水平井片狀巖屑運移可視化實驗研究

劉宇涵 鐘瀚宇 李野松 楊普

摘要：為探究影響水平井片狀巖屑運移效率相關因素的影響效果，本研究參考邊界層繞流理論和解析運移模型，確定鉆井液排量、鉆桿轉速、環空偏心度等作為對運移效率具有顯著影響的工況因素，并選取參數范圍，使用巖屑運移實驗裝置開展了水平井片狀巖屑運移模擬實驗。基于水平環空巖屑運移分層模型理論，研究巖屑受力、運移方式和影響因素交互影響，進而找出各因素的影響作用以及各因素之間的交互作用。

關鍵詞：水平井;片狀巖屑運移;分層模型;方差分析

1引言

1.1研究背景

近年來，由于水平井、大位移井可以較大限度地增大儲層泄油面積，提高油氣采收率，因此在海洋、深部地層以及非常規油氣藏的開發中越來越多地采用水平井的開采方式，但在鉆井過程中出現的巖屑沉積、巖屑運移效率低等問題也非常明顯[1]。巖屑受重力作用沉積到底部形成巖屑床，對生產造成安全隱患。

本課題基于流體流動攜巖模型，通過對片狀巖屑懸浮、滾動、階躍運動的臨界條件進行分析，將鉆桿轉速、排量、偏心度三個因素作為實驗變量，采用片狀巖屑和長水平模擬井筒模擬真實情況下的巖屑運移過程，結合回歸分析和含有交互項的雙因素方差分析方法，研究實驗變量對巖屑運移效率的影響效果，為提高巖屑運移效率提供理論依據。

2巖屑運移受力分析

片狀巖屑主要受到液流推動力、摩擦力;重力、浮力和支撐力，以巖屑運移的三種模式[2]進行具體分析。

（1）懸浮

懸浮是片狀巖屑運動的方式之一，引起懸浮的主要因素是紊動作用。片狀巖屑輸送量可間接代表其運移速度，流量越大，巖屑輸送量也越多。懸浮巖屑在沉降過程中被渦流帶回上層，沉降速度變慢。

（2）滾動

位于巖屑床表面的片狀巖屑，當氣液流推動力大于片狀巖屑所受摩擦力時，由于巖屑床表面的粗糙度較高，會形成滾動。

（3）躍移

在水平井段中，重力是構成水平摩擦阻力的主要作用力，施加在片狀巖屑上的動力主要為氣液兩相的阻力，當發生躍移時，片狀巖屑將不落回巖屑床表面而保持振蕩懸浮運移狀態。

經以上分析，發現影響巖屑運移的主要因素有鉆桿轉速、排量、偏心度等，本實驗選取此三種變量進行巖屑運移模擬實驗，觀測并驗證巖屑運移狀態，進一步研究各影響因素的作用效果以及因素間的交互作用。

3巖屑運移狀態

通過模擬現場實驗，再結合巖屑運移模型，發現隨著鉆井液流速增大，有如下巖屑運移狀態：

（1）靜止巖屑床

流速較低時，拖曳力和舉升力影響很小，片狀巖屑在重力影響下沉降堆積，形成巖屑床，此時片狀巖屑基本靜止于巖屑床面。

（2）移動、靜止巖屑床

當流速增加至一定程度，床面片狀巖屑就開始向前運移，巖屑之間碰撞躍移上升后又掉落至床面，啟動速度較大的片狀巖屑還可能再次反彈[4]。

（3）巖屑懸浮、移動和靜止巖屑床

流速進一步增加，片狀巖屑浮重與渦旋效應較弱，躍移片狀巖屑將不落回巖屑床表面而保持振蕩懸浮運移狀態，此時既存在懸浮層，又存在移動和靜止巖屑床[5]，巖屑懸浮層的存在有利于巖屑運移。

