大位移井巖屑床厚度預(yù)測模型與現(xiàn)場應(yīng)用: 以CH1-1-XX井鉆井為例

吳文兵, 劉濤, 謝倫, 張勇, 肖東, 蘇俊霖, 鐘杰*

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院, 青島 266580; 2.中國石油海洋工程有限公司鉆井分公司, 天津 300451; 3.中國石油海洋工程有限公司渤星公司, 天津 300451; 4.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 成都 610500)

大位移及水平井鉆井技術(shù)因其能顯著增大儲層與井筒的接觸面積,成為勘探和開發(fā)油氣資源的核心技術(shù)之一[1-4]。然而,大位移井鉆進(jìn)過程中,井眼凈化問題凸顯,巖屑極易在環(huán)空底部積聚成床,導(dǎo)致憋泵、卡鉆等事故,嚴(yán)重影響了鉆井施工安全和鉆井時效[5-7]。因此,依據(jù)實(shí)鉆參數(shù)評價大位移井鉆井過程中的井眼清潔狀況并針對性進(jìn)行攜巖工藝參數(shù)優(yōu)化,是減少類似井下事故的關(guān)鍵。

針對大位移井巖屑床堆積及井眼凈化問題,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量卓有成效的研究。汪海閣等[8]在大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,首次建立了水平段巖屑床厚度經(jīng)驗(yàn)公式;楊明合等[9]在汪海閣模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了鉆桿旋轉(zhuǎn)、鉆井液性能與巖屑顆粒尺寸;Song等[10]僅針對細(xì)水平井中巖屑堆積問題提出了5種因素(流速、巖屑直徑、機(jī)械鉆速、偏心率和井筒直徑)影響下的巖屑床厚度預(yù)測模型;Khaled等[11]研究幾個典型變量對巖屑運(yùn)移效率的影響,提出了一種廣義數(shù)據(jù)驅(qū)動模型;武治強(qiáng)等[12]對鉆井和沖洗兩種工況下的巖屑床進(jìn)行模擬,建立了考慮實(shí)際井眼軌跡、流體壓降及懸浮層顆粒擴(kuò)散的大位移井兩層巖屑運(yùn)移動態(tài)模型;白明娜等[13]基于巖屑顆粒三維受力分析,利用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)仿真方法,建立了鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下的水平井巖屑床厚度計算模型。

以上研究為環(huán)空巖屑床厚度評價及大位移井鉆井工藝參數(shù)設(shè)計提供了一定的技術(shù)支持。但是,以上模型考慮的巖屑形狀均為標(biāo)準(zhǔn)圓球狀,與油氣井實(shí)鉆返出的巖屑形狀差異較大,導(dǎo)致模型應(yīng)用范圍受限,無法為現(xiàn)場施工提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。因此,現(xiàn)研制全尺寸可視化水平環(huán)空巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置,開展一系列符合實(shí)鉆工況的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),結(jié)合CFD仿真,綜合考慮不同巖屑形狀,建立一套大位移井巖屑床厚度預(yù)測經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并在渤海灣大港油田CH1-1-XX井開展現(xiàn)場應(yīng)用,取得良好效果。以期提高大位移井鉆井井眼凈化程度,保障大位移井安全、高效鉆進(jìn)。

1 大位移井巖屑運(yùn)移可視化實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

為研究大位移井巖屑運(yùn)移規(guī)律,研制了全尺寸可視化水平環(huán)空巖屑運(yùn)移模擬裝置。裝置主要由鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、巖屑送料與分離系統(tǒng)、鉆桿旋轉(zhuǎn)及偏心控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四大部分組成,如圖1所示。

圖1 可視化環(huán)空巖屑運(yùn)移模擬裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Visualized cyclical rock crumb transportation simulation device structure principle diagram

與以往文獻(xiàn)中的水平井?dāng)y巖裝置相比[14-17],該裝置除滿足鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆井液排量定量調(diào)節(jié)外,其下管壁加糙處理,偏心度可調(diào),巖屑能實(shí)現(xiàn)自動連續(xù)添加,更大程度展現(xiàn)了實(shí)鉆工況下的巖屑運(yùn)移規(guī)律。裝置的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 可視化環(huán)空巖屑運(yùn)移模擬裝置的關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameter of the visualized cyclical rock crumb transportation simulation device

