水平井段連續管多形態流域可溶橋塞碎屑運移規律

王龍 徐燕東 王鎖男 吳春洪 任海冰 張磊 楊敏杰

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 2.中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室 3.長江大學機械工程學院 4.中國石油集團西部鉆探工程有限公司井下作業公司)

0 引 言

連續管可鉆式橋塞分段多簇壓裂技術可以改造油氣層，利于油氣增產增效[1]。在油氣田開采過程中，水平井段可鉆式橋塞壓裂會在井底形成樹狀裂縫，加速儲油層原油進入井底。在實際工作中，連續管內下放鉆磨設備清除封堵橋塞，會產生大量碎屑，在工作液動力下，碎屑從井底經由環空段排出井口[2-3]。若碎屑堆積過多則會引起卡鉆等風險事故，因此可以通過分析碎屑在水平井段的體積分數來研究碎屑的運移規律。

目前國內外學者針對碎屑運移規律進行了不少研究。A.M.AWAD等[4]利用流體力學的方法，研究了不同管柱偏心距對巖屑體積分數的影響；M.M.HUQUE等[5]通過試驗得到了巖屑運移力學三層模型；S.GULRAIZ等[6]采用CFD數值模擬方法，得出了巖屑運移與粒徑或者顆粒形狀不存在一一對應的關系；M.M.HUQUE等[7]通過試驗發現，在不形成流砂床的情況下高效清孔需要一個湍流的流態；O.ERGE等[8-9]提出了新型的巖屑運移模型，研究了包括管道旋轉、偏心及堵塞等本質的影響；M.M.HUQUE等[10]通過數值模擬CFD和試驗設計的方法發現鉆井液黏度和速度表現出正效應；PANG B.X.等[11]的數值模擬結果表明，鉆磨液黏度有助于在低環空流速下巖屑運移；S.AKHSHIK等[12]通過CFD-DEM模型的方法研究發現，巖屑運移效率還受環境溫度和注入壓力的影響；劉少胡等[13]通過CFD數值模擬的方法發現，破壞器對井眼的清潔效果很明顯；汪皖等[14]通過數值模擬的方法得到隨著管柱轉速的增大，巖屑運移的效果增強。

盡管國內外學者對巖屑運移規律展開了不少研究，但針對連續管螺旋屈曲狀態時碎屑運移規律的研究還較少，因此有必要對連續管不同形態下碎屑運移的規律進行研究。當連續管所受的軸向力超過了臨界值，該段連續管將會失穩進入屈曲狀態[15]。因此，本文運用CFD技術，在不同條件下[16]針對不同連續管形態下碎屑運移的規律展開研究。所得結果可有效預防井下卡鉆等風險。

1 連續管無屈曲狀態時碎屑運移規律

1.1 水平井段環空模型及邊界條件

1.1.1 環空模型和假設條件

參考連續管在水平井段的工作參數，建立長度為20 m，連續管外徑為50.8 mm，井筒內徑為118.0 mm的環空流道模型。考慮到水平段連續管鉆磨施工中井身結構、鉆具組合及碎屑物性參數等硬件因素和鉆磨液流動無規律的特點，為了方便對環空模型中的碎屑進行數值模擬，簡化了鉆磨時的一些影響因素，做出如下假設條件：①水平段連續管和套管的直徑不變，并且連續管和套管的表面粗糙度均勻；②忽略水平井段某些原因產生氣體、液體而對鉆磨液黏度產生的影響；③固相顆粒形狀為球體，并且直徑均勻不變。

1.1.2 網格模型和邊界條件

根據連續管無屈曲狀態時水平井段環空模型的特點，為了提高數值模擬的準確性，對環空模型采用六面體網格進行劃分。根據連續管在水平井段鉆磨橋塞時的實際情況，給出適當的邊界條件。入口條件：采用速度入口，入口流體的速度方向垂直于入口的邊界面；出口條件：采用壓力出口，出口壓力值由工作參數獲得；壁面條件：連續管的外壁面和套管的內壁面為固定壁面，壁面的摩擦屬性定義為無滑移[17]。模擬時(碎屑以復合材料替代)具體參數如表1所示。

