气体钻井偏心环空气固两相流模拟研究.pdf
第 3 2卷 第 1 期 2 0 1 0年 1月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LLI NG PR0DUCTI ON TECHN0L0GY V0 1 . 3 2 No .1 J a n .2 0 1 0 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 0 l 一0 0 2 2 0 4 气体钻 井偏 心环 空气 固两相流模 拟研 究 朱红钧 林元华 田 1 . 西南石油大学石油管力学和环境行为重点实验室, 四J 博 明 传中 朱 伟 成都6 1 0 5 0 0 ; 2 . 塔里木油田公司, 新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 摘要国内气体钻井技术仍处于发展阶段 , 井内流场分布及工艺参数研究方面还不成熟, 尤其是在气体钻井过程q - 发生偏 心时环空内的流场分布变化研究较少。基于流体动力学方法, 利用 F L UE NT软件对气体钻井时环空内气固两相流场进行了数 值模拟研究, 模拟发现偏心环空中岩屑流速偏离对称分布, 在倾斜井眼中有明显增加, 最大速度在环空厚度较大处发生;钻柱 旋转使环空压降增大, 而随井斜角的增大, 压降逐渐减小; 偏心环空的岩屑浓度较大, 随钻柱旋转速度的增大先增后减, 而随井 斜角的增大而增大。数值模拟气体钻井形象直观地反映了井内各参数的分布情况, 为进一步设计技术参数提供 了有效的依据。 关键词偏心环空;气体钻井; 气固两相流;数值模拟; F L U E N T 中图分类号T E 2 4 2 .6 ;T E 2 5 2 . 3 文献标识码A Num e r i c a l s i m ul a t i o n o f t h e g a s - c u t t i n g s fl o w pr o pe r t i e s i n e c c e nt r i c a nn ul us b y g a s dr i l l i n g Z H U H o n u n , L 1N Y u a n h u a , T IA N B 0 , M IN G C h u a n z h 0 n g , Z H U W e i 1 Ke yL a b o r a t o r y f o Me c h a n i c a l a n d E n v i r o n me n t a l Be h a v i o r o fT u b u l a rG o o d s , 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 ; 2 . P e t r o C h i n aT a r i mOi lfie l dC o m p a n y , K a r a m y 8 4 1 0 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t Ga s d r i l l i n g t e c h n o l o g y i s b e i n g d e v e l o p e d i n Ch i n a , r e s e a r c h o n d i s t r i b u t i o n o f fl o w a n d p a r a me t e r s o f g a s d r i l l i n g i s s t i l l i n t h e r o u g h , e s p e c i a l l y t h e r e s e a r c h o n t h e d i s t r i b u t i o n o f fl o w p r o p e r t i e s i n e c c e n t r i c a n n u l u s . Ba s e d o n t h e c o mp u t a t i o n fl u i d d y n a m i c s me t h o d , t h e g a s c u t t i n g s fl o w p r o p e r t i e s i n e c c e n t r i c a n n u l u s a r e s i mu l a t e d b y F L UE NT . T h e v e l o c i ty o f c u t t i n g s i s a s y mme t r i c a l i n e c c e n t r i c a n n u l u s a n d i t i n c r e a s e s o b v i o u s l y i n i n c l i n e d b o r e h o l e . T h e ma x i