利用現(xiàn)場取回的巖屑為實(shí)驗(yàn)對象,其長寬為2～4 mm,厚為1～2 mm,顆粒密度為2.6 g/cm3。此外,為區(qū)別兩種不同形狀巖屑的運(yùn)移規(guī)律,利用玻璃珠模擬球狀巖屑,其顆粒直徑為2～4 mm,密度同為2.6 g/cm3,如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)用巖屑示意圖Fig.2 Schematic diagram of rock chips for experiments

在實(shí)驗(yàn)中,機(jī)械鉆速設(shè)定為1 m/h,鉆井液排量范圍設(shè)定為11～15 L/s,鉆桿偏心度范圍設(shè)定為0.1～0.3,鉆桿轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定為0～50 r/min。分別開展了現(xiàn)場巖屑與球狀巖屑的巖屑床厚度隨排量及鉆桿轉(zhuǎn)速變化的實(shí)驗(yàn)測試,制定的實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental program

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用本實(shí)驗(yàn)室裝置,共進(jìn)行巖屑床厚度單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)60次,實(shí)驗(yàn)過程中對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行錄像記錄,典型的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 不同巖屑形狀的典型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Fig.3 Typical experimental phenomena of different cutting shapes

從圖3可明顯看出,在各種工況下,巖屑在環(huán)空下部均穩(wěn)定成床。利用圖像識別方法,可測試出各工況下的最大巖屑床厚度。將現(xiàn)場巖屑和球狀巖屑在不同工況下的巖屑床厚度數(shù)據(jù)處理后并進(jìn)行對比,如圖4所示。

圖4 不同工況下的片狀與球狀巖屑床厚度數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of thickness data of flake and spherical cuttings bed under different working conditions

兩種形狀巖屑的巖屑床厚度隨排量、鉆桿轉(zhuǎn)速及偏心度變化的規(guī)律基本一致。隨著排量的增加,環(huán)空返速增大,加速了巖屑的運(yùn)移,導(dǎo)致巖屑床厚度減小;隨著鉆桿轉(zhuǎn)速的增大,鉆柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦旋力越強(qiáng)烈,有利于攪動巖屑,導(dǎo)致巖屑厚度減小;鉆桿偏心度越大,偏心造成環(huán)空中鉆井液返速分布不均,下部窄間隙處返速小,攜巖能力弱,故而巖屑床厚度越大。

巖屑形狀對巖屑床厚度有很大影響,現(xiàn)場巖屑較之球狀巖屑更易成床,相同工況下,現(xiàn)場巖屑的巖屑床厚度比球狀巖屑的平均厚10.15%,最高厚15.94%。

2 大位移井巖屑運(yùn)移數(shù)值仿真

受限于實(shí)驗(yàn)裝置的參數(shù),設(shè)計的實(shí)驗(yàn)工況無法與現(xiàn)場實(shí)際工況完全匹配。解決此問題的有效方法是利用數(shù)值仿真,將各項(xiàng)影響巖屑床厚度的關(guān)鍵參數(shù)擴(kuò)展至現(xiàn)場實(shí)鉆參數(shù),通過大量數(shù)據(jù)處理后得到用以指導(dǎo)現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)公式。

2.1 仿真模型與方法

利用Ansys ICEM軟件劃分網(wǎng)格,模型尺寸與實(shí)驗(yàn)裝置一致,如圖5所示。

圖5 仿真幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.5 Simulation geometry model and mesh generation

優(yōu)選Realizablek-epsilon湍流模型[18]為計算模型。為保證計算效率和收斂精度,將井筒三維有限元模型離散化為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,并在鉆桿接頭和液體進(jìn)出口處進(jìn)行了網(wǎng)格加密。為實(shí)現(xiàn)鉆桿旋轉(zhuǎn)對液固混合物的影響,采用浸入邊界法劃分網(wǎng)格。環(huán)空流區(qū)與井筒壁靜止,鉆桿壁網(wǎng)格繞井筒軸線旋轉(zhuǎn)以模擬鉆桿旋轉(zhuǎn)工況。根據(jù)實(shí)際工況對FLUENT模型設(shè)置了以下邊界條件:入口定義為質(zhì)量流量邊界條件;出口定義為壓力出口邊界條件;將井壁設(shè)為wall,鉆桿壁面為pipe-wall,當(dāng)鉆桿旋轉(zhuǎn)時,該壁面逆時針旋轉(zhuǎn)。巖屑形狀通過修改nonspherical shape factor實(shí)現(xiàn)[19],該系數(shù)在0～1,越接近1表示顆粒的球形度越高[20]。根據(jù)相關(guān)幾何參數(shù)計算,現(xiàn)場巖屑的nonspherical shape factor為0.69,球狀巖屑為1。重力加速度為9.81 m/s2,重力方向?yàn)榇怪毕蛳隆?/p>

