变注入参数空气钻井流场模拟对比分析.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 l 0年 7月 石 油 钻 探 技 术 PE I 、 R I EUM DRI I I I NG I 、 ECH NI QU E S VO1 ．3 8 NO． q J u 1 ． ， 2 0 1 0 ． 一 钻 井与 完 井 又 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 1 3 注入 参数 空气钻 井流场模拟对 比分析 朱红钧 林元华 李 强 杜仁德 王新虎。 牟鹤林 1 ．C NP C石油管力学和环境行为重点实验室 西南石油 大学 ， 四J 6 1 0 0 8 1 ； 3 ．中国石油 管材研究所 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 ； 4 ．中国石油 I成都6 1 0 5 0 0 ； 2 ．中国石化 西南油 气分公 司， 四川 I成都 塔里木油 田公司 ， 新疆 库尔勒8 4 1 0 0 0 摘要 空气钻井具有钻速快 、 成本低 、 对储层伤 害小等特 点 ， 但 关于井 内流场 分布及 工艺参数 研 究仍不 够完 善 。基 于 流 体 动 力 学 方 法 ， 利 用 Fl u e n t 软 件 对 空 气 钻 井 不 同 注入 参 数 下 的 流 场进 行 了数 值 模 拟 ， 得 出 了 井 内 压 力 和流速分布 。结果表 明 过流截 面积 变化与钻具表 面的粗糙 度均会 影响 流场 ， 关键 部位 因环 空截 面积 的增 大流速 明显减 小， 易于岩屑的沉积 ； 注入压 力一定 时， 井 口是否采 用回压 ， 要根据 井筒 内具体 的流速分 布确定 ， 流速既要 满 足携岩要求 又不 可超过 冲蚀速度 。因此 ， 根 据井眼净化要 求 ， 结合 冲蚀控制 标准 ， 利 用 F l u e n t 软件进 行 多组 次模 拟 分析对 比， 可取得 较优的工 艺参数组合 ， 为空气钻 井注入参数设计提供 了一种简单 、 快捷 的方法。 关 键 词 空 气 钻 井 ；注入 参 数 ；数 值 模 拟 ；流 场 ；Fl u e n t软 件 中图 分 类 号 TE2 4 2 ． 6 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 卜0 8 9 0 2 0 1 0 0 4 0 0 4 9 0 4 A n a l y s i s o f F l o w F i e l d i n Ai r Dr i l l i n g w i t h Va r i a t i o n o f I n j e c t i n g P a r a me t e r s Zh u Ho n g j u n L i n Yu a n h u a Li Qi a n g Du Re n d e Wa n g Xi n h u 。 Mo u He l i n 1 ．CNPC Ke y L a b o r a t o r y f o r Me c h a n i c a l a n d En v i r o n me n t a l Be h a v i o r o f Tu b u l a r Go o d s S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Ch e n gdu， Si c hu an， 6 1 05 0 0， Chi n a； 2 ． So ut h w e s t Br a nc h， Si n o pe c ， Che n gdu， Si c hu an， 6 1 0 0 81， Chi na； 3 ． Tu b ul arGo o ds Re s e ar c h Ce nt e r， CN PC， X i ’ an， Sh a n xi ， 7 1 0 06 5， C i n a； 4 ． T a r i m Oi l fi e l d C o mp a n y o f Pe t r o Ch i n a， Ku r l e ， Xi n j i a n g， 8 4 1 