mu m v e l o c i t y O C C U L T S i n t h e ma j o r e c c e n t r i c a n n u l u s . T h e p r e s s u r e f a l l i n c r e a s e s wh e n d r i l l s t r i n g r e v o l v e s , a n d i t d r o p s g r a d u a l l y wi t h t h e a u g me n t o f d e v i a t i o n a n g l e . T h e c o n c e n t r a t i o n o f c u t . t i n g s g e t s h i g h e r i n e c c e n t r i c a n n u l u s . I t fi r s t i n c r e a s e s a n d t h e n d e c r e s e s wh i l e t h e r o t a t i o n s p e e d g e t s h i g h e r .An d i t i nc r e a s e s wi t h t he a u g me n t o f d e v i a t i o n a n g l e . Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f g a s d r i l l i n g r e fl e c t s t h e d i s t r i b u t i o n o fa l l b o r e h o l e p a r a me t e r s v i v i d l y a n d d i r e c t i l y , p r o v i d i n g a n e f f e c t i v e b a s i s f o r f u rt h e r p a r a me t e r s d e s i g n . Ke y wo r d s e c c e n t r i c a n n u l u s ; g a s d r i l l i n g ; g a s c u t t i n g s fl o w; n u me r i c a l s i mu l a t i o n ; F L UE NT 气体钻井是采用气体或含气流体作为循环工作 液 的一种钻井技术 , 作为欠平衡钻井技术的一个分 支 , 因其钻速快 、 成本低和对储层伤害低 的显著特点 而倍受关注 。2 0世纪 9 0 年代 , 美 国、 加拿大 、 欧洲 一 些国家开始 了气 体钻井技术的应用, 并不 断发展 完善 。近年来 , 国内新疆 、 长庆 、 四川 、 玉门等油田 基金项 目 作者简介 的部分油气井也开始推广气体钻井技术, 并取得 了 较好的效果 。但整体技术还不够成熟, 井内流场 分布的控制和工艺参数的选择上还需要进一步技术 攻关 , 尤其是钻井过程 中发生偏心时环空内流场分 布的变化还没有相应 的研究成果 , 其对工艺参数 的 影响不容忽视。国外 , A n g e l R, R等 对空气钻井 中 “ 新世 纪优秀人 才支持计划 ” NCE T - 0 8 0 9 0 7 、 四川省杰 出青年 学科带头人培养基金 O 6 Z Q O 2 6 0 2 8 和 中国石油 天然 气集团 公 司应用基础研究项 目 “ 非 AP I 标准油气井管材及 管柱安 全性 与优化设计技术研 究” 2 0 0 8 A. 3 0 0 5 资助。 朱红钧 , 1 9 8 3年生。2 0 0 7 年河海大学硕士研究生毕业, 主要从事油气流体力学及计算流体力学的教学与研究工作, 讲师, E ma i l t i c k y 8 6 3 1 2 6 . c o rn。 朱红钧等 气体钻井偏心环空气固两相流模拟研究 2 3 空气的需 求量作 了大量 的研究 , 把钻井所需排量与 气体的密度, 井眼的大小、 深度, 钻柱的尺寸以及机械 钻速关 联起来 。C o o p e r , L e o n a r d W , Ho o k和 Wi l s o n G E等对空气钻井 中的井斜进行了研究 。 , 提出了 控制空气钻井 的 2个基本原理 钟摆效应和刚性满 眼钻具。 国内孟英峰 、 练章华等 。 。 对空气钻井进 行了大量深入细致地研究 , 尤其是空气需求量 、 气体 携岩能力等方面, 并且研 制了国内第 1 只适用空气钻 井的反循环钻头 。 随着模拟软件的兴起和成熟 , 基于 C F D的相关 软件 开始用 于模拟石 油工 程 的实际 问题 , Ad e w u mi M A_ l 对井 内气 固两相流进行 了二维流动模拟 , 孟 英 峰等 对气 体钻水平 井 的流 场进行 了模 拟 , 郭 建华等 对气体钻井井简冲蚀作用进行了定量分 析, 但由于数值模拟的初边界条件难以确定, 且涉及 多相流动, 相关研究成果尚未给出十分满意的答案。 