气体钻井携岩关键点多相流动规律研究.pdf

第 3 3卷 第 1 期 2 0 1 1 年 1月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHNOLOGY Vo l _ 3 3 No ．1 J a n ．2 0 1 1 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 1 0 1 0 0 1 6 0 3 气体钻 井携岩关键点 多相流动规律研 究 肖国 益 赵向阳 孟英峰 朱化蜀 练章华 李 皋 1 ． 西南油气公 司工程技术研究院 ， 四川德 阳 6 1 8 0 0 2 ； 2 ． 西南石油 大学 “ 油气藏地质及 开发 工程 ”国家重点 实验室 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 摘要 气体钻井环空井径的扩大与缩小、 部分泥包、 变径截面等对环空流场和岩屑运移的影响很大。建立了气体钻井携岩 关键 点 多相流动物 理模 型 、 数 学模 型 ， 采 用室 内大型流动 实验 、 C F D数值 模拟和现场 实例 验证 的手段 ， 对携岩关键 点进行 多相 流动分析发现， 变径截面一钻铤与钻杆过渡点、 套管井段与裸眼井段的过渡点、 井径的扩大与缩小井段， 钻杆某处的泥包点， 这 些点由于边界层分离而形成的尾涡回流区， 岩屑在这些回流区容易滞留、 堆积， 在这些回流区容易导致携岩不畅。气体流经钻 杆 与钻铤 交接 面处， 气体的压力、 速度都相应减小 ， 在此 处的 气体携岩动能最小 ， 环 空岩屑浓度最 大。最 小气量的选择 应该以携 岩关键点处所需的最小能量为一个参考依据。 关键词 气体钻井 ；携岩关键 点 ；多相流动 ；数值模拟 ； 规律研究 中图分类号 T E 2 4 2 ． 6 文献标识码 A Re s e a r c h o n mu l t i p ha s e flo wi n g l a w o f c ut t i ng t r a n s po r t a t i o n k e y po i nt i n g a s dr i l l i n g X I A 0 G u 0 y i ， Z H A 0 X i a n g y a n g ， ME NG Y i n g f e n g ， Z H U H u a s h u ， L I A N Z h a n g h u a ， L I G a 0 1 ． E n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yI n s i t i t u t e o f S o u t h w e s t Br a n c h ， S I NOP EC ， De y a n g6 1 8 0 0 2 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o fO i l a n d G a s G e o l o gy a n dE x p l o r a t i o n c e S o u t h we s t P e t r o l e u m U n i v e r s i ty ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Du r i n g g a s d r i l l i n g ， t h e i n c r e a s e o r d e c r e a s e o f a n n u l a r d i a me t e r , p a r t l y b a l l i n g u p a n d s e c t i o n c h a n g i n g h a v e g r e a t e ff e c t o n a nn ul a r flow fie l d a n d c ut t i ng t r a ns p or t a t i on． Thr o ug h mu l t i p ha s e flo w a na l y s i s a nd n ume r i ca l s i mul a t i o n a t k e y po i n t o fc u t t i n g t r a n s 。 