鉆井液黏度影響定向井及水平井?dāng)y砂規(guī)律的室內(nèi)研究

吳宇，王昌軍，王志龍　(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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鉆井液黏度影響定向井及水平井?dāng)y砂規(guī)律的室內(nèi)研究

吳宇，王昌軍，王志龍(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]利用自制的可視化模擬攜砂裝置，通過統(tǒng)計計算出砂量與加砂量之比(攜砂率)，研究了3種不同黏度流體在定向井以及水平井中的攜砂規(guī)律。結(jié)果表明，在不同井斜角、不同黏度的情況下，流體的攜砂率是不一致的。當(dāng)井斜角為45°時，低黏流體不利于攜砂，提高流體黏度有利于提高攜砂率；當(dāng)井斜角為60～90°(大斜度及水平井段)時，高黏流體從沉積的巖屑床上方滑過，攜砂率下降，而低黏流體能對巖屑床產(chǎn)生擾動作用，提高巖屑的攜帶效率。這項研究結(jié)果為定向井和水平井鉆井液流變參數(shù)的選擇提供了重要參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]定向井；水平井；鉆井液黏度；井斜角；模擬裝置；攜砂率

隨著勘探開發(fā)要求的不斷提高，定向井及水平井廣泛應(yīng)用于開發(fā)海洋和陸地情況復(fù)雜的油田，而井眼清潔問題已成為定向井及水平井鉆井安全、效率的關(guān)鍵問題之一[1,2]。在鉆井過程中，巖屑在井筒中堆積形成巖屑床，繼而導(dǎo)致蹩扭矩、蹩泵壓、卡鉆具等一系列問題[3]。影響定向井及水平井段巖屑攜帶的因素眾多，例如：與鉆井液相關(guān)的包括鉆井液環(huán)空返速、流變性、密度等，與巖屑相關(guān)的包括巖屑粒徑、表面粗糙度、形狀和密度等，其他因素還包括井斜角、機械鉆速等[4～11]。其中，鉆井液黏度是影響巖屑攜帶的主要因素[12]。針對這一主要因素，筆者應(yīng)用自制的可視化模擬攜砂裝置進行了室內(nèi)研究分析，這對海洋及陸地油田定向井及水平井段井眼清潔具有重要指導(dǎo)意義。

1定向井及水平井巖屑沉降情況分析

巖屑在井筒中的沉降情況大致分為3種[13]。第1種是在直井中，巖屑沉降速度只有軸向分量，這種情況下提高鉆井液黏度有利于增大攜砂率。第2種是在有斜度的井中，巖屑沉降速度具有軸向分量和徑向分量，在徑向分量的影響下，巖屑會向井筒低邊沉降，從而形成巖屑床。同時，巖屑床表面的顆粒又受到鉆井液的拖曳、舉升、懸浮等作用，并克服重力、塑性力等阻力作用[14]，巖屑顆粒在巖屑床表面滾動，或舉升至上層流體之中，表現(xiàn)為接觸、懸移、躍移、層移等運動形式[15]。第3種是在水平井中，巖屑的沉降速度只有徑向分量。當(dāng)井斜角逐漸增大時，巖屑沉降速度的軸向分量逐漸減小至0，徑向分量逐漸增至最大，巖屑顆粒主要表現(xiàn)為在巖屑床表面滾動，難以被舉升至上層流體之中，此時增大鉆井液黏度反而不利于攜砂。

2可視化模擬攜砂試驗研究

2.1可視化模擬攜砂裝置簡介

針對大斜度井段巖屑攜帶的問題，國外石油院校和科研院所建立了形式和性能各樣的模擬攜砂試驗平臺，較為著名的是塔爾薩大學(xué)的TUDRP室外實驗平臺[13,16]，其他如Heriot-Watt大學(xué)，F(xiàn)rancais du Petrole Institute[17]，BJ Services[18]和METU[19]等研究單位也建立了相關(guān)的實驗平臺，國內(nèi)相關(guān)研究和報道很少。筆者試驗所用設(shè)備是由長江大學(xué)和中海油服聯(lián)合研制的可視化模擬攜砂裝置，見圖1。該裝置井筒全長7m，內(nèi)徑122.5mm，為可視透明材料制作，能實時觀察鉆屑在井筒中的運移規(guī)律，同時具有連續(xù)的加砂出砂系統(tǒng)，能實時統(tǒng)計計算攜砂率。裝置井斜角0～90°可調(diào)，環(huán)空返速0～2m/s可調(diào)，模擬鉆桿轉(zhuǎn)速0～150r/min可調(diào)。

