氣體鉆井巖屑遇水黏附現(xiàn)象與對策研究

祝效華，劉 骉，門宏建，安家偉

(1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.中國石油青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202)

0 引 言

1 氣體攜水和巖屑起動實驗

氣體鉆井施工現(xiàn)場一般通過壓力表、流量計和濕度計獲取井下情況，無法直觀反映巖屑和地層水的存在形式，因此，搭建了可視化實驗臺。由于泥頁巖和水混合后黏附嚴重，無法直接觀察，在不考慮相互作用的情況下，對水平段巖屑起動和氣體攜水過程分別模擬分析[8-10]。

1.1 實驗裝置與方案

實驗裝置的可視部分全長為10 m，外管為有機玻璃，其內徑為150 mm(模擬Φ152.4 mm井眼)；內管為PVC材質，其外徑為75 mm與105 mm(分別模擬Φ73.0 mm鉆桿與接頭)。其他設備包括：高壓風機和旋轉閥各1臺；渦街流量計與蝶閥各1個；浮子流量計和球閥各1個。

實驗流程：①啟動風機，等待流量計讀數(shù)穩(wěn)定后調節(jié)蝶閥，使流量計讀數(shù)降至最小；②調節(jié)旋轉閥至指定轉速并持續(xù)加入巖屑(或通過注水管線注水)；③調節(jié)蝶閥使流量計讀數(shù)增大，觀察與拍攝巖屑(或水流)的運動狀態(tài)，當出現(xiàn)明顯變化時記錄流量計讀數(shù)。

實驗條件為：環(huán)境溫度為20 ℃；巖屑粒徑為0～8 mm；巖屑流量為0～20 kg/min；空氣流量為0～2 800 m3/h；注水流量為0.0～2.0 m3/h；鉆桿轉速為0～180 r/min；偏心度為0.0～0.2。

1.2 氣體攜水現(xiàn)象

分別以0.5、1.0、1.5、2.0 m3/h的流量向環(huán)空注水，觀察環(huán)空氣流對地層水的攜帶現(xiàn)象。實驗結果表明：水流受到重力作用匯聚在環(huán)空下部緩慢流動；隨著氣體流量增大，水流速度加快，位于環(huán)空下部的水流厚度減小并形成不均勻的水膜，少量水以懸浮液滴形式被氣流攜帶前進；氣體流速進一步增大，形成下厚上薄的波動水膜并鋪滿玻璃管內壁，懸浮液滴分散得更小且形狀扁平；當注水量越大時，攜水所需的氣體流量越大，環(huán)空內壁液膜的厚度隨之顯著增加，懸浮液滴尺寸更小、個數(shù)更多。

1.3 巖屑起動現(xiàn)象

在不考慮地層水時，為分析氣流帶動巖屑起動的過程，分別以5、10、15 kg/min的質量流量加入干燥巖屑，觀察巖屑起動情況。實驗結果表明：隨氣體流量增大，環(huán)空逐漸出現(xiàn)小粒徑巖屑堆積，粉塵狀巖屑以懸浮形式被氣流帶走；進一步增大氣體流量，各種粒徑巖屑均出現(xiàn)大量堆積并形成固定巖屑床，巖屑床整體呈長條帶狀躺于下井壁；再加大氣體流量，流速超過11 m/s時，一段時間內巖屑床體積保持穩(wěn)定，隨后巖屑床中的巖屑出現(xiàn)抖動與緩慢推移；隨氣體流量進一步增大，流速達到16.78 m/s時，巖屑床表面的巖屑開始滾動，逐步由巖屑床迎風面滾動或躍移至背風面，此時巖屑床縮短速度大于增長速度，體積逐步減小，巖屑床最后完全消失時氣體流速達到33.54 m/s。實驗中，在鉆桿環(huán)空處出現(xiàn)了固定巖屑床的形成、增長、穩(wěn)定、減小與消失的全過程。

本文研究由生產同質新能源汽車的雙寡頭車企構成的有特定需求的消費市場，企業(yè)可以通過研發(fā)高續(xù)航里程的新能源汽車來獲取更多的積分，從而出售獲取利潤。在該博弈模型中，政府首先根據(jù)當前的經濟發(fā)展需求以及科技進步需求，制定針對新能源汽車的CAFC得分效率θ1；企業(yè)在已知θ1后進行續(xù)航技術研發(fā)，決策續(xù)航里程研發(fā)量si，此時，有續(xù)航研發(fā)合作與續(xù)航研發(fā)競爭兩種情形；最后，雙寡頭新能源車企開展產量博弈。企業(yè)i的利潤函數(shù)為：