p or t a t i on i t wa s f ou nd t h a t c utti ng wa s e a s y t o hol d up a nd p i l e u p a t t h e t r a ns i t i o n p oi n t o fd r i l l i ng c ol l a r s a nd d r i l l i ng pi p e， t he t r a ns i t i o n p o i n t o f c a s i n g a n d o p e n h o l e s e c t i o n ， t h e i n c r e a s e a n d d e c r e a s e d i a me t e r s e c t i o n a n d t h e b a i l i n g u p p o i n t ， a s t h e y f o r me d r e fl o w a r e a b y t h e b o u n d a r y l a y e r s e p a r a t i o n ． Th e s e a r e a s ma y l e a d t o c u t t i n g t r a n s p o r t a t i o n d i ffi c u l t ． W h i l e g a s fl e w t h r o u g h c r o s s s e c t i o n o f d r i l l c o l l a r a n d d r i l l p i p e ， g a s p r e s s u r e a n d s p e e d d e c r e a s e d a n d c u t t i n g t r a n s p o r t a t i o n c a p a c i t y i s mi n i mu m， wh i l e t h e a n n u l a r c u t t i n g s d e n s i ty i s ma x i mu m． T h e mi n i mu m g a s r a t e r e q u i r e me n t f o r c u t t i n g t r a n s p o r t a t i o n s h o u l d b e b a s e d o n t h e mi n i mu m c a p a c i ty a t t h e k e y p o i n t s - Ke y wo r d s g a s dri l l i n g ； c u t t i n g t r a n s p o rta t i o n k e y p o i n t ； mu l t i p h a s e fl o w； n u me r i c a l s i mu l a t i o n ； l a w s t u d y 气 体钻 井过 程 中 ， 携 岩关 键点 处截 面 突然增 大 ， 导致该处流体流速突然 降低 、 体积突然膨胀 、 压 力和密度减小 ， 从而造成该处 的流速在环空 中是最 低的 ， 按照最小速度理论该过渡 区域就是气体钻井 过程 中携岩 的危 险点。分析气 体和岩屑在这些 区 域 中的流动规律对合理气量 、 注入压力选择有重要 意义 。 1 携岩关键点多相流动物理模型 气体携带岩屑至钻铤顶部等处 ， 环空面积突然 扩大 ， 由于气体具有较强的可压缩性 ， 在上返到该处 时 ， 气体将发 生较大的膨胀。在该处有一个较大的 基金项 目国家科技 重大专项专题 “ 低渗 气藏 气体钻井关键技 术 ” 编号 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 2 0 0 5 0 0 1 部分研究成果。 作者简介 肖 国益 ， 1 9 6 4年 生。1 9 8 9年 毕 业 于 西 南石 油学 院 开 发 系钻 井 工 程 专 业， 现 为钻 井工 艺所 所 长 ， 高 级 工程 师。 电话 0 8 3 8 - 2 5 5 1 5 7 6 。E ma i l y x g y 6 0 3 1 6 3 ．c o m 1 8 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 1月 第 3 3卷 第 1 期 ● 一 入 口速度3 3 5 4 m／ s a 套管井段至裸眼井段 的 环空流道变化实体 合遮度等戗线 网 速度 矢量 b 套管井 段至裸限井段 的 环 空流场立体 图 篇 t 羹 速度分鼙 速度分鼙 等值线 等值线圈 d 钻铤一钻杆 关节 点及其 流场细部特征 速度 ／ m s ’ i H速艘分黛 等值线 图 处的垂 向速度场 向速度 睦度分鼙 述艘 分避 镎值线 图 等值线圈 g 井眼缩 小处 的实体 h 井眼缩 小处 的乖 向速度场 及流场特征 横 向速度场 图 2气体钻 井携岩 关键 点 C F D数值模拟 可能导致携岩不畅。环空扩径井段 ， 气体速度、 携岩 动能急剧下降 ， 说 明气体在扩径段中流动时， 气体在 径向上分布差别较大 ， 在径向最大尺寸处 ， 气体速度 最小 ， 大颗粒尺寸岩屑容易停留在此处。 4 气体钻井动态模拟实验 实验架 总高 1 8 m， 环空外管 内径 9 0 mm， 内管 外径 5 0 mm， 实验现象如图 3 所示。 图 3 实验现 象 在一般条件下颗粒运动应该为直线运动 ， 但从 实验图片分析来看 ， 颗粒在临界携岩状态下 ， 总是处 于悬浮运动状态 ， 其运动轨迹 主要受管柱偏心而带 来 的纵向上气流 的不均匀， 从 而使得颗粒运动发生 折线式的上下运动 ， 携岩关键点处岩屑浓度较大。 