页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑运移机理研究

第 16 卷第 7 期2016 年 3 月 16711815( 2016) 07-0177-05 科学技术与工程 Science Technology and Engineering Vol. 16No. 07Mar. 2016 2016Sci. Tech. Engrg. 页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑 运移机理研究 刘少胡1谌柯宇2管锋1魏世忠1 ( 长江大学机械工程学院1， 荆州 434023;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 2， 成都 610500) 摘要针对页岩气开采成本高， 以及清水钻井在垂直井段具有成本低和机械钻速快的优点， 且页岩气清水钻井岩屑运移规 律尚认识不清。基于流体力学基本控制方程和湍流输运方程， 建立了三维井眼环空岩屑运移模型。使用全隐式多网格耦合 求解技术进行数值计算。利用该模型开展清水钻水平井段岩屑运移可行性研究， 以及钻井液排量、 岩屑床高度、 岩屑粒径、 清 水黏度和钻柱转速对岩屑运移规律的影响研究。研究表明， 在水平井段清水钻井液携岩是可行的， 数值计算结果对比， 得出 钻井液排量、 岩屑床高度和岩屑粒径是影响清水携岩能力的敏感参数。建议钻井过程岩屑床厚度不要超过井眼直径的 10%， 岩屑颗粒直径为 5 mm 左右， 根据钻井需要选用合适的钻井液排量、 钻井液黏度和钻柱转速。清水钻井岩屑运移机理研究可 为页岩气安全高效开采提供技术支撑， 同时将加快页岩气工程的开发进程。 关键词页岩气岩屑运移清水钻井水平井CFD 中图法分类号TE357. 6;文献标志码B 2015 年 11 月 4 日收到油气藏地质及开发工程国家重点实验室 开放基金项目( PLN1504) 、 流体及动力机械教育部 重点实验室开放课题( szjj2015- 041) 和长江大学青年基金项目 “充气泥浆钻煤层气煤岩运移规律研究” ( 2015cqn44) 联合资助 第一作者简介: 刘少胡( 1984) ， 男， 甘肃静宁人， 博士， 讲师。研究 方向: 管柱力学、 计算流体动力学及钻完井井下工具。E- mail: liusha- oh126. com。 页岩气是一种清洁、 高效的非常规油气。美国 页岩气的成功开发对世界能源格局产生了深刻影 响， 截至目前， 全球已有 30 多个国家启动了页岩气 勘查开发工程。据国土资源部数据， 我国页岩气地 质资源潜力为 134 1012m3， 可采资源潜力为 25 1012m3( 不含青藏区) ， 超过美国页岩气储量， 位居 世界第一。页岩气主要分布在盆地内厚度较大、 分 布广的页岩烃源岩地层中， 采集比传统天然气困难。 美国 Barnett 页岩实际钻井经验表明， 从水平井中获 得的最终采收率大约是直井的三倍， 而费用只相当 于直井的两倍 14 。 国家级页岩气示范区重庆涪陵页岩气开采取得 了可喜的成绩 ， “井工厂” 、 清水钻井等多项技术在 礁石坝页岩气开采中获得成功应用， 尤其是清水钻 井技术在钻直井中得到了广泛的应用。清水钻井液 成本比油基钻井液成本低， 清水钻井液对储层伤害 小， 对环境污染小， 且清水钻井液可重复利用度高， 由此对比说明清水钻井技术值得推广应用57 。 清水钻井由于机械钻速快， 钻井成本低等优点 在页岩气钻垂直井段得到了广泛的应用， 这为清水 钻水平井段奠定了技术基础， 但清水钻水平井段由 于还存在较多技术难题未解决， 所以还没有进行推 广应用。其中清水钻水平井段岩屑运移问题有待解 决， 目前还没有相关的文献报道关于清水钻水平井 段岩屑运移的研究， 所以非常有必要开展清水钻水 平井段岩屑运移可行性研究， 以及排量、 岩屑床高 度、 岩屑粒径、 清水黏度和钻柱转速对岩屑运移规律 的影响研究。 1数值模型建立 1. 1控制方程 数值模拟的基本控制方程包括质量守恒方程、 动量守恒方程和能量守恒方程。 1. 1. 1质量守恒方程 清水携岩满足质量守恒方程定律。