2 巖屑聚團黏附機理和對巖屑的影響

2.1 聚團黏附機理

在氣體鉆水平井鉆遇地層水時，環(huán)空會出現(xiàn)氣、液、固三相混合流動，導致巖屑顆粒與顆粒間、顆粒與井壁間黏附的主要作用力有范德華力、毛細力和靜電力。自由水受毛細力作用侵入巖屑床過程中，黏土礦物首先開始表面水化，在水化能驅動下，水分子與氧原子形成氫鍵保持在黏土表面，接著以氫鍵方式逐層連接，形成多層吸附；然后開始滲透水化，當黏土晶層吸附的陽離子濃度高于所侵入液相中的濃度時，在濃度差作用下形成的滲透壓使水分子擴散進入晶層間，增加晶層間距而形成擴散雙電層，導致了泥頁巖體積的膨脹。

在地層水大量侵入泥頁巖孔隙前，顆粒間含有部分強結合水及少量弱結合水，相互作用力較小且相對獨立，因此，黏附力很小；隨地層水的滲入，泥頁巖進入塑性階段，巖屑中含有大量弱結合水以及部分自由水，在毛細力、范德華力和靜電力作用下，巖屑顆粒之間、顆粒與介質之間的吸引力增強；隨著巖屑中含水量的進一步增加，顆粒間的毛細力由逐漸增加變?yōu)榻档停绕浯罅孔杂伤M入泥頁巖后，使得顆粒與顆粒之間、顆粒與介質之間的毛細力大幅降低，宏觀黏附力也隨之下降。

在有液相吸附于泥頁巖孔隙時，導致巖屑聚團黏附的作用力效果大小依次為毛細力、范德華力、靜電力。研究表明[11]，除強帶電性的高分子顆粒以外，顆粒間的靜電力一般遠小于范德華力和毛細力，故可忽略不計。

2.2 黏附對巖屑的影響

2.2.1 巖屑顆粒受到的黏附力

為定量研究巖屑起動時受到黏附力的阻礙作用，計算了巖屑之間以及巖屑和井壁間的范德華力Fvdw和毛細力Fc[11](表1)。

由表1可知：相同條件下毛細力遠大于范德華力，即毛細力對巖屑的黏附起決定作用；相同直徑巖屑顆粒之間的毛細力較小，巖屑顆粒與井壁間的毛細力較大；在2個接觸的巖屑顆粒間，當一個巖屑顆粒直徑給定時，毛細力隨著另一巖屑顆粒直徑的增大而增大。

表1 不同粒徑巖屑間的范德華力和毛細力

2.2.2 巖屑顆粒的起動受力

為分析巖屑起動時的受力，建立了簡化后的巖屑起動模型(圖1)。

如圖1a，當驅動力大于阻力時，巖屑顆粒達到滑動起動狀態(tài)：

F=f(λ，dv，φ，μ，θ)=FD-f-Gcosθ>0

(1)

式中：F為驅動力，N；λ為扁平度系數(shù)；dv為等效直徑，m；φ為沉陷度特征角，rad；μ為摩擦系數(shù)；θ為井斜角，rad；FD為氣流曳力，為巖屑提供沿井眼軸向的動力，N；f為顆粒起動時受到的滑動摩擦力，N；G為巖屑重力，N。

圖1 巖屑起動時受力情況

如圖1b，當驅動力矩大于阻力矩時，巖屑顆粒達到滾動起動狀態(tài)：

(2)

由于起動瞬間FN、L4、L5為0，可不考慮，故式(2)可簡化為：

M=f(λ，dv，φ，θ)=FDL1-(G-Ff)L2

(3)

根據(jù)式(1)和(3)，可以得到巖屑黏附力和起動力之間的定量關系，進而從巖屑起動過程和受力狀態(tài)的角度，分析起動力、黏附力及兩者間的相互關系隨巖屑平均粒徑的變化趨勢(圖2、3)，可得到巖屑起動的臨界條件，為后續(xù)對策的研究提供理論基礎。

圖2 不同粒徑下黏附力和巖屑起動力

由圖2可知：當巖屑粒徑為0.0～3.0 mm時，起動力FD小于最小黏附力Fcmin，可認為所有受到毛細力作用黏附的巖屑均無法起動；當巖屑粒徑為3.0～6.1 mm時，起動力FD位于最小黏附力Fcmin和最大黏附力Fcmax之間，并隨巖屑粒徑的增大而上升，逐步逼近最大黏附力Fcmax，可認為部分巖屑具有足以擺脫毛細力的起動力，并隨巖屑粒徑增大，能夠起動巖屑的比例提高。

由圖3a、b可知：當巖屑平均粒徑為0.5 mm和1.5 mm時，隨著被黏附巖屑粒徑的增大，黏附力上升，起動力保持不變，并且?guī)r屑顆粒受到的黏附力遠大于起動力，即巖屑無法起動。由圖3c可知：對平均粒徑為2.5、3.5、6.1 mm的巖屑，黏附力隨著被黏附巖屑粒徑的增大而升高，當被黏附巖屑粒徑超過3.5 mm或黏附于井壁時，起動力大于黏附力，可認為巖屑能夠起動。