5 实例计算与分析 某井主要施工数据 钻头直径 1 5 5 ． 5 8 mm， 井深 6 2 0 0 m， O1 7 7 ． 8 mm套管下深 5 8 0 0 m， 0 8 8 ． 9 mi l l 钻 杆 ， 01 0 4 ． 7 8 mm钻铤长 1 0 8 m， 预测钻速 1 0 m／ h， 地 温梯度 2 ． 5 。 ／ 1 0 0 m， 海拔 1 0 0 0 i n， 夏季施工 ， 氮气 钻进 ， 气量 6 5 1 3 3 ／ mi n 。计算结果如图 4所示。 井深／ m a 气体密度和压 力分布 一 一 速度井内分布 一 速 度临 F限 井深／ I n f b F 部井段环空携岩动能和携岩速度分布 一 呻 墨 淄 井 深 ， m c 环空岩屑浓度分布 钻速1 0 m J h 图 4 气体钻井携岩关键 点处实例分析结果 图 4中 a ～ c 说明了气体钻井时的气体压力 、 气体密度、 环空携岩动能、 气体速度和环空岩屑浓度 分布 。气体流经钻头喷嘴处 ， 由于截面突然增大 ， 气 体压力突然减小 ；气体流经钻杆与钻铤交接面处 ， 气体 的压力 、 速度都相应的减小 ， 在此处的气体携岩 动能最小 ， 环空岩屑浓度最大。 下转 第 2 2页 鐾 II r嚼井 II | 嗣 篷 瓣 螟 酽 谜 段 臌 ． | 强 瓣 一 _ 町 附 町 ， 2 2 石油钻采3 - 艺 2 0 1 1 年 1 月 第 3 3卷 第 1 期 3 针对已识别的浅层水流 ， 归纳总结了控制浅 层水 流发生 的 5 种方法 提 高钻井液密度 、 使用海 底分流器 、 使用化学钻井液 、 泡沫胶结固井以及使用 导管穿过 S WF层。 参考文献 [ 1 ] 刘志斌， 郝召兵， 伍向阳 ． 深水钻探面临的挑战浅层 水流 灾害问题 [ J ]． 地球 物理 学进展， 2 0 0 8 ， 2 3 2 5 5 2 55 8． [ 2 ] 董冬冬， 赵汗青， 吴时国， 等 ． 深水钻井中浅层水流灾害 问题及 其地球 物理识 别技术 [ J ]． 海 洋通报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 1 1 1 4 1 2 0 ． 1 3 j O S T E R ME I E R R M， P E L L E T I E R J H， W1 NK E R C D ， e t a 1 ． De a l i n g wi t h s ha l l ow wa t e r flo w i n t h e d e e p wa t e r Gul f o f Me x i c o l A J． I n P r o c ． Of f s h o r e T e c h ． C o n fl 1 9 9 9 ， 3 2 1 7 5 8 6 ． 1 4 j B OB A． Ga s h y d r a t e a s o u r c e o f s h a l l o w w a t e r fl o w[ J ] ． T h e Le a d i n g E d g e ， 2 0 0 6 0 5 6 3 4 6 3 5 ． [ 5 ] 吴时国， 赵汗青， 伍向阳， 等 ． 深水钻井安全的地质风险 评价技术研究 [ c]． 中国深水油气开发工程高技术论 坛文集， 2 0 0 5 2 1 8 - 2 2 3 ． 1 6 j MAR K Al b e r t y ， MAR K Ha fl e ， J O HN C Mi n g e ， e t a 1 ． BP E x p l o r a t i o n ． me c h a n i s ms o f s h a l l o w wa t e r flo ws a n d dri l l i n g p r a c t i c e s f o r i n t e r v e n t i o n[ C]． P a p e r O T C 8 3 0 1 t o be p r e s e n t a t t he 1 9 9 7 Offs ho r e Te c h no l o g y Con f e r e n c e he l d i n Ho us t o n， Te x a s ， 5 8 M a y ,1 99 7． 1 7 J BARKE R C． Aq U a t h e r ma l p r e S s u r i n g R0 l e 0 f t e mp e r a t u r e i n d e v e l o p m e n t o f a b n o r ma l p r e s s u r e z o n e s l J j． AA P G B u l l ， 1 9 7 2 ， 5 6 2 0 6 8 2 0 7 1 ． [ 8 ] 戴启德 ， 黄玉杰 ． 油田开发地质 学 [ M ]． 