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Ai r dr i l l i n g ha s g oo d r a t e o f p e ne t r a t i o n， l ow c o s t ， l o w r e s e r vo i r d a ma ge， e t c， whi l e t he di s t r i b ut i on o f a i r f l o w f i e l d a nd t e c hn i c a l p a r a m e t e r s s t i l 1 n e e d m o r e i nve s t i ga t i o n． Ba s e d on t he c o mput a t i o n f l u i d d y n a mi c s t h e o r y， t h e f l o w f i e l d i n we l l wa s s i mu l a t e d u s i n g FLUENT wi t h v a r i o u s i n j e c t i n g p a r a me t e r s ． The di s t r i bu t i o n o f p r e s s ur e a nd ve l oc i t y we r e obt a i ne d．Th e r e s u l t s s h o w t h a t va r i ou s c r o s s s e c t i o n a n d s ur f a c e r ou ghn e s s o f BH A wo ul d i mpa c t t he f l ow f i e l d． Th e v e l oc i t y r e du c e d s i gn i f i c a nt l y wi t h t h e i nc r e a s e o f a n n u l u s a r e a wh i c h c a u s e d c u t t i n g s d e p o s i t i o n ． Wi t h t h e c o n s t a n t i n j e c t i o n p r e s s u r e 。 wh e t h e r o r n o t t o us e ba c k pr e s s u r e i s d e t e r mi ne d by f l o w di s t r i bu t i o n i n w e l l bo r e ．Ve l oc i t y ha s t o me e t t he r e q ui r e me nt s o f c ut t i ng t r a n s p or t a nd l o we r t ha n c or r os i o n s p e e d ．Combi n e d wi t h t h e mi ni m u m ve l oc i t y f o r c u t t i n gs t r a n s p o r t a n d e r o s i o n v e l o c i t y ， t h e a p p r o p r i a t e i n j e c t i n g p a r a me t e r s we r e o b t a i n e d b y c o mp a r a t i v e a n a l y s i s ． A s i mpl e a nd e f f e c t i v e me t ho d f o r a i r dr i l l i n g de s i g n wa s ob t a i n e d． Ke y wo r d s g a s d r i l l i n g； i n j e c t i o n p a r a me t e r ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n； f l o w f i e l d ； Fl u e n t s o f t wa r e 空气 钻 井是 以空 气作 为循 环介 质 携带 岩 屑 的钻 井技 术 ， 属 于欠平 衡 钻井 技术 的一 个 分支 ， 因其 钻 速 快 、 成本 低 和对储 层 伤 害 小 的显 著 特 点 而倍 受 人 们 关 注l 】 ] 。