經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,增加網(wǎng)格數(shù)量對仿真不會產(chǎn)生明顯影響。綜合計算精度和效率,模型所采用的網(wǎng)格總數(shù)442 328,網(wǎng)格質(zhì)量在0.998以上,網(wǎng)格質(zhì)量良好,將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Ansys Fluent進(jìn)行數(shù)值計算。

2.2 模型驗(yàn)證

利用數(shù)值仿真開展研究的關(guān)鍵是建立1套準(zhǔn)確的CFD數(shù)值仿真模型。因此,首先開展了與實(shí)驗(yàn)相同工況下的數(shù)值仿真,用以驗(yàn)真模型的有效性和準(zhǔn)確性。以排量為15 L/s、鉆桿偏心度為0.1時,鉆桿鉆速分別為10、20、30、40、50 r/min 5種工況為例,其巖屑濃度分布如圖6所示。

圖6 不同鉆桿轉(zhuǎn)速時的巖屑濃度分布Fig.6 The distribution of cuttings concentration at different drill pipe speeds

從圖6可知,鉆桿轉(zhuǎn)速對巖屑濃度影響很大,轉(zhuǎn)速越快,巖屑偏離井底的距離越大,但巖屑床厚度越小,與所呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。此外,最大巖屑床厚度的實(shí)驗(yàn)測試值與仿真計算值對比如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比圖Fig.7 Comparison of experimental and simulation results

從圖7可知,仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均誤差小于7%,可以認(rèn)為仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,證實(shí)了仿真模型的可行性。

2.3 巖屑床厚度預(yù)測經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為使仿真結(jié)果與實(shí)際情況匹配,利用數(shù)值模擬方法,擴(kuò)展了關(guān)鍵參數(shù)的范圍:機(jī)械鉆速設(shè)定為20～100 m/h、鉆桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為30～150 r/min、排量設(shè)定為20～80 L/s、偏心度設(shè)定為0～0.8、鉆井液密度設(shè)定為1 000～1 800 kg/m3、鉆井液表觀黏度設(shè)定為1～101 mPa·s,設(shè)置了6因素5水平的正交實(shí)驗(yàn)方案,共計25種工況,如表3所示。

表3 巖屑床厚度正交實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Orthogonal experimental scheme of cuttings bed thickness

汪海閣等[8]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了水平環(huán)空巖屑床無因次堆積厚度模型,表達(dá)式為

H=a1+a2v+a3N+a4E+a5v2+a6N2+

a7E2+a8vN+a9vE+a10NE+a11vNE+

(1)

式(1)中:H為巖屑床無因次堆積厚度;v為環(huán)空平均流速,m/s;N為鉆桿轉(zhuǎn)速,r/min;E為偏心度;ρl為鉆井液密度,kg/m3;vp為環(huán)空巖屑注入速度,kg/min;μe鉆井液的有效黏度,mPa·s;a1～a15為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),可通過多元非線性數(shù)學(xué)回歸的方法獲得。

其中,巖屑床無因次厚度H[21]的定義為

(2)

式(2)中:h為巖屑床厚度,mm;D2為井眼尺寸,mm。

將相關(guān)鉆井工藝參數(shù)及鉆井液物性參數(shù)代入式(1)中,再通過式(2)可計算出全井段的巖屑床厚度分布。需要指出的是,該模型僅適用于計算直徑為3.8 mm的球狀巖屑在水平段的無因次堆積厚度,并未考慮巖屑形狀、粒徑及井斜角的影響。因此,在汪海閣模型[8]基礎(chǔ)上,基于上述正交實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)一步考慮巖屑形狀、粒徑及井斜角的影響,開展了共計99組仿真,修正后的模型為

a6N2+a7E2+a8vN+a9vE+a10NE+

(3)