笔 者基 于 C F D对气体钻井 时环空内气 固两相流场 进行 了数值模 拟研究 , 得 出了不 同偏 心距 、 不 同井 斜 、 不 同转速时的流场变化 , 直观形象地反映 了环空 内流体的流动特征。 1 研究 问题及模型 Pr o b l e ms a n d mo de l s 选择川东北地区二开时一种常用 的空气钻井组 合参数建立模型 , 模型长 1 0 m, 井眼为 03 1 6 . 5 mm, 钻杆为 O1 2 7mm, 偏心距选择 0 . 0 1 m与 0 . 0 2 m 2种 , 钻杆旋转速度选取 3 0 r / min 、 6 0 r / mi n 、 9 0 r / m i n 3 种, 井斜选 3 0 。 、 5 0 。 、 7 0 。 3 个角度, 气体常态下密度为 1 .2 2 5 k g / m , 套管、 杆的绝对粗糙度 0 .0 4 6 7 8 mm, 裸 眼绝对粗糙度 4 . 0 8 mm, 岩屑 密度 2 6 0 0 k g / m , 比热 1 1 0 0 J / k g K , 导热系数 0 _ 3 w/ m K 。 对所建模型采用六 面体单元进行 网格划分 , 环 空偏心距为 0 . 0 2 m时的几何模型及网格划分见图 1 。 数值计算时 , 设置 了速度人 口、 压力 出 口和固体壁面 等边界条件, 速度入口的气固速度均设置 2 5 m / s , 固 相体积分数为 0 . 0 0 2 , 环空出口压力取 0 . 1 MP a 。 图 1 环 空偏心距 为 0 . 0 2 m 时的几何模 型及 网格 F i g . 1 Ge o me t r i c mo d e l a n d me s h o f a n n u l u s wi t h 0 . 0 2 m e c c e n t r i c d i s t a n c e 2 数值 结果 与分析 Nu me r i c a l r e s u l t s a n d a na l y s i s 选取距入 口 5 m处横截面进行流速分布分析 , 该处不 同条件下环空内的岩屑流速分布见图 2 。 o② 同心, 钻柱 静 l 偏心O .0 1 m, 钻柱 偏心O .0 2 m, 钻柱 垂赢, 井避套管 静l t 垂直, 井壁套管静_ 卜 垂直, 井壁套管 静 1 L 垂直, 井壁裸眼 6 O r / rai n 垂赢, 井斜3 0 。, 井壁裸眼 井擘裸眼 图2 不同条件下环空内岩屑速度分布 F i g . 2 Cu t ti n g s v e l o c i t y d i s t r i b u ti o n i n a n n u l u s u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s 由图 2可知 , 在同心环空中, 流速沿径向对称分 布 , 最大流速位于环空中心区域 , 距壁 面越近流速越 小 ;当发生偏心环空时 , 流速也偏 离对称分布 , 且偏 心距越大偏离越 明显 ;岩屑的最大速度在环空厚度 较大处发生, 相对同心环空时大约 1 . 1 5 m / s , 但最大 流 速区域很小 , 随偏 心距 的增 大而增大 ;井壁 为裸 眼时, 因受裸 眼壁面摩 阻影响 , 岩屑流速明显 比外壁 为套管时小的多, 相差 4 ~ 5 m/ s ;钻柱旋转对岩屑速 度的影响不显著, 岩屑在偏心环空中的流速仅有细 微的减小; 而当井倾斜时, 岩屑速度有较明显的增 加, 约 1 . 5 ~ 2 .4 m / s , 最大流速区域仍偏近环空厚度较 大处。 图 3为不 同条件下环 空 内的压强分 布 , 从 3 a 中可以看出, 当外壁为裸眼时, 压降比外壁为套管时 大 2 . 5 ~ 3倍 , 且随偏心距 的增大 , 压降逐渐增 大 , 同 井深 的裸 眼段要 消耗更多 的压力 , 需要更大 的压能 注入; 外壁为套管时, 随偏心距的增大, 压降先减小 后增加 , 但没有超过同心时的压降, 总体呈现弱下降 趋势。 钻 柱旋转对 偏 心环空 内压强分 布有 明显 的影 响 , 图 3 b 为偏 心距 0 . 0 2 m 时 3种不同转速的压强 分布。可见, 旋转使得环空压降增大, 但压降并不是 随钻速的增加而逐渐增加, 有一个先升后降的过程, 在钻速为 6 0 r / min时达到最大, 1 0 m环空段的压降 达 7 5 7 P a ;压降随井斜角的增大而逐渐减小 , 见图 3 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 8 6 0 O O 0 0 O O O 淼 兰 兰 量 兰 裟 ■■ - ■圜 - _ 2 4 石油钻采工艺 2 0 1 0年 1月 第 3 2卷 第 1 期 c , 井眼发生倾斜时, 同井深条件下的环空流体克服 位能减小 , 所需的压能相应减小 。 