（4）巖屑懸浮、移動巖屑床

流速增至足以將移動巖屑床舉升至主流區，鉆井液不斷驅使靜止巖屑床開始向前運移，直至靜止巖屑床全部消失，僅剩懸浮層和移動巖屑床[4]。

（5）非均勻懸浮

當流速繼續增大，巖屑所受拖曳力開始占主導作用，此時巖屑所受的上舉力也逐漸增大，巖屑從沉積狀態轉變為懸浮狀態，此時巖屑全部懸浮于環空，且下部的巖屑濃度明顯高于上部[6]。

（6）均勻懸浮運移模型

在足夠高的剪切速率下，鉆井液紊流流動，巖屑沉降速度較小起主導作用的拖曳力驅動巖屑隨液相一起流動，固液兩相間不存在滑脫，整體呈現為均勻的懸浮流動狀態[6]。

4巖屑運移模擬實驗

4.1實驗裝置

本實驗依據實際水平井的結構情況，設計并組裝了一套長度為20.8m，環空內徑220mm、鉆具外徑127mm、鉆頭及鉆具連接處外徑170mm的可視化水平環空巖屑運移模擬裝置。

為與實際鉆井情況一致，所用巖屑為片狀巖屑;考慮實驗的可視化及設備使用等原因，使用清水模擬鉆井液。

4.2實驗參數確定

在水平段鉆進過程中，影響巖屑運移且模擬實驗調節的參數主要包括：鉆井液排量、環空偏心度、鉆桿轉速等。實驗參數范圍如表 4 1所示：

5實驗分析

下面以鉆井液排量、鉆具轉速和環空偏心度作為因素展開雙因素方差分析，過程中采用Python statsmodels函數庫編程計算。

5.1等重復試驗的雙因素方差分析

構建的雙因素方差分析模型，對模型假設進行檢驗并導出檢驗統計量，根據檢驗量展開檢驗分析交互效應是否顯著[7]。

在控制鉆桿轉速10r/min的情況下，進行排量與偏心度的正交試驗，測量巖屑運移出井筒所需時間，正交試驗表如圖5-1所示。

利用結果進行方差分析，如表5-2所示：

表中x1和x2分別表示排量和偏心度，在顯著性水平為0.05的情況下，當時，可認為該因素對指標的影響顯著，從分差分析結果，可知偏心度和排量的交互效應顯著。因此，在實際應用中，選取適當偏心度和排量的組合將提升巖屑運移效率。

6結論

通過理論分析，并結合巖屑運移模擬實驗及數據分析，得到如下結論：

（1）排量和轉速的增加提高了巖屑運移效率，而偏心度的增加降低了巖屑運移效率;

（2）提高鉆桿轉速和減小環空偏心度主要是通過減少巖屑沉積，增大懸浮層濃度，從而加速巖屑的運移;

（3）偏心度和排量二者的交互作用對提升巖屑運移效率較為顯著，且交互影響效果強于排量影響效果，弱于偏心度影響效果。

參考文獻

[1]倪曉東，高艷寧.大斜度井段巖屑床厚度計算模式研究[J].中州煤炭，2016（06）：131-134.

[2]楊玉良，蒲曉林，魏治明.水平井巖屑床清除的應用研究[J].鉆井液與完井液，1994（01）：16-20.

[3]魏納，劉洋，崔振軍，江林，李海濤，徐漢明.海洋天然氣水合物層鉆水平井不同擴徑方式攜巖能力圖版[J].石油鉆采工藝，2019，第41卷（4）：435-440

[4]湯捷.水平井片狀巖屑啟動及運移規律研究[D].東北石油大學，2019.

[5]魏納，孟英峰，李皋等.欠平衡鉆水平井巖屑運移可視化實驗[J].天然氣工業，2014，（1）：80-85.

[6]宋巍.水平井巖屑運移規律研究[D].西南石油大學，2013.

[7]司守奎.Python數學實驗與建模.[M].北京：科學出版社，2020：150–155.

課題：水平井片狀巖屑高效清除實驗 （課題編號：2020KSZ01050）