2.3能量方程
气体体积受温度影响较大，环空流场评价必须考虑能量交换过程，系统不存在热源项，能量方程简化如下：
 
式中keff为有效热传导率，W/(m·k)；Ek为第k相流体的能量，J；T为温度，K。
1.2.4相对速度方程
   vqp=vp-vq    (4)
式中vp为颗粒速度，m/s；vq为气体速度，m/s。
1.2.5颗粒体积分数方程
   
式中αp为颗粒体积分数；ρq为颗粒密度，kg/m3；vdr,p为漂移速度，m/s。
1.2.6 RNGk-ε湍流方程[5]
   气体钻井存在流道截面突变、钻具旋转、偏心等复杂情况，流体运动时会出现强漩流。重整化群(RNGk-ε)湍流方程改进了ε方程，并为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，更加适合对气体钻井环空流场进行数值评价。
1.3 边界条件
    岩屑初始浓度由机械钻速确定，物理模型建立过程中参考坐标采用旋转坐标系，以考虑钻具的转动。
2 算例分析
2.1 计算参数
    井身结构为Φ215.9mm井眼、井深3400m、Φ244.5mm套管下至2400m、套管内径为222.4mm。
   钻具结构为Φ215.9mm钻头+Φ158.75mm钻铤(5柱)+ Φ127mm钻杆。
    岩屑密度为2600kg/m3、机械钻速为20m/h、颗粒直径为3 mm、地温梯度为2.2°/100m、转速为60r/min。
2.2 设计参数条件下的环空流场
    采用建立的计算模型，对气体钻井环空流体动力学进行了数值模拟。根据压力分布图可知(图1)，在下部井段(尤其是钻铤段)环空压力下降较快，钻铤段长度仅占总井深的3.97%，压降却达到了整个环空压降的20.8%。环空速度场沿井深分布不均，在“关键点”(实质是钻铤与钻杆连接处、存在截面突变那一段)和井底，气流速度分别为10.01m/s和11.49m/s，该处容易出现井眼净化不良的问题。气体在向上运移过程中，减压膨胀，到达井口时，流速达到71.61m/s，是“关键点”气流速度的7.15倍，远远超出了井眼净化的要求，夹杂固体颗粒的高速气流必将对环空井壁和钻具造成冲蚀。
    气体钻井速度场沿井深呈现出“上大下小”的特征，提高井眼净化能力和减小冲蚀作用难以得到同时满足，环空速度场分布有待改善。
    取不同注气量对气体钻井环空流场进行了数值模拟，结果表明：井底压力随注气量的增加先减后增，存在一个临界点(图2)。计算条件下，注气量从97.96m3/min增加到146.94m3/min，“关键点”、井底气体速度仅增加4.4%和4.0%，而井口气流速度却增加了近5倍。所以超过一定值后，继续增加注气量，并不能有效提高下部井段气流速度，从而提高下部井段井眼净化能力，反而会导致上部井段冲蚀严重和水力能量的不必要浪费。
 

    气体钻井环空速度场沿井深分布不均，地面注气压力高，全井段环空流场还有待改善，以实现提高机械钻速，节约钻井成本的目的。
3 气体钻井环空流场改善方法
3.1 全井段环空流场改善原理
    与钻井液相比，气基流体具有较大的压缩性，气体体积受环境压力影响较大，这既是导致环空速度场分布不均的主要原因，也是环空流场改善方法的理论依据。在井口加载一定回压后，上部井段环空压力增加，气体压缩，流速降低，削弱了冲蚀作用。下部钻具组合中配上特别设计的井下气体分流器(DHAD)，通过具有特殊结构、外形和喷射角度的喷嘴，将钻杆内部分气体直接分流，排入环空，在环空分流处形成局部压降，下部井段环空压力降低、气体膨胀，流速加快，携带岩屑能力得以提高，同时降低注气压力，减少压缩气体的设备和燃油消耗，进而节约钻井成本。气体钻井全井段环空流场改善的基本原理就是利用气基流体的可压缩性，通过改变环空压力场分布来使速度场沿井深分布更加均匀、合理，进而实现改善环空速度场的目的。
3.2 全井段环空流场改善方法数值评价
    采用有限体积法，对加载不同回压和通过井下气体分流器(DHAD)分流20m3气体后全井段环空流场进行了数值模拟，以评价环空流场改善方法的可行性。
    从井口压力对环空流场的影响曲线(图3)可以看到，井口压力从0.1MPa增加到0.4MPa，井口、“关键点”、井底气体速度分别减小75%、6.0%、3.8%，井底压力增加3.99%，井口加载一定回压后，上部井段环空流速明显减小，削弱了夹杂固体颗粒的高速气流对环空井壁和钻具的冲蚀作用，而井口回压的增加并不会明显影响井底压力。所以，通过在井口加载一定回压，可实现对上部井段环空流场的改善。
 

    通过井下气体分流器(DHAD)分流20m3气体后(图4)，环空气体分流处产生了约0.3MPa的局部压降，井底压力降低了21.2%。下部井段环空压力降低，气体膨胀，流速加快，携带岩屑能力得以提升。实现了改善下部井段环空流场，降低井底压力和注气压力的目的。数值模拟表明采用全井段环空流场改善方法可实现以下目的。
 

    1) 不增加注气量的前提下，提高下部井段井眼净化能力。
    2) 降低井底压力和地面注气压力，减少压缩气体的设备，降低燃油消耗。
    3) 削弱上部井段夹杂固体颗粒的高速气流对环空井壁和钻具的冲蚀作用。
4 结论
    1) 对气体钻井全井段环空流场进行了数值模拟，指出了环空流场改善方向。
    2) 提出了气体钻井全井段环空流场改善方法，采用数值方法证明了该方法的可行性。
    3) 井口加载回压配合井下气体分流技术能有效提高下部井段井眼净化能力，削弱对上部井段冲蚀作用，减小注气压力，降低注气成本。
参考文献
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[2] 李爱军.空气(雾化)钻井气液固多相流模拟与分析研究[J].西部探矿工程，1997，9(3)：5-9.
[3] 苏义脑，周川.空气钻井工作特性分析与工艺参数的选择研究[J].石油勘探与开发，2005，32(2)：86-90.
[4] 王延民，孟英峰，李皋，等.超深井气体钻井环空流动研究[J].钻采工艺，2008，31(5)：10-12.
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[6] 邵长明，严新新.气体钻井技术的改进[J].国外油田工程，2007，23(7)：28-32.
[7] MELLOTT J.Technological improvements in wells drilled with a pneumatic fluid[C]∥IADC/SPE Conference，21-23 February 2006，Miami，Florida，USA.SPE，2006：SPE 99162.
 
(本文作者：刘伟1 李黔2 程桥3 伍贤柱4 王明华5 张萍1 唐洪发4 郑新华6 段长春4 1.川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院；2.西南石油大学；3.新锐油田技术服务有限公司；4.川庆钻探工程公司；5.川庆钻探工程公司川西钻探公司；6.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院)