山东东营石 油大学出版社 ， 1 9 9 9 1 2 2 3 4 2 3 8 ． 1 9 J HU F F MA N A R， C A S T A G NA J R T h e p e t r o p h y s i c a l b a s i s fo r s h a l l o w wa t e r fl o w p r e d i c t i o n u s i n g m u l t i c o mp o n e n t s e i s mi c d a t a l J j． T h e L e a d i n g E d g e ， 2 0 0 1 1 0 3 0 1 0 3 6 ． 1 1 0 j MAL L I CK S ， DUT T A N C． S h a l t o w wa t e r f 1 O W pr edi ct i on us i ng pr es t ac k wave f or m i nve r s i on of c o n v e n t i o n a l 3 D s e i s mi c d a t a a n d r o c k mo d e l i n g[ J ]． T h e L e a d i n g Ed g e ， 2 0 0 2 ， 2 1 7 6 7 5 6 8 0 ． 修 改稿收到 日期2 0 1 0 ． 1 1 0 3 [ 编辑薛改珍 ] | ． | ． 上接第 1 8页 6 结论 1 气体钻井携岩关键点处 由于边界层分离而 形成尾 涡 回流 区， 岩 屑在这 些 回流 区容易滞 留、 堆 积， 导致携岩不畅。 2 气体 流经钻头喷嘴处 ， 由于截面突然增 大， 气体压力 突然 减小 ；气体 流经钻杆与钻铤交 接面 处 ， 压力 、 速度都相应地减小 ， 在此处的气体携岩动 能最小 ， 环空岩屑浓度最大 。 3 最小气量 的选择应该 以携岩关键点处所需 的最小能量为一个参考依据。 [ 3 ] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] 参考文献 l 8j [ 1 ] I KO K U C HI U， A Z A R J J ， WI L L I AMS C R A Y ． P r a c t i c a l a p p r o a c h t o v o l u me r e q u i r e m e n t s for a i r a n d g a s dri l l i n g [ R]． S P E 9 4 4 5 ． [ 2] WE I S MAN J ， KANG S Y ． F l o w p a t t e r n t r a n s i t i o n s i n v e r t i c a l a n d u p wa r d l y i n c l i n e d l i n e s[ J J． I n l J M ul t i ph a s e Fl ow,l 9 81 ．7 2 71 291 ． ANS ARI A M ．e t a 1 ． A c o mpr e h e ns i v e me c h a ni s t i c mo de l f o r u p wa r d t wo p h a s e flo w i n we l l b o r e s l R J． S P E 206 3 0一 M S． 20 02 ． LAGE A C V M ．TI M E R W ．M e c ha ni s t i c mode l f or u p wa r d t o w p h a s e fl o w i n An n u l i l C] ． S P E 6 3 1 2 7 ． HAS AN KABI R． A s t u d y o f mu l t i p h a s e flo w b e h a v i o r i n v e r t i c a l we l l s[ J ]． S P E P r o d u c t i o n E n g i n e e r i n g ， 1 99 8 0 5． SCHOEPPEL ROGER J ．SAPRE ASHOK R．Vol u m e r e q u i r e me n t s i n a i r d r i l l i n g l R J． S P E 1 7 0 0 ． M I TE HEL L R F ． S i mu l a t i o n o f a i r a n d m i s t d r i l l i n g f o r g e o t h e rm a l we l l s【 R J． S P E 1 0 2 3 4 ． 赵向阳， 孟英峰， 李皋， 等 ． 充气控压钻井气液两相流流 型研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 0 ， 3 2 2 1 0 ． 修改稿收到 日期2 0 1 0 1 1 - 0 3 [ 编辑薛改珍 ]