该定律可表 述为: 单位时间内流体微元体中质量的增加， 等于同 一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定 律， 可以得出质量守恒方程810 : t + ( ux) x + ( uy) y + ( uz) z = 0( 1) 式( 1) 中， ux、 uy、 uz分别为 x、 y、 z 三个方向的速度分 量， m/s; t 为时间， s; 为流体密度， kg/m3。 1. 1. 2动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的 基本定律。该定律可表述为微元体中流体的动量对 时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力 之和， 动量方程的本质是满足牛顿第二定律， 依据这 一定律， 可导出 x、 y 和 z 三个方向的动量方程为: ( ux) t + ! ( uxu)= p x + xx x + yx y + zx z + fx ( 2) ( uy) t + ! ( uyu)= p y + xy x + yy y + zy z + fy ( 3) ( uz) t + ! ( uzu)= p z + xz x + yz y + zz z + fz ( 4) 式中， p 是流体微元体上的压强， Pa; xx 、 yy 、 zz是因 分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性 应力 的分量， Pa;fx、 fy、 fz为三个方向的单位质量 力， m/s2。 1. 1. 3能量守恒方程 依据能量守恒定律， 微元体中能量的增加率等 于进入微元体的净热流通量加上质量力与表面力对 微元体所做的功， 可得其表达式为: ( E) t + ! u( E + p) = ! keff! T j hjJj+ ( effu) + Sh( 5) 式( 5) 中: E 为流体微团的总能， J/kg， 包含内能、 动 能和势能之和， E = h p + u2 2 ， h 为焓， J/kg; hj为 组分 j 的焓， J/kg， 定义为 hj= T Tref Cp， jdT， 其中 Tref= 298. 15 K; keff为有效热传导系数， W/( m K) ， keff= k + kt， kt为湍流热传导系数， 根据所用的湍流 模型来确定; jj为组分 j 的扩散通量; Sh为包括了化 学反应热及其他用户定义的体积热源项。 1. 1. 4湍流输运方程 在 NG k- 模型中， 湍动能 k 和湍流耗散率 输运方程描述如下11， 12 : ( fk) t + x i ( f k i)= x j keff k x () j + Ek+ Eb f YM + Sk( 6) ( f ) t + x i ( fi)= x j eff x () j + C 1 k ( Ek+ C 3 Eb) C 2 f 2 k + S( 7) 式中， f为气体密度、 i为时均速度、 eff为气体等效 黏度、 k为湍动能、 为湍流耗散率、 Ek为平均速度梯 度引起的湍动能 k 的产生项、 Eb为浮力引起的湍动 能 k 的产生项、 YM为可压缩湍流波动扩张对整体耗 散率的影响、 k为 k 普朗德尔数、 为 普朗德尔 数、 Sk、 S为用户定义的源项。 其中， C 1 = 1. 42， C 2 = 1. 68， C 3 = 1. 3。 1. 2几何模型及边界条件 选用工程常用的 6 in( 152. 4 mm) 水平井眼为 研究对象， 文献 13， 14 钻水平井全井钻具组合为: 152. 4 mmPDC + 120. 7 mm 螺杆 + 120. 7 mm 钻 铤 3 根 + 120. 7 mm 螺杆 + 120. 7 mm 浮阀 2 + 88. 9 mm 加重钻杆 + 88. 9 mm 钻杆 + 139. 7 mm 钻杆 + 165 mm 浮阀 + 127 mm 钻杆。 岩屑运移不畅主要发生在钻柱面积突变处， 故 在 6in 井眼选用两根 88. 9 mm 钻杆且中间安装有 接头进行计算。采用非均匀结构网格技术对其进行 网格划分， 对钻杆接头外壁面和流体进出口壁面进 行局部网格细化， 如图 1 所示。使用全隐式多网格 耦合求解技术进行数值模拟。 