上世 纪 9 0年 代 ， 美 国 、 加 拿 大及 欧洲 的一 些 国家 就开 始应 用 空 气 钻井 技 术 ， 并 不 断 发 展 完 善 该技 术 [ 3 ] 。近年来 ， 国 内新疆 油 田、 长 庆 油 田 、 四川 I 油 田、 玉 门油 田等 也 开始 推广 应用 空气 钻 井技 术 ， 并 取得 了 良好 的效 果[ 4 。 。然 而 ， 空 气 钻 井 技 术 还 不 够 完善 ， 尤其 是在 井 内流 场 分 布 的控 制 和 工 艺 参 数 收 稿 日期 2 0 0 9 0 2 2 2 ； 改 回 日期 2 O l 一 0 5 2 4 基 金 项 目 “ 新 世 纪 优 秀 人 才 支 持 计 划 ” 编 号 NC E [ ‘ _ 0 8 0 9 0 7 、 四 川 省 杰 出 青 年 学科 带 头 人 培 养 基 金 编 号 O B Z Q0 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 AI I标 ； 隹油 气 井 管 材 及 管 柱 安 全 性 与 优 化 设 计 技 术 研 究 ” 编 号 2 0 0 8 A一 3 ㈤ 5 资 助 作 者 简 介 朱 红 钧 1 9 8 3 ， 男 。 江 苏 靖 江 人 ， 2 0 0 1年 毕 业 于河 海大学环境 工程专业， 2 O O 7年获 河海 大学流体 力学 专业硕 士学位 ， 讲师 ． 主要 从事油气流体力学、 计算流体力学方面的研 究工作 。 联 系 方 式 0 2 8 ， 8 3 0 3 2 2 0 6 ， fi c k y 8 6 3 l 2 6 ． C O I l l 的选择上 还需进 行进 一 步攻 关l 1 ] 。A n g e l 对 空气 钻井气体需量进行 了理论分析口 ， 制作 了气体需量 计算 图表 ， 后来 C o o p e r等_ 】 5 ] 对 其 作 了一 定 程 度 的 改进。练章华等[ 1 。 分析了空气的携岩能力 ， 建立了 相关数学 模型 。但 由于进行 空气钻 井 时井下 环境复 杂 ， 而模 型往往基 于一 定 的假 设条 件 ， 因此所建 模型 缺 乏通 用 性 。随 着模 拟 软件 的成 熟 ， Ad e wu mi l 1 、 孟英 峰_ 】 、 郭 建华[ 1 钉等模拟 分析 了井 内气 固两相流 场 ， 将数 值模 拟方 法 应用 于空 气 钻井 技 术 研究 。鉴 于此 ， 笔 者基 于 流 体 动力 学 方 法 ， 利用 F l u e n t软件 对空气 钻井时井 眼 内不 同注人参 数下 的流场 进行 了 数值 模拟 分 析 ， 得 出 了钻 柱 与 环 空 内压 力 、 流 速 分 布 ， 并 通过对 比找出 了最 优注人 参数 。 1 研究 问题及模 型 笔者 选择川 东北地 区二 开时 一种空 气钻井 时 常 用组 合参 数建 立 模 型 。井 身 结 构 井 眼 直 径 3 2 8 ． 5 mm， 井 深 1 5 0 0 m， 3 3 9 ． 7 mm 套 管 下 深 6 0 0 m。 钻具组 合 3 1 1 ． 1 mm 钻头 2 2 8 ． 6 mm钻 铤 6 O m 2 0 3 ． 2 mm 钻 铤 9 O m十 1 7 7 ． 8 mm 钻 铤 9 0 m声 1 3 9 ． 7 mm 加 重 钻杆 4 7 m 1 2 7 ． 0 mm 钻杆 。其他参数 井 口温度 为 2 9 8 ． 1 5 K， 地温梯度 为 3℃／ 1 0 0 m； 气体常态下密度为 1 ． 2 2 5 k g ／ m。 ； 套 管 、 钻 杆 、 钻 铤 的 绝 对 粗 糙 度 0 ． 0 4 6 7 8 mm， 密 度 7 7 5 0 k g ／ m。 ， 比热 容 4 7 1 ． 5 4 J ／ k g K ， 导 热 系数 4 2 ． 3 W／ m K ； 裸 眼绝 对 粗糙 度 4 ． 0 8 mm， 岩屑 密 度 2 6 0 0 k g ／ m。 ， 比热容 1 1 0 0 J ／ k g K ， 导 热系 数 0 ． 3 W／ m K 。 考 虑到井 筒 内循 环流体 与 土壤之 间 的传 热是 持 续 的 ， 在 井筒 外设 置 半径 为 5 0 m 的土 壤 区域 ， 建立 了全井段 模型 ， 并 用六 面体 单元对 其进行 网格 划分 ， 如 图 1所示 。 茸 聪 采 O 图1 全井段几何模型与 网格 钻 杆 内部 为 空 气 单 相 流 ， 环 空 为 空 气 、 岩 屑 两 相 流 ， 考 虑空 气 的 可 压 缩性 和黏 热效 应 ， 雷 诺 时 均 方 程为 塞 - 0 1 未p u 一芸 一 P 2 式 中 下标 i 、 J分别为 1 、 2 、 3 ， 分别对 应 X 、 Y 、 z三个方 向 ； p 为 流体 密度 ， k g ／ m a ； t 为 时 间， S ； 为速 度 ， m／ s ； 为动力黏性系数 ， P a S ； P为压力， P a ； f为单位质 量力 ， m／ s 。蠢为时均 速度 ， m／ s ； U t 为脉动速度 ， m／ s ； 脉 动速度 相关项 lD 为雷诺应 力 ， k g ／ m s 。 。 笔者基 于有 限体 积法 ， 选 用 S I MP L E法 进行 压 力 、 速 度耦合 ， 并采 用 一 ￡湍 流模 型将 式 1 和 式 2 组 成 的方程组 封 闭 。所采 用 的 一 ￡湍 流模 型为 尸害 一 击[ 啬] G 一 一 y M 』0 一 l I 十 ／ J 十 b K 十 一 』De 一 M 3 ．o [ 亳] p C 1d t 一 10 一 一 l I 十 ／ J十 一 l D c2 c 上c3 Gb 4 } c √U e K 式 中 为单位质 量湍 动能 ， m2 ／ s ； ￡ 为单 位质 量湍动 能耗散率 ， m ／ s 。 ； S为平 均 应 变率 ， S _ 。 ； 为 湍 流黏 性 系数 ， P a S ； O 是 分子运 动黏性 系数 ， m ／ s ； G 为平 均速度 梯度引起 的湍 动 能 ， N／ m s ； G b为浮力 影 响引起的湍动能， N ／ m 。 s ； y M是可压速湍流脉动 膨胀对总耗散率 的影 响 ， k g ／ m S 。 ； C 、 C 1 、 G 、 c 3 、 、 为 常 数 ， C 一 m a x [ 。 ． 4 3 ， ／ e ] ，C l 一 1 ． 4 4 ， C 2 1 ． 9 ， C a 一 1 ， 一 1 ． 0， 一 1 ． 2 。 求 方程 组数 值 解 时 ， 采用 二 阶迎 风 格式 离 散方 程。设置了压力人 口、 压力出 口和固体壁面等边界 条件 ， 注入压 力为 0 ． 7 ～ 1 ． 2 MP a ， 环 空 井 口压 力 一 般取 0 MP a ， 若需加 回压力 ， 取 0 ． 1 ～0 ． 2 MP a 。利 用 F l u e n t 软件 对 空 气 钻井 不 同注 入 参 数 下 的 流 场 进行 数值 模拟 。 2 数值结果与分析 图 2为注 入压 力 为 0 ． 9 MP a 、 井 口加 回压 与不 加 回压 时的井 内压 力 变 化 。从 图 2可 以看 出 ， 空气 第 3 8卷 第 4期 朱 红 钧 等 变注 入 参 数 空 气 钻 井 流 场 模 拟 对 比 分析 由钻 柱进 入 至 环 空 流 出 的整 个 过 程 中压 力 不 断 下 降 ， 但钻 柱 内压力 变化 不 明显 ， 其 原 因是裸 眼井 壁摩 阻相 对较 大 、 携 岩需 要 消 耗 大部 分 压 能 。不 同 回压 下 环空压 力 曲线 的 变 化 趋 势 基本 相 同 ， 仅 因 回压 的 影 响造成 环 空压 降 的幅度 有所 区别 ， 回压 越大 ， 环 空 压 降幅度 越 小 。 复 ＼ 趟 -不加 回压时环空 i 不加回压时钻柱内 D ia l回压0 1 MV a 时环空 1回压01 MP a 时钻柱 内 回压0 2MP a 时环空 回压0 2 MP a 时钻柱内 0 200 4o o 6 00 80 0 1 0 00 l 2 UU l 40 0 1 50 0 井深／ m 图2 不同井 口回压下井 筒压 力的变化 由于井 底 水 眼过流 截 面的 突然 缩小 造成 了明显 的压 降 ， 井 口不 加 回压 与井 口加 0 ． 