钻井液黏度影响定向井及水平井携砂规律的室内研究

吴宇，王昌军，王志龙　(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)



钻井液黏度影响定向井及水平井携砂规律的室内研究

吴宇，王昌军，王志龙(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

[摘要]利用自制的可视化模拟携砂装置，通过统计计算出砂量与加砂量之比(携砂率)，研究了3种不同黏度流体在定向井以及水平井中的携砂规律。结果表明，在不同井斜角、不同黏度的情况下，流体的携砂率是不一致的。当井斜角为45°时，低黏流体不利于携砂，提高流体黏度有利于提高携砂率；当井斜角为60～90°(大斜度及水平井段)时，高黏流体从沉积的岩屑床上方滑过，携砂率下降，而低黏流体能对岩屑床产生扰动作用，提高岩屑的携带效率。这项研究结果为定向井和水平井钻井液流变参数的选择提供了重要参考依据。

[关键词]定向井；水平井；钻井液黏度；井斜角；模拟装置；携砂率

随着勘探开发要求的不断提高，定向井及水平井广泛应用于开发海洋和陆地情况复杂的油田，而井眼清洁问题已成为定向井及水平井钻井安全、效率的关键问题之一[1,2]。在钻井过程中，岩屑在井筒中堆积形成岩屑床，继而导致蹩扭矩、蹩泵压、卡钻具等一系列问题[3]。影响定向井及水平井段岩屑携带的因素众多，例如：与钻井液相关的包括钻井液环空返速、流变性、密度等，与岩屑相关的包括岩屑粒径、表面粗糙度、形状和密度等，其他因素还包括井斜角、机械钻速等[4～11]。其中，钻井液黏度是影响岩屑携带的主要因素[12]。针对这一主要因素，笔者应用自制的可视化模拟携砂装置进行了室内研究分析，这对海洋及陆地油田定向井及水平井段井眼清洁具有重要指导意义。

1定向井及水平井岩屑沉降情况分析

岩屑在井筒中的沉降情况大致分为3种[13]。第1种是在直井中，岩屑沉降速度只有轴向分量，这种情况下提高钻井液黏度有利于增大携砂率。第2种是在有斜度的井中，岩屑沉降速度具有轴向分量和径向分量，在径向分量的影响下，岩屑会向井筒低边沉降，从而形成岩屑床。同时，岩屑床表面的颗粒又受到钻井液的拖曳、举升、悬浮等作用，并克服重力、塑性力等阻力作用[14]，岩屑颗粒在岩屑床表面滚动，或举升至上层流体之中，表现为接触、悬移、跃移、层移等运动形式[15]。第3种是在水平井中，岩屑的沉降速度只有径向分量。当井斜角逐渐增大时，岩屑沉降速度的轴向分量逐渐减小至0，径向分量逐渐增至最大，岩屑颗粒主要表现为在岩屑床表面滚动，难以被举升至上层流体之中，此时增大钻井液黏度反而不利于携砂。

2可视化模拟携砂试验研究

2.1可视化模拟携砂装置简介

针对大斜度井段岩屑携带的问题，国外石油院校和科研院所建立了形式和性能各样的模拟携砂试验平台，较为著名的是塔尔萨大学的TUDRP室外实验平台[13,16]，其他如Heriot-Watt大学，Francais du Petrole Institute[17]，BJ Services[18]和METU[19]等研究单位也建立了相关的实验平台，国内相关研究和报道很少。笔者试验所用设备是由长江大学和中海油服联合研制的可视化模拟携砂装置，见图1。该装置井筒全长7m，内径122.5mm，为可视透明材料制作，能实时观察钻屑在井筒中的运移规律，同时具有连续的加砂出砂系统，能实时统计计算携砂率。装置井斜角0～90°可调，环空返速0～2m/s可调，模拟钻杆转速0～150r/min可调。

图1　大斜度井可视化模拟携砂装置

2.2携砂率的评价方法

由于该实验设备岩屑供给总量是有限的，随着试验的进行，环空岩屑最终会清除干净，所以该试验统一规定10min内的出砂总量与总加砂量的比值为携砂率Ea，其计算表达式为：

式中：m为10min内出砂总量，kg；M为加砂总量，kg。

3试验结果与评价

试验选用清水、Polymer 1和Polymer 2这3种不同黏度的流体模拟携砂情况，其流变性能见表1。

表1　试验用流体流变性能

注：μa为表观黏度；Nφ6、Nφ3分别为6速旋转黏度计6、3r/min对应的读值；τ为低剪切速率下的

切力， τ=2Nφ3-Nφ6。

模拟携砂条件为：上返流速0.9m/s，加砂总量80kg。分别评价了在不同井斜角下，不同黏度流体对携砂率的影响，结果见表2。

1)当井斜角为45°时，增大流体黏度有利于携砂，Polymer 2的携砂率>Polymer 1的携砂率>清水的携砂率。这是因为在45°井斜角下，岩屑颗粒容易被举升至上层流体之中，岩屑床的下滑会引起岩屑颗粒的二次夹带，造成低黏的流体不利于携砂。因此增大黏度有利于悬浮携带这部分岩屑，从而增大携砂率。

表2　在不同井斜角下流体黏度对携砂率的影响

2)当井斜角为60°时，在保证流体能扰动岩屑床的情况下适当增大黏度更加利于携砂，Polymer 1的携砂率>清水的携砂率>Polymer 2的携砂率。这是因为在60°井斜角下，仍有少部分岩屑被举升至岩屑床上层流体之中，适当增大黏度有利于悬浮携带这部分岩屑，但继续增大黏度会导致流体由紊流状态转变为层流状态，反而不利于携岩(这与Okrajni[13]的研究相符合)。因为这种情况下，岩屑的轴向沉降速度分量逐渐减小，岩屑床的轴向下滑趋势逐渐减弱，高黏流体悬浮岩屑的优势也逐渐减弱，因黏滞阻力的增大造成流体动能减小的劣势逐渐增强，所以一味地增大黏度反而会降低携砂率。

3)当井斜角为90°时，低黏流体比高黏流体更利于携岩，清水的携砂率>Polymer 1的携砂率>Polymer 2的携砂率。这是因为在90°井斜角(水平段)下，岩屑颗粒主要表现为在岩屑床表面滚动，难以被举升至上层流体之中，高黏流体从沉积的岩屑床上方滑过，导致携砂率下降，而低黏流体能对岩屑床产生扰动作用，提高了岩屑的携带效率。

4结论

1)当井斜角为45°时，岩屑颗粒容易被举升至上层流体之中，同时岩屑床的下滑会引起岩屑颗粒的二次夹带，造成低黏流体不利于携砂，此时增大流体黏度有利于提高携砂率。

2)当井斜角为60°时，不断地增大黏度反而会降低携砂率，此时选择黏度适当的流体更有利于携砂。

3)当井斜角为90°(水平井段)时，低黏流体能对岩屑床产生扰动作用，提高了携带岩屑的效率，此时低黏流体比高黏流体更有利于携带岩屑。

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[编辑]帅群

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)5-0054-04

[中图分类号]TE254

[作者简介]吴宇(1991-)，男，硕士生，从事油气田应用化学方向的研究与学习；通信作者：王昌军，gimwang0424@163.com。

[基金项目]中海油田服务股份有限公司科研项目(G1415CS-B21C012)。

[收稿日期]2015-10-20

[引著格式]吴宇，王昌军，王志龙.钻井液黏度影响定向井及水平井携砂规律的室内研究[J].长江大学学报(自科版), 2016,13(5):54～57.