3 影響因素分析

3.1 地層出水量

在氣體鉆井的水平段，根據(jù)滲流理論和勢能理論可得到地層出水流量的計算公式[12-14]。地層水是導致泥頁巖巖屑黏附的直接原因，出水量決定了環(huán)空流態(tài)和巖屑運移難度，一般認為地層出水流量QW≤2 m3/h時，可通過加大注氣量或干燥劑控制環(huán)空水量，保證氣體鉆井的進行。

圖3 巖屑的黏附力和起動力

3.2 隨鉆巖屑量

隨鉆產生的巖屑量主要取決于井眼直徑和機械鉆速，巖屑流量計算式見文獻[15-16]。

氣體鉆井的機械鉆速可達20 m/h，假設水平段井眼尺寸為152.4 mm，巖屑密度為2.8 g/cm3，由巖屑流量計算式計算得到巖屑流量為0.0～1 020.6 kg/h。在無水井眼中可通過控制機械鉆速K減小攜巖負擔，由巖屑起動實驗可知，在Φ152.4 mm井眼中按工程注氣量注氣，當0 m/h≤K<11 m/h時，可有效清潔井眼；當11 m/h≤K<15 m/h時，遇到大粒徑顆粒會出現(xiàn)滯留甚至巖屑床；當K≥15 m/h時，會出現(xiàn)不斷增長變厚的巖屑床。因此，在無出水的氣體鉆水平井中，建議將鉆速控制在15 m/h以內。

3.3 液固比

液固比即為地層出水量和隨鉆巖屑量之比，其大小直接影響著巖屑床的存在形式，隨液固比上升巖屑床由固態(tài)經半固態(tài)和塑性狀態(tài)最后變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)，巖屑的狀態(tài)決定黏附形式，使其可能以分散態(tài)、泥餅態(tài)或液漿態(tài)附著于井壁，并具有不同的強度、剛度、黏滯性和表面摩阻[17-18]。實際施工中，由傳感器測得出水量與層位，可初步判斷巖屑床形成情況，為進一步確認其存在形式、尺寸大小和黏附位置，對遇水實際井眼中的巖屑狀態(tài)進行了預測[19]。表2為給定工況下對3口井中不同出水量條件下巖屑狀態(tài)的預測，表3為D井中出水量與機械鉆速對巖屑狀態(tài)的影響。

表2 對地層出水井中巖屑狀態(tài)的預測

表3 D井不同機械鉆速(巖屑量)對巖屑狀態(tài)的影響

由于處于塑性狀態(tài)和剛進入流動狀態(tài)時的混合物黏性最強，應將井下的巖屑狀態(tài)控制在固態(tài)、半固態(tài)或液固比較高的流動狀態(tài)，以避免巖屑顆粒的聚團黏附。如表2中B井，全井段均有較嚴重的地層出水，巖屑在大部分位置都處于流動狀態(tài)，可通過控制機械鉆速減少巖屑量以提高液固比，稀釋液固兩相流，從而加速其流動。

若地層出水量較小，可通過降低液固比以控制巖屑狀態(tài)。如表3中D井，當機械鉆速為20 m/h，即巖屑流量為1 020.6 kg/h時，液固比很小，大部分巖屑的狀態(tài)為固態(tài)、半固態(tài)，只需加大注氣量以攜帶巖屑流量超過765.45 kg/h部分的巖屑(對應機械鉆速超過15 m/h)；當鉆速為10 m/h時，在井段2和4處出現(xiàn)了塑性狀態(tài)巖屑，在井段3處出現(xiàn)了低液固比的流動狀態(tài)巖屑，這2種狀態(tài)下巖屑極易黏附，僅通過加大注氣量無法有效清理，只有提高鉆速，降低液固比，使巖屑處于固態(tài)、半固態(tài)，才能更好地保證鉆進。

4 結 論

(1) 在氣體鉆井的水平段，除少量小顆粒外，大部分巖屑沉積于下井壁緩慢前進，環(huán)空中的水主要以水膜形式緊貼井壁流動并伴隨少量懸浮液滴。

(2) 巖屑吸入地層水發(fā)生水化作用，導致顆粒在毛細力作用下黏附聚團，使平均粒徑為0.5 mm和1.5 mm的所有巖屑，以及平均粒徑為2.5、3.5、6.1 mm的部分巖屑無法起動。

(3) 在出水量小的地層，可通過提高鉆速，增大固體巖屑流量，使巖屑床處于固態(tài)，不易黏附；在出水量大的地層，可通過控制鉆速，減小固體巖屑流量，使巖屑與溶液混合物處于流動狀態(tài)，以避免黏附，從而為遇水情況下氣體鉆水平井的順利進行奠定技術基礎。