式(3)中:vr為機(jī)械鉆速,為了方便現(xiàn)場使用,將式(1)中的巖屑添加速度經(jīng)換算后得到,m/h;φ為巖屑的形狀系數(shù)[22],對于現(xiàn)場收集的片狀巖屑,其值為0.69;ds為巖屑的當(dāng)量直徑,mm;a1～a16為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),亦通過多元非線性數(shù)學(xué)回歸,并利用最小二乘理論方法求得,其具體數(shù)值如表4所示;Cangθ與Cang90°分別為井斜角為θ及90°時的修正系數(shù),其根據(jù)式(4)確定。

表4 式(3)中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Table 4 The empirical coefficient in Equation (3)

Cangθ=0.034 2θ-0.000 233θ2-0.213

(4)

式(4)中:θ為井斜角,(°)。

目前,鉆井液的流變模式主要有牛頓模式、賓漢模式、冪律模式、卡森模式和赫巴模式[23]。其中,賓漢模式可以較好描述帶有屈服應(yīng)力的剪切減稠流體,在現(xiàn)場中應(yīng)用廣泛。因此,對于式(3)中的有效黏度μe,可根據(jù)賓漢模式的流變方程,利用式(5)進(jìn)行計算。

(5)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

渤海灣大港油田CH1-1井組鉆井具有造斜點(diǎn)淺、造斜率高、井斜大、穩(wěn)斜井段較長等特點(diǎn),而且井眼大、位移大、井眼軌跡復(fù)雜,導(dǎo)致井眼凈化困難,倒劃眼憋泵蹩扭矩現(xiàn)象明顯,嚴(yán)重影響井組開發(fā)時效,同時由于井眼清潔度不足導(dǎo)致的高摩阻、高扭矩引發(fā)的斷鉆具、套管下不到位等復(fù)雜情況頻發(fā),不僅直接增加了鉆井成本和風(fēng)險,還限制了大位移水平井的延伸能力,降低了鉆井速度。為了降低因井眼清潔導(dǎo)致的井下復(fù)雜,以平臺上的CH1-1-XX井為例,利用所建模型,進(jìn)行了鉆前巖屑床厚度預(yù)測與鉆井參數(shù)優(yōu)化。

3.1 巖屑床厚度預(yù)測

CH1-1-XX井設(shè)計井深4 577 m。從井深429 m進(jìn)入造斜段,至井深719 m,造斜角13.8(°)/100 m,至井深1 087 m,造斜角8.3(°)/100 m,再至1 185 m,造斜角9.6(°)/100 m。此后進(jìn)入穩(wěn)斜段,至井深3 185 m進(jìn)入增斜段,造斜角2.9(°)/100 m。最后進(jìn)入水平段,至井深4 577 m完鉆。

一開采用Ф406.4 mm鉆頭鉆至井深1 184 m,下入Ф339.7 mm表層套管;二開采用Ф311.1 mm鉆頭鉆至井深3 498 m,下入Ф244.5 mm技術(shù)套管;三開采用Ф215.9 mm鉆頭,鉆至4 577 m,水平段長1 079 m。均采用139.7 mm鉆桿。根據(jù)CH1-1-XX井地質(zhì)設(shè)計與鉆井工程設(shè)計資料,各開次的鉆井參數(shù)及鉆井液物性參數(shù)如表5所示。

表5 設(shè)計參數(shù)Table 5 Design parameter

在對巖屑床厚度進(jìn)行安全判定時,可將無因次巖屑床厚度小于10%作為安全值[24]。由式(2)可知,當(dāng)某一井深處巖屑床厚度超過井眼尺寸10%時,在此處將有因井眼凈化狀況不佳導(dǎo)致的憋卡風(fēng)險。基于所建巖屑床厚度預(yù)測模型,可在鉆前預(yù)測CH1-1-XX井全鉆井周期的巖屑床厚度隨井深分布情況,如圖8所示。

圖8 設(shè)計工況下的全井段巖屑床厚度分布Fig.8 The thickness distribution of cuttings bed in the whole well section under the design condition