1和 0 ． 2 MP a回 压 3种 情 况 下 的 水 眼 压 降 分 别 为 3 ． 6 2 、 3 ． 5 7和 3 ． 5 4 k P a ， 差距 不是 很 大 。在 钻 杆 、 钻铤 和套 管 等组 件 的连接处 压力变化 趋势会 急剧改 变 ， 这是 由过流截 面变化及不 同组件具 有不 同的表面粗糙 度所 导致 的。 环空 内流 体 返 速 与井 口 回压设 置 紧 密相 关 ， 注 入压 力 为 0 ． 9 MP a ， 不 加 回压 时 ， 井 口最大 流速 达 到 1 2 1 ． 7 6 m／ s ， 而 加 0 ． 1和 0 ． 2 MPa回压 时 的最 大流 速分 别 为 6 1 ． 6 9和 4 1 ． 3 4 m／ s ， 如 图 3所 示 。环 空 中为 气 固两相 流 ， 流速 由下至 上呈 指数 递增 ， 越 接近 井 口增 幅越大 。在钻铤 与钻杆 或套 管 与裸 眼 的连接 处 ， 速度 变化 趋势 发生 改 变 ， 即流 速在 环空 截 面积增 大部 位 突然减 小 ， 这将 易 于岩 屑 的沉积 。 暑 g 瑙 媸 m e 不加回压时环空 i 不加回压时钻柱内 m e 回压0l MP a 时环空 一 回压01 MP a 时钻柱内 一回压0 ． 2 MP a 时环空 -回压0 2 IV [ P s ．时钻柱内 0 20 0 4 00 60 0 8 0 U 1 0 00 1 20 0 l 4U 0 井深／ m 图3 不同井口回压下环空流体速度变化 根据适用两 相流 动 体 系 的管道 冲刷腐 蚀 控 制设 计 的 AP I R P 1 4 E标准 ] ， 流体 冲刷 速度 V c r i c 应满 足 V e n ti 一 3 一 _ _ p 式 中 ， i 为流 体 冲刷 速 度 ， m／ s ； ．0 为混 合流 体 密度 ， k g ／ m。 。 3种情 况 下 井 底 附 近 的流 速 均 超 过 了 冲 刷 流 速 ， 有 助 于破 岩 ， 这 是 空 气 钻 井 所 需 要 的 。从 图 3 可 以看 出 ， 井 口不 加 回压 时 ， 井 深 约 4 5 0 1 T I 至 井 口 段 的环 空 流 体 速 度 超 过 了 冲 刷 流 速 ， 对 钻 柱 与 井 壁造 成 冲蚀 ， 影 响 了其 稳 定 性 ， 在 进 行 空 气 钻 井 时 中应 规 避 。 当 出 口加 0 ． 1 MP a回 压 时 ， 距 井 口约 2 0 0 m 井 段 的 流 体 流 速 超 标 ， 与 不 加 回压 时 相 比 ， 不利 井 段 长 度减 少 了约 2 5 0 m， 然 而这 仍 然 不适 于 工程 实 际 。井 口加 0 ． 2 MP a回 压 时 ， 除 井 底 外 的 整个 环空 井段 流 速 均 低 于 冲刷 流速 ， 满 足 防 冲蚀 要 求 ， 有 效 保护 了钻 杆 、 套 管 及 井 壁 的稳 定 ， 适 合 于 实 际施 工 。 注入 压力 为 0 ． 9 MP a 、 回压 为 0 ． 2 MP a的参 数 配组 较适 于该 实 例 ， 其全 井段 速 度 云 图见 图 4 ， 由于 轴 向长 度 远 远 大 于 径 向 长 度 ， 所 以 图 中 横 纵 比为 1 1 0 0 0 。通 过形 象 直 观 的云 图 ， 有 助 于 对 整 个 井 筒 内及 关键 点处 流场 的控 制 。空气 在 钻柱 中由上至 下速 度 有小 幅增 大 ， 到达 钻铤 处 ， 因过 流断 面 突然缩 小 导致 流速 突然 增 大 ， 随后 又 以一 定增 幅直 至井 底 ， 井底 流 速为 5 ～ 1 0 m／ s ； 环 空 中需 关 注 的关 键 部 位 主要 为 钻铤 与钻 铤 、 钻铤 与 钻杆 、 套 管与裸 眼的连 接 处 ， 在 满足 防冲蚀的条件 下 ， 要达 到井 眼净化 的要求 ， 就必 须使关键 处流体 达到一定 流速 以满足携 岩要 求 。 从 图 4可看 出 ， 关键 部位 的最 小 速度 大于 2 2 m／ s ， 大 于最 小临界流 速 1 5 m／ s ， 可满足井 眼净化要求 。 改 变 注入 压力 ， 进行 多 组参 数模 拟对 比分 析 ， 结 果 见表 1 。