裸眼 套管 裸眼 套管 压强/ P a a 井筒垂赢、钻柱静止时不同井壁的 『 } i 强分和 压强/ P a b 井筒垂直、井蹬为套管时不同钻柱转速 的压强 分 搬/ P a c 钻柱静i 、 壁为套锊时不同计斜角度的压强分布 图 3 不 同条件 下环 空 内压 强分布 F i g . 3 P r e s s u r e d i s t r i b u t i o n i n a n n u l u s u nd e r d i ffe r e n t c o n d i t i o n s 环 空 内的岩屑浓度 是气体钻 井 中需要关 注的 对象之一 , 决定着井眼净化的相关技术参数 。对不 同条件下环空 内岩 屑体 积分数分布进行 了数值模 拟 , 见图 4 。当外壁为套管时 , 偏心环空 比同心环空 中的岩屑浓度大, 体积分数大约 0 . 0 0 0 3 , 但偏心距 的大小对其影响并不明显; 在井壁为裸眼时, 环空 内的岩屑浓度较井壁为套管时大 0 . 0 0 1 的体积分 数 , 且随着偏 心距 的增 大而逐渐增 大 , 在偏 心距 为 0 . 0 2 m时的岩屑体积分数达 0 .0 0 5 8 9 ; 钻柱的旋转 对环空内的岩屑分布产生一定的影响, 随钻柱旋转 速度 的增 大 , 岩 屑的体积分数先增后减 , 最大值 发 生在钻柱转速为 6 0 r / mi n 时;当井眼发生倾斜时, 环空内的岩屑浓度随井斜角的增大而增大, 因重力 影响 , 岩屑在下壁面 区域聚集 , 浓度较大 , 而空气在 上部 流速 加大 , 携岩效果 良好 , 故 上壁面 区域 的岩 屑浓度很小。 惫 跫 二 暮 安 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 r ] 川 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l 1 1 2 l 3 1 4 1 一 同心, 外避 为会铃 4 一 心。 井壁为裸眼 2 一偏心距O . 0 1 m , 姥为套瞥 5 ~偏心距0 叭 m , 井壁为裸眼 3 - -偏心距0 . 0 2 m, 井壁 为套管 6 一偏心距O . 0 2 m, 井壁为裸眼 7 一 偏心距0 . 0 1 m, 壁 为套臀, 垂赢 8 一 偏心距0 . 叭 m, 外壁 为奁符, 片斜角3 O 。 9 一偏心距O . 0 l m, 蹙 为套管, 并斜角5 O 。 l O 一偏心 0 . O 1 m, _J } 为套管, 井斜 f f{ 7 O 。 1 1 一 偏心距o . 0 2 m, 外擘为套 符, 钻柱静 j } 1 2 一 偏心距O . 0 2 m, 外 为套 管. 钻柱3 0 r / mi n 1 3 一偏心距o . 0 2 m l 井蹬为套钎, 钻梓6 o r / m i n 1 4 一偏心 O . 0 2 m, 外肇 为套 锊, 钠柱9 O r / mi n 图4 不同条件下环空内岩屑体积分数分布 F i g . 4 Vo l u me f r a c t i o n d i s t r i b u t i o n o f c u t t i n g s i n a n n u l u s u n d e r d i ffe r e n t c o n d i t i o n s 3 结论 Co n c l u s i o ns 1 偏心环空 中岩屑流速偏离对称分布 , 在倾斜 井眼中有明显增加, 而钻柱旋转时变化不大, 最大速 度在环空厚度较大处发生; 2 裸眼井壁的压降比套管时大 2 . 5 ~ 3 倍, 随偏 心距的增大而增大; 钻柱旋转使环空压降增大, 最 大值发生在 6 0 r / mi n时 , 而随井斜角的增大 , 压降逐 渐减小 ; 3 偏心环空 比同心环空 中的岩屑浓度大 , 裸眼 井壁环空 内的岩屑浓度相对较大 , 且随着偏 心距 的 增大而逐渐增大; 4 随钻柱旋转速度的增大 , 岩屑的体积分数先 增后减 , 最大值发生在钻柱转速为 6 0 r / mi n时;环空 内的岩屑浓度 随井斜角的增大而增大 , 岩屑在下壁 面区域聚集; 5 数值模拟气体钻井形象直观地反映了井内各 参数 的分布情况 , 为气体钻井设计与工艺参数选择 提供 了有效的参考依据。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 王存新, 孟英峰, 邓虎, 等 . 气体钻井注气量廿算方法研 究进展 [ J ]. 天然气工业, 2 0 0 6 , 2 6 1 2 9 7 9 9 . W ANG Cu n xi n,MENG Yi n g f e ng ,DENG Hu,e t a 1 . 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