根據(jù)CH1-1-XX井鉆井工程設(shè)計參數(shù),一開鉆進(jìn)時,如圖8(a)所示,從進(jìn)入造斜段(井深428 m)開始,逐漸形成巖屑床,隨著井深和井斜角的增加,巖屑床厚度越來越厚。至井深674 m時,巖屑床厚度已超過巖屑床安全高度線。至井深1 117 m,巖屑床厚度最大,約為61.9 mm,此時對應(yīng)的井斜角約為73.4°,此后,巖屑床厚度略有下降,但仍遠(yuǎn)超安全高度線50%以上。由此可見,一開鉆進(jìn)過程中,進(jìn)入造斜段后的攜巖參數(shù)設(shè)計不合理,存在較大憋卡風(fēng)險。隨后,一開完鉆固井,進(jìn)入二開鉆進(jìn),如圖8(b)所示,形成的巖屑床厚度在井深848 m處超過安全高度線,仍在井深1 117 m處巖屑床厚度最大,約為38.5 mm。進(jìn)入穩(wěn)斜段,巖屑床厚度雖有所下降,但仍保持在安全高度線11%以上。隨后,二開完鉆固井,進(jìn)入三開鉆進(jìn),如圖8(c)所示,在此段鉆進(jìn)時,全井段所形成的巖屑床厚度均在安全線以下,井眼凈化程度高,無憋卡風(fēng)險。由此可見,一開、二開鉆進(jìn)的井眼清潔狀況不佳,需進(jìn)一步優(yōu)化鉆井參數(shù)或調(diào)整鉆井液流變性能,以提高井眼清潔程度,保障施工安全。

3.2 優(yōu)化方案及應(yīng)用效果

本文模型雖全面考慮了鉆井液性能、鉆井液循環(huán)排量、鉆桿轉(zhuǎn)速、機(jī)械鉆速、井眼與鉆具尺寸、偏心度、巖屑形狀及尺寸等眾多因素的影響,能夠?qū)Ω鞣N參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化。但其中的某些因素為不可控因素,如井眼與鉆具尺寸、偏心度、巖屑形狀及尺寸等。此外,很多因素的設(shè)計還需綜合考慮鉆井過程中的其他問題,如井筒壓力控制、井壁穩(wěn)定、提速增效、鉆井泵與鉆機(jī)的功率限制等。因此,需在合理范圍內(nèi)綜合各種可控因素進(jìn)行全面優(yōu)化。利用本模型計算并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí),優(yōu)化后的一開與二開關(guān)鍵參數(shù)如表6所示。

表6 優(yōu)化后的關(guān)鍵參數(shù)Table 6 The optimized key parameters

優(yōu)化后不同井深巖屑床厚度如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后的全井段巖屑床厚度分布Fig.9 The optimized thickness distribution of cuttings bed in the whole well section

從圖9可知,利用模型預(yù)測巖屑層厚度并綜合改變工況參數(shù)后,一開與二開鉆井時最高巖屑床厚度分別為40.6 mm和33.9 mm,均低于同井深處的巖屑床厚度安全線,表明井眼清潔程度高,無憋卡風(fēng)險。在現(xiàn)場應(yīng)用過程中振動篩巖屑返出明顯增加。起下鉆通暢、無阻卡,全井未發(fā)生任何井下復(fù)雜事故,該井較區(qū)塊平均機(jī)械鉆速提高15.28%,平均鉆井周期縮短21.82%,保障大位移井的安全高效施工的同時,也保證了后期完井管柱的安全順利下入,為該區(qū)塊后續(xù)井組的優(yōu)快開發(fā)提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)論

(1)考慮了巖屑形狀對巖屑床堆積厚度的影響,通過巖屑運(yùn)移可視化實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬,形成了一套大位移井巖屑床厚度預(yù)測模型。

(2)所建立的大位移井巖屑床厚度預(yù)測模型,全面考慮了鉆井液性能、鉆井液循環(huán)排量、鉆桿轉(zhuǎn)速、機(jī)械鉆速、井眼與鉆具尺寸、偏心度、巖屑形狀及尺寸等眾多因素的影響,能夠?qū)Ω鞣N參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化,以解決大斜度井井眼凈化問題。

(3)利用建立的模型在渤海灣大港油田CH1-1-XX井開展了現(xiàn)場應(yīng)用,在鉆前預(yù)測了全鉆井周期的巖屑床厚度隨井深分布情況,并對不同開次下的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)鉆過程中,井眼清潔狀況良好,鉆井期間未發(fā)生井下復(fù)雜事故,鉆井周期大幅縮短,為井組優(yōu)快開發(fā)提供了技術(shù)支持。

研究成果對解決類似大位移井的井眼清潔問題,保證其安全、高效建井具有重要意義。