在 经济 、 设 备条 件 允许 的情 况 下 ， 选 用组 次 3 、 5 、 8的参 数 组 合 可 较 好 地 满 足 实 例 井 工 程 需 要 ， 而 该实 例井 二 开时 注气 量 为 8 0 ～9 0 1 T I 。 ／ rai n ， 注 入 压 力 为 0 ． 7 ～O ． 9 MP a ， 表 明计 算 结果 与实 际情 况 吻合 较好 。 组 次注 井 出 1 0 ．9 0 1 1 0 1 21 ． 7 6 2 0 ． 9 0 ． 1 9 O 6 1 ． 6 9 3 0 ． 9 0 ．2 8 O 41 ． 3 4 4 1 ． 2 0 ．2 1 1 0 5 0 ．5 7 5 0 ． 7 0 ． 1 8 O 4 O． 1 2 6 1 ． 1 0 ． 2 1 1 0 4 8 ．3 9 7 0 ． 8 0 ． 1 9 0 5 4． 6 5 8 1 ． 0 0 ． 2 1 O 0 4 3 ．9 】 ∞ ∞ ∞ 蚰 如 加 1 O O O O 0 O O 0 O 加 m ∞ 知 的 加 ∞ 如 ∞ 如 加 5 2 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 0年 7月 多 饕 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] E 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] E l o ] 图4 出口0 ． 2 MP a 时的流速分布云图 横纵比为1 1 0 0 0 [ 1 1 ] 3 结 论 1 过流截 面 积 变化 与钻 具 表 面 粗 糙度 均 会 影 响流场 ， 关 键部位 因环 空截 面 积 的增 大 流 速 明显 减 小 ， 易 于岩 屑的沉 积 ； 注 入 压力 一 定 时 ， 井 口是 否 采 用 回压 ， 要根据 井筒 内具体 的流 速分布 确定 ， 既要 满 足携岩要求又不可超过冲蚀标准 。 2 利用 F l u e n t 软件 模 拟空 气钻 井 井 筒 内流场 是 可行 的 ， 模 拟所 得流 场 的形 象可 视 ， 为 整个井 段及 关键 点处流场 控制 提供 了便捷 。 3 结合 冲蚀 控制 标准 、 井 眼净 化要 求 ， 利 用 F l u e n t 软件进 行 多 组 次 模 拟 参 数 分 析 对 比可 得 到 较优的工艺参数组合 ， 为空气钻井参数设计提供了 一 种 简单 、 快捷 的方法 。 [ 1 2 ] [ 1 3 ] 参 考 文 献 李玉飞 ， 孟英峰， 聂政远 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5井是胜利油田的一口稠油热采井 ， 套管直径 1 7 7 ． 8 mm。投产约年后发现 1 2 6 0 ． 5 ～1 2 6 5 ． 6 m井段套管变形 、 破裂， 关井停产。为使该井恢复生产， 胜利油田应用膨胀筛管技术对该井进行了修复。 先 大修扩铣打通道 ， 在套管具备 足够通径 后 ， 以膨胀 悬挂器 悬挂膨 胀筛 管 ， 膨胀 悬挂 器坐 挂深度 1 2 4 1 ． 5 2 1T I ， 然 后在 1 2 5 6 ． 5 9 ～1 2 6 9 ． 1 3 I T I 井 段处 下入 带有 2 个 膨胀 螺纹 、 长 1 2 ． 5 4 1 T I 的膨胀筛 管进 行膨胀 作业 。膨 胀 筛管膨 胀后 紧贴 巾 1 7 7 ． 8 mm套 管 内壁 ， 膨 胀后膨 胀筛 管 内径约 1 4 0 I T I I T I ， 比普通 筛 管 内径扩 大 3 8 mm， 增 大 了泄油 面积 ， 减 少 了生产压 差 ， 提 高 了油井产 量 。该 井所 用膨 胀 筛管 技 术为 胜利 油 田 自主研 发 ， 该 技 术采 用 先悬挂 、 后膨胀 的方 式完 成膨胀 过程 ， 采用 特殊 防砂 结 构及 特种 螺 纹连 接方 式 ， 膨 胀工 具具 有 可 变径 及二 次 膨胀功 能 。该技 术在 孤 岛南 3 2 0 5井 的成功应 用 ， 是 国内首次应 用膨 胀筛管 技术 修复套 损井 。 口 口 口 口 口 l二 J