表1 模擬參數設置

1.1.3 網格無關性分析

應用Fluent軟件對水平井段中碎屑進行數值模擬。環空段模型的網格數量和網格質量對計算結果的準確性有著較大影響，當連續管在水平井段無屈曲狀態時，采用六面體網格劃分，分析不同網格數量時計算結果的變化。網格數量的設置范圍為(16～55)萬，計算結果以出口固相(碎屑)流速和出口鉆磨液流速為對比參數，計算結果對比如圖1所示。

圖1 網格無關性驗證圖

如圖1所示，隨著網格數量的增加，鉆磨液的出口速度變化范圍較小。當網格數量從16萬增長到31.6萬時，碎屑的出口速度增長得很明顯，但當網格數量從31.6萬再增加時，碎屑的出口速度變化范圍很小，且趨于平穩。因此選擇環空模型網格數量為31.6萬時的計算模型為分析模型。

1.2 水平井段橋塞碎屑體積分數影響因素分析

1.2.1 橋塞碎屑在流向長度上的分布規律

由于影響水平井環空段橋塞碎屑運移的因素很多，情況多種多樣，故選擇其中一種情況來分析。對于可溶橋塞，選擇初始復合材料(聚乙醇酸)體積分數1%、鉆磨液流量400 L/min、鉆磨液黏度38 mPa·s。根據前文的邊界條件進行數值模擬分析。由于所選取的環空模型長度為20 m，從入口到出口每隔1 m取1個截面，一共有21個截面。為了可以很明顯地看出橋塞碎屑在流向長度上的分布規律，選擇部分截面來進行分析。復合材料的體積分數云圖如圖2所示。

圖2 復合材料在不同截面上的體積分數云圖

復合材料的最大體積分數從距離入口(z)0.5、1.0、2.0及14.0 m處依次為17.4%、33.9%、31.3%和26.5%。復合材料的體積分數從距入口0.5 m處至距離入口1.0 m處最大體積分數增大了16.5個百分點，再至距入口2.0 m處最大體積分數減少了2.6個百分點，最后至距出口處減小了4.8個百分點。復合材料在出、入口附近的體積分數較小，說明在出口有部分復合材料排出；而靠近入口處復合材料的體積分數較大，說明在入口附近形成了堆積。這是由于鉆磨液在入口附近的流速較小，攜屑能力較弱，導致聚乙醇酸在入口附近有部分堆積。聚乙醇酸在入口附近形成堆積后，該處的流體域橫截面積減小，在鉆磨液流量不變的情況下，流體域的橫截面積越小，該處的鉆磨液流速就越大，對后面碎屑的運移越有利，故后面聚乙醇酸的體積分數有所下降。

1.2.2 鉆磨液黏度對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，鉆磨液黏度會根據現場鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液黏度μ為10、20、30和40 mPa·s時，水平井環空段橋塞碎屑的體積分數分布，計算結果如圖3所示。

圖3 不同鉆磨液黏度下復合材料體積分數分布曲線

由圖3可以分析出，當鉆磨液黏度較大時，出口處復合材料的平均體積分數較大。這說明當鉆磨液的黏度較大時，橋塞碎屑更易被運移出去。當鉆磨液黏度較小時，橋塞碎屑的最大體積分數較小，說明鉆磨液的低黏度有更好的流動性，可以使橋塞碎屑容易被沖刷。

1.2.3 鉆磨液流量對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，鉆磨液流量Q會根據現場鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液流量Q為300、350、380和400 L/min時，水平井環空段橋塞碎屑的體積分數分布，計算結果如圖4所示。