图 1水平段井眼环空网格图 Fig. 1Horizontal wellbore annulus grid figure 流场边界条件如下: 岩屑床为三层水力模型， 岩 屑床长度为 400 mm， 岩屑床高度为 15. 24 mm， 岩屑 床初始浓度为 80%; 钻井液排量为 25 L/s， 钻柱旋 转速度为 60 r/min， 岩屑颗粒粒径为 1 mm， 岩屑密 度 2 600 kg/m3， 清水钻井液黏度为 10 cp。 2水平井段清水携岩敏感参数分析 为研究水平井段清水携岩敏感参数， 数值计算 了钻井液排量、 岩屑床高度、 岩屑粒径、 清水黏度和 钻柱转速对岩屑运移规律的影响。 2. 1水平井段清水与泥浆携岩对比研究 在相同工况下， 对比研究了 6 in 井眼水平井段 清水钻井和泥浆钻井岩屑运移情况， 数值对比计算 结果如图 2 所示。对比结果显示， 由于泥浆的黏 度高于清水黏度， 随着运移时间的增加， 泥浆钻井悬 浮层岩屑运移速度高于清水钻井悬浮层岩屑运移速 度， 故泥浆钻井岩屑易被携带运移， 对岩屑的携带能 力较强; 泥浆和清水对移动岩屑床的运移速度基 本相同的; 悬浮岩屑体积、 移动岩屑床体积和固定 岩屑床体积基本一样， 由此对比可以看出泥浆和清 水携岩能力是基本相同。 871科学技术与工程16 卷 图 2水平井段清水与泥浆携岩对比研究 Fig. 2Comparative study on the water and mud carrying cuttings for the horizontal section 如图 3 所示为水平井段三层水力模型( 悬浮 层、 移动岩屑床和固定岩屑床) 岩屑运移云图， 清水 钻井液黏度较低， 可流动性较大， 流动过程遇到岩屑 床容易形成湍流漩涡， 对岩屑床的破坏冲击较大。 计算云图显示， 在数值计算 5 s 时固定岩屑床被破 坏成移动岩屑床， 在数值计算 10 s 时移动岩屑床体 积分数明显降低， 利于钻井液运移。综上所述， 清水 钻井液在水平井段携岩是可行的。 图 3清水携岩岩屑运移云图 Fig. 3The cloud of water carrying cuttings 2. 2钻井液排量对岩屑运移规律的影响 如图 4 所示为钻井液排量对岩屑运移规律的影 响曲线图。随着钻井液排量的增加， 悬浮岩屑运移 速度迅速增加， 悬浮岩屑体积分数基本没有变化， 但 是体积非常小， 约为 3%; 钻井液排量的增加固定岩 屑床被破坏， 固定岩屑床体积分数呈线性减小， 固定 岩屑床被破坏成为移动岩屑床， 使得移动岩屑床体 积分数迅速增加， 由于钻井液排量的增加移动岩屑 床运移速度增加， 所以移动岩屑床不会再次沉降堆 积成固定岩屑床。由此可以看出增大清水钻井液排 量可有利于破坏固定岩屑床和移动岩屑床， 并可有 效的运移悬浮岩屑。 图 4钻井液排量对岩屑运移规律的影响 Fig. 4The effect of drilling fluid displacement on cuttings transport 2. 3岩屑床高度对岩屑运移规律的影响 固定岩屑床高度是评价井眼净化程度的主要标 准之一， 三层水力模型中固定岩屑床高度是影响岩 屑运移的主要因素。随着固定岩屑床高度的增加， 固定岩屑床体积迅速增加， 尤其是固定岩屑床高度 超过 15 mm 时， 固定岩屑床体积和移动岩屑床体积 增速较大。随着岩屑床高度的增加， 悬浮岩屑运移 速度、 悬浮岩屑体积和移动床运移速度基本没有变 化， 由此看出， 井眼固定岩屑床高度的增加为井眼净 化带来了困难和不便。计算结果显示岩屑床厚度超 过井眼直径的 10%时岩屑运移不畅， 不利于井眼净 化， 这与文献 15结果想吻合， 同时证明了数值计 算结果的可行性。建议在钻水平井段时一定要控制 岩屑床厚度不要超过井眼直径的 10%。 2. 4岩屑粒径对岩屑运移规律的影响 现场收集到的岩屑发现， 岩屑粒径大部分小于等 于5 mm， 最大岩屑粒径约为10 mm， 所以数值模拟研 究了粒径为1 10 mm 岩屑运移情况。数值模拟结果 显示， 随着岩屑粒径的增大， 悬浮岩屑运移速度先增 加后减小， 粒径为5 mm 岩屑悬浮速度最大， 该计算结 果与文献 14 结果想吻合， 同时证明了数值计算结果 的可行性。