圖1　大斜度井可視化模擬攜砂裝置

2.2攜砂率的評價方法

由于該實驗設(shè)備巖屑供給總量是有限的，隨著試驗的進行，環(huán)空巖屑最終會清除干凈，所以該試驗統(tǒng)一規(guī)定10min內(nèi)的出砂總量與總加砂量的比值為攜砂率Ea，其計算表達式為：

式中：m為10min內(nèi)出砂總量，kg；M為加砂總量，kg。

3試驗結(jié)果與評價

試驗選用清水、Polymer 1和Polymer 2這3種不同黏度的流體模擬攜砂情況，其流變性能見表1。

表1　試驗用流體流變性能

注：μa為表觀黏度；Nφ6、Nφ3分別為6速旋轉(zhuǎn)黏度計6、3r/min對應(yīng)的讀值；τ為低剪切速率下的

切力， τ=2Nφ3-Nφ6。

模擬攜砂條件為：上返流速0.9m/s，加砂總量80kg。分別評價了在不同井斜角下，不同黏度流體對攜砂率的影響，結(jié)果見表2。

1)當(dāng)井斜角為45°時，增大流體黏度有利于攜砂，Polymer 2的攜砂率>Polymer 1的攜砂率>清水的攜砂率。這是因為在45°井斜角下，巖屑顆粒容易被舉升至上層流體之中，巖屑床的下滑會引起巖屑顆粒的二次夾帶，造成低黏的流體不利于攜砂。因此增大黏度有利于懸浮攜帶這部分巖屑，從而增大攜砂率。

表2　在不同井斜角下流體黏度對攜砂率的影響

2)當(dāng)井斜角為60°時，在保證流體能擾動巖屑床的情況下適當(dāng)增大黏度更加利于攜砂，Polymer 1的攜砂率>清水的攜砂率>Polymer 2的攜砂率。這是因為在60°井斜角下，仍有少部分巖屑被舉升至巖屑床上層流體之中，適當(dāng)增大黏度有利于懸浮攜帶這部分巖屑，但繼續(xù)增大黏度會導(dǎo)致流體由紊流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，反而不利于攜巖(這與Okrajni[13]的研究相符合)。因為這種情況下，巖屑的軸向沉降速度分量逐漸減小，巖屑床的軸向下滑趨勢逐漸減弱，高黏流體懸浮巖屑的優(yōu)勢也逐漸減弱，因黏滯阻力的增大造成流體動能減小的劣勢逐漸增強，所以一味地增大黏度反而會降低攜砂率。

3)當(dāng)井斜角為90°時，低黏流體比高黏流體更利于攜巖，清水的攜砂率>Polymer 1的攜砂率>Polymer 2的攜砂率。這是因為在90°井斜角(水平段)下，巖屑顆粒主要表現(xiàn)為在巖屑床表面滾動，難以被舉升至上層流體之中，高黏流體從沉積的巖屑床上方滑過，導(dǎo)致攜砂率下降，而低黏流體能對巖屑床產(chǎn)生擾動作用，提高了巖屑的攜帶效率。

4結(jié)論

1)當(dāng)井斜角為45°時，巖屑顆粒容易被舉升至上層流體之中，同時巖屑床的下滑會引起巖屑顆粒的二次夾帶，造成低黏流體不利于攜砂，此時增大流體黏度有利于提高攜砂率。

2)當(dāng)井斜角為60°時，不斷地增大黏度反而會降低攜砂率，此時選擇黏度適當(dāng)?shù)牧黧w更有利于攜砂。

3)當(dāng)井斜角為90°(水平井段)時，低黏流體能對巖屑床產(chǎn)生擾動作用，提高了攜帶巖屑的效率，此時低黏流體比高黏流體更有利于攜帶巖屑。

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[編輯]帥群

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)5-0054-04

[中圖分類號]TE254

[作者簡介]吳宇(1991-)，男，碩士生，從事油氣田應(yīng)用化學(xué)方向的研究與學(xué)習(xí)；通信作者：王昌軍，gimwang0424@163.com。

[基金項目]中海油田服務(wù)股份有限公司科研項目(G1415CS-B21C012)。

[收稿日期]2015-10-20

[引著格式]吳宇，王昌軍，王志龍.鉆井液黏度影響定向井及水平井?dāng)y砂規(guī)律的室內(nèi)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版), 2016,13(5):54～57.