圖4 不同鉆磨液流量下復合材料體積分數分布曲線

通過圖4可以分析出，當鉆磨液流量為350和400 L/min時，出口處橋塞碎屑的平均體積分數較大，說明橋塞碎屑更易被運移出去。而當鉆磨液流量越大時，出口處的橋塞碎屑最大體積分數越小，說明在出口處橋塞碎屑沒有形成堆積。

1.2.4 固相初始體積分數對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，碎屑初始體積分數α會隨著水平井段不同工況而有所變化，因此設置碎屑初始積分數α為1%、2%、3%、4%和5%時，水平井環空段橋塞碎屑的體積分數分布，計算結果如圖5所示。由圖5可以看出，復合材料的初始體積分數越大，每個截面上復合材料的平均體積分數和最大體積分數也越大，說明固相的初始體積分數與碎屑的平均體積分數和最大體積分數呈正相關。

圖5 不同固相初始體積分數下復合材料體積分數分布曲線

2 連續管偏心時碎屑運移規律

2.1 水平井段環空模型及邊界條件

參考連續管在水平井段的工作參數，建立長度為22 m，連續管外徑為50.8 mm，井筒內徑為118.0 mm，偏心距離s分別為5、10、15、20和25 mm的環空流道模型。依據連續管處于偏心狀態時水平井段環空模型的特點，對此環空模型采用六面體網格進行劃分，邊界條件見前文。

2.2 水平井段橋塞碎屑體積分數影響因素分析

2.2.1 不同偏心距離下碎屑體積分數分析

分析不同偏心距離下碎屑體積分數，進行數值模擬，得到的云圖如圖6所示。

圖6 不同偏心距離下流向長度為2 m時的聚乙醇酸體積分數云圖

由圖6可以看出，隨著偏心距離的增加，聚乙醇酸的分布范圍逐漸減小，說明聚乙醇酸更難以被運移出去。

2.2.2 偏心距離對碎屑運移的影響分析連續管偏心距離s為5、10、15、20和25 mm時橋塞碎屑體積分數的變化，結果如圖7所示。

圖7 不同偏心距離下聚乙醇酸體積分數分布曲線

通過圖7可以分析出，當偏心距離為5 mm時，出口處橋塞碎屑的平均體積分數最大，此時碎屑最易被運移出去。當偏心距離增大時，出口處碎屑的最大體積分數先減小后增大，說明隨著偏心距離的增加，碎屑在出口處因環空管內流體形狀的變化對堆積狀態有影響。偏心距離為10和15 mm時，碎屑最大體積分數減小，流體沖刷不易形成堆積；偏心距離為20和25 mm時，碎屑最大體積分數成倍增加，流體沖刷能力減弱，極易形成堆積。

3 連續管螺旋屈曲狀態時碎屑運移規律

3.1 水平井段環空模型及邊界條件

在某些情況下，尤其是注入工況時，連續管可能受負的軸向力(壓力)，如果軸向力的絕對值超過了臨界值，該段連續管將會失穩進入屈曲狀態。當軸向力繼續增大到一定值后，連續管就會呈現螺旋屈曲狀態。建立連續管螺旋屈曲時的數值模型需要根據下式計算出螺距：

(1)

式中：P為螺距，mm；Ft為軸向力，N；EI為管柱的剛度，N·m2。

根據工作參數，可算出螺距P=11 m。連續管外徑50.8 mm，套管內徑118.0 mm，為了方便研究，建立環空模型長度為22 m。依據連續管螺旋屈時的模型特點，對此環空模型采用四面體網格進行劃分，邊界條件見前文。

3.2 水平井段橋塞碎屑體積分數影響因素分析

3.2.1 橋塞碎屑在流向長度上的分布規律

由于影響水平井環空段橋塞碎屑運移的因素很多，情況多種多樣，故選擇其中一種情況來分析，邊界條件如表1所示。根據確定的邊界條件進行數值模擬分析。由于所選取的環空模型長度為22 m，從入口到出口每隔1 m取1個截面，一共有23個截面。為了可以很明顯地看出橋塞碎屑在流向長度上的分布規律，選擇部分截面來分析。復合材料的體積分數云圖如圖8所示。