与泥浆钻井岩屑运移相比， 清水钻井液由 于黏度较低， 可流动性较强， 较易形成冲击湍流， 所以 9717 期刘少胡， 等: 页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑运移机理研究 图 5岩屑床高度对岩屑运移规律的影响 Fig. 5The effect of cuttings height on cuttings transport 容易破坏移动岩屑床和固定岩屑床。随着岩屑粒径 的增大， 岩屑颗粒表面受到清水钻井液的冲击携带力 越大， 岩屑越容易被带走， 故移动岩屑床体积和固定 岩屑体积随着粒径的增大体积分数越小。 图 6岩屑粒径对岩屑运移规律的影响 Fig. 6The effect of cuttings diameter on cuttings transport 2. 5清水黏度对岩屑运移规律的影响 图 7 所示为清水黏度对岩屑运移规律的影响曲 线图， 由图 7 可以看出， 随着清水钻井液黏度的增 加， 固定岩屑床颗粒被钻井液黏滞带起， 移动岩屑床 体积分数开始迅速增加， 移动岩屑床的运移速度也 小幅增加。由上面可以看出， 清水钻水平井可通过 在钻井液中添加羧甲基纤维素( CMC) 来增加黏度， 增加钻井液黏度即可有利启动固定岩屑床颗粒， 更 可预防岩屑沉降。在钻井中， 根据携岩需求和钻井 设备特性选择合适的钻井液黏度， 由于清水钻水平 井段易坍塌， 在页岩气钻井中更需要使用合适黏度 的钻井液。 2. 6钻柱转速对岩屑运移规律的影响 由图 8 可以看出， 随着钻柱转速的增加， 悬浮岩 屑颗粒的运移速度增加， 在转速为 60 r/min 时岩屑 的运移速度最大。钻柱的旋转直接破坏移动岩屑床 和固定岩屑床， 故移动岩屑床和固定岩屑床的体积 图 7清水黏度对岩屑运移规律的影响 Fig. 7The effect of drilling fluid viscosity on cuttings transport 分数降低。由于钻柱的旋转碰撞移动岩屑床， 移动 岩屑床的运移速度也随钻柱转速的增加而减小。建 议在岩屑床堆积比较严重或者机械钻速较快时， 增 加钻柱转速可破坏岩屑床或者预防岩屑床的生成。 图 8钻柱转速对岩屑运移规律的影响 Fig. 8The effect of rotate speed on cuttings transport 3结论 ( 1) 数值计算结果对比得出清水钻井和泥浆钻 井携岩能力是基本相同的， 清水钻井液在水平井段 携岩是可行的。钻井液排量、 岩屑床高度和岩屑粒 径是影响清水携岩能力的敏感参数。 ( 2) 建议钻井过程岩屑床厚度不要超过井眼直 径的 10%， 控制机械钻速使得岩屑颗粒直径为 5 mm 左右， 根据钻井需要选用合适的钻井液排量、 钻 井液粘度和钻柱转速有利于破坏固定岩屑床和移动 岩屑床， 提高岩屑运移效率。 参考文献 1陈尚斌， 朱炎铭， 王红岩， 等 中国页岩气研究现状与发展趋势 石油学报， 2010; 31( 4) : 689694 Chen Shangbin，Zhu Yanming，Wang Hongyan，et al. esearch sta- tus and trends of shale gas in China Acta Petrolei Sinica，2010; 31 081科学技术与工程16 卷 ( 4) : 689694 2陈波， 关小曲， 马佳 上扬子地区早古生代页岩气与北美 Bar- nett 页岩气潜力对比 石油天然气学报( 江汉石油学院学报) ， 2008; 33( 12) : 2327 Chen Bo，Guan Xiaoqu，Ma Jia. 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Using this model to carry out the feasibility study of cuttings transport for water drilling in horizontal well. And also study the effect law of displacement of drilling fluid，cuttings bed height，cutting diameter，the viscosity of water and rotational speed of the dri