圖8 復合材料在不同截面上的體積分數云圖

由圖8可知，復合材料的最大體積分數從距離入口0.3、0.7、1.5和22.0 m依次為6.83%、13.3%、30.3%和0。分析這些截面上最大復合材料的體積分數可以看出，復合材料從距入口0.3 m處至距入口0.7 m處最大體積分數增加了6.47個百分點，再至距入口1.5 m處最大體積分數增加了17個百分點，最后復合材料出口體積分數為0。這說明沒有復合材料運移出去，復合材料都堆積在入口附近。這可能是由于當連續管在水平井段狀態為螺旋屈曲時，連續管與套筒緊貼，它們之間的間隙過小，故當碎屑為復合材料時，很難被運移出去；但和連續管在中心、偏心時一樣，碎屑在入口附近有堆積。

3.2.2 鉆磨液黏度對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，鉆磨液黏度會根據現場鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液黏度μ為10、20、30和40 mPa·s時，水平井環空段橋塞碎屑的體積分數分布，計算結果如圖9所示。

圖9 不同鉆磨液黏度下聚乙醇酸體積分數分布曲線

通過圖9可以分析出，當鉆磨液黏度越大時，入口附近橋塞碎屑的平均體積分數和最大體積分數都較大，而在出口處橋塞碎屑的平均體積分數和最大體積分數幾乎為0。這說明當連續管為螺旋屈曲狀態時，橋塞碎屑很難被排出。

3.2.3 鉆磨液流量對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，鉆磨液流量分根據現場鉆磨地層和操作工序的不同而改變。因此考慮鉆磨液流量Q為300、350和400 L/min時，水平井環空段橋塞碎屑的體積分數分布，計算結果如圖10所示。

圖10 不同鉆磨液流量下聚乙醇酸體積分數分布曲線

通過圖10可以分析出，鉆磨液的流量越大，入口附近橋塞碎屑的平均體積分數和最大體積分數都越大。這說明當連續管為螺旋屈曲狀態時，隨著鉆磨液流量的增大，橋塞碎屑在入口處更易形成堆積。

3.2.4 碎屑初始體積分數對碎屑運移的影響

在鉆磨橋塞的過程中，碎屑初始體積分數α會隨著水平井段不同工況而有所變化，因此設置碎屑初始體積分數α為1%、2%、3%、4%和5%時，水平井環空段橋塞碎屑的體積分數分布，計算結果如圖11所示。

圖11 不同固相初始體積分數下聚乙醇酸體積分數分布曲線

通過圖11可以看出，連續管為螺旋屈曲狀態時，當橋塞碎屑的初始體積分數為5%時，入口附近的碎屑平均體積分數最大，更易形成堆積。

4 結論及建議

(1)當連續管在套筒中心時，橋塞碎屑在入口附近有較大的堆積，而在出口處有少量的碎屑，說明有碎屑被運移出去。在眾多影響因素中，碎屑初始體積分數對碎屑運移的影響最大，故當初始碎屑體積分數較小時，碎屑運移效果更明顯。橋塞碎屑會隨著鉆磨液流量的增大、鉆磨液黏度的增大而更好地被運移出去，故選擇較大流量和黏度的鉆磨液對橋塞碎屑的運移更有幫助，對預防井下卡鉆等風險具有很大意義。

(2)當連續管偏心時，隨著偏心距離的增大，復合材料的體積分數越來越少，說明碎屑越來越難被運移出去。故當偏心距增大時，更容易發生卡鉆等安全隱患。

(3)當連續管呈現螺旋屈曲狀態時，對比3種影響因素，碎屑(聚乙醇酸)的初始體積分數對其本身運移的影響要更大。并且與連續管在中心和偏心時對比，當連續管為螺旋屈曲狀態時碎屑更難被運移出去。