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椭圆井眼中偏心度和流量对滤饼冲洗效率的影响

涂强 王海平 付江龙 樊立坤 李治 官红 张兴国

涂强,王海平,付江龙,等. 椭圆井眼中偏心度和流量对滤饼冲洗效率的影响[J]. 钻井液与完井液,2023,40(4):502-510 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.013
引用本文: 涂强,王海平,付江龙,等. 椭圆井眼中偏心度和流量对滤饼冲洗效率的影响[J]. 钻井液与完井液,2023,40(4):502-510 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.013
TU Qiang, WANG Haiping, FU Jianglong, et al.Study on flushing efficiency of drilling fluid filter cake in oval wellbore[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(4):502-510 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.013
Citation: TU Qiang, WANG Haiping, FU Jianglong, et al.Study on flushing efficiency of drilling fluid filter cake in oval wellbore[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(4):502-510 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.013

椭圆井眼中偏心度和流量对滤饼冲洗效率的影响

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.013
基金项目: 国家自然科学基金“高温高压下过渡态固井水泥浆的失重与传压效率变化机理研究”(52104007)。
详细信息
    作者简介:

    涂强,硕士研究生,1997年生,毕业于西南石油大学,现从事固井技术研究工作。电话 15756374590;E-mail:867314484@qq.com

    通讯作者:

    张兴国,E-mail:772376058@qq.com

  • 中图分类号: TE256

Study on Flushing Efficiency of Drilling Fluid Filter Cake in Oval Wellbore

  • 摘要: 目前固井工程中钻井液滤饼冲洗效率的研究多针对于圆形井眼套管居中条件下的冲洗情况,而针对井眼形状和套管偏心等因素对钻井液滤饼冲洗效率影响的研究较少。使用钻井液滤饼冲洗模拟实验装置测试了椭圆井眼中偏心度和冲洗流量对钻井液滤饼冲洗效率的影响,并基于计算流体力学(CFD)方法分析了冲洗液在环空中的流场,计算了冲洗液的水力剪切力,阐明了滤饼冲洗效率变化的机理。研究结果表明:椭圆井眼环空中的短轴方向偏心时,钻井液滤饼冲洗效率在环空长轴方向最大,宽短轴方向次之,窄短轴方向最小;增加环空短轴偏心度,钻井液滤饼冲洗效率在长轴方向略微减小,宽短轴方向增加,窄短轴方向大幅降低;增加环空冲洗流量,环空中钻井液滤饼总体冲洗效率明显增加,但环空中长轴方向滤饼冲洗效率的增幅最大,宽短轴次之,窄短轴最小。

     

  • 在油气井钻井中,钻井液中固相颗粒会在环空与地层的压差作用下运移到井壁上,并不断堆积、压实形成滤饼,在钻井作业中起到保护井壁的作用。然而,在固井作业中钻井液滤饼会严重影响固井水泥石与地层界面(第二界面)胶结,进而破坏固井第二界面胶结质量。相关研究[1]表明:如果固井时不能有效清除井壁上的钻井液滤饼,在固井顶替过程中残留的钻井液滤饼会与水泥浆直接接触,出现混浆和接触污染现象,进而造成水泥浆提前稠化、假凝等事故,影响固井作业安全和固井质量。同时,由于钻井液滤饼不可固化,当水泥石硬化后,介于水泥石和地层之间的滤饼受到地层压差、地层水等冲蚀作用,可能在第二界面形成窜流通道,破坏固井水泥石的层间封隔效能,严重影响后续射孔、压裂等措施的有效实施和油气资源的高效开发等。

    目前,针对钻井液滤饼冲洗效率已开展部分研究并建立了一些评价方法,胡永宏、王松、黄锐等[2-4]设计了钻井液滤饼强度测试装置,但其采用机械测量方法测试滤饼的强度,这与滤饼被冲洗液冲洗而受到的水力剪切力不同;王广雷[5]和赵敏[6]采用旋转黏度计或基于旋转黏度计原理设计的钻井液滤饼冲洗模拟实验装置及方法,但这类装置采用高速旋转的方式模拟冲洗液对钻井液滤饼的冲洗过程,不符合钻井液滤饼在井下被冲洗液水力剪切力和横向扰动力冲洗的实际;朱江林、胡兴等[7-10]也建立了大型实验装置,以模拟钻井液滤饼在井下的形成和冲洗过程,但多以圆井眼套管居中的情况为主,难以反映不规则井眼、椭圆井眼和套管偏心的情况。

    鉴于当前研究存在一定的局限性,且只针对圆井眼套管居中环空中钻井液滤饼的冲洗效率进行了研究,没有考虑到椭圆井眼和偏心度对滤饼冲洗效率的影响,为了进一步掌握椭圆井眼及套管偏心环空中钻井液滤饼的冲洗效率,建立了一套新型钻井液滤饼制备和冲洗装置,以测试在不同套管偏心度的椭圆井眼环空中,冲洗液对钻井液滤饼的冲洗效率规律;并结合计算流体力学方法(CFD)分析了冲洗液在环空中的流场分布,计算了冲洗液的水力剪切力,解释了椭圆井眼中套管偏心和冲洗流量对钻井液滤饼冲洗效率的影响机理,为固井工程的钻井液滤饼的清除提供了一定的思路和方法,加深了业界对钻井液滤饼冲洗效率与机理的认识与理解。

    新型钻井液滤饼冲洗装置[11]由偏心井筒系统、循环系统和台架系统组成。偏心井筒系统由透明PC材质的内管和外管组成,内管与外管为3段可拆卸结构;内管的两端面封闭,用于模拟套管,外管是椭圆形PC管,外管中间部分采用法兰盘连接,中间位置处夹持带有钻井液滤饼的人工井壁,用于模拟井下环空;井筒系统上设有偏心法兰,可用于设置不同的环空偏心度;循环系统由水管、循环泵和储液箱组成,用于将储液箱中的冲洗液泵入内外管中,循环冲洗人工井壁上的滤饼;台架系统用于固定整个偏心井筒系统,该装置结构见图1

    图  1  新型钻井液滤饼冲洗装置结构图

    装置使用方法:调节台架旋转阀门,使得井筒系统与地面垂直,并调节偏心法兰使得内管偏心度到达实验设定的偏心度;使用钻井液滤饼压制设备在人工井壁上动态压制钻井液滤饼,将带有钻井液滤饼的人工井壁安装在钻井液滤饼冲洗装置的中间部分,并通过法兰盘固定;打开进液、出液口阀门,调节循环过程中的流量,冲洗循环一段时间之后,关闭变频泵和所有阀门,拆卸井筒系统并取出人工井壁;采用针入度法测量人工井壁上不同位置处的滤饼厚度,之后提高冲洗流量,重复以上步骤直至实验结束。

    实验使用的钻井液为现场水基钻井液,密度为2.29 g/cm3、滤失量为7 mL,pH值为10。高温高压失水仪在3.5 MPa、常温下压制30 min,得到的静滤饼厚度约为3.0 mm。使用钻井液滤饼压制设备在人工井壁内壁上压制钻井液滤饼,该装置通过转子旋转带动钻井液,在釜体内压差环境中在人工井壁内壁上压制钻井液滤饼,可以较为真实模拟井下环空中钻井液滤饼的生成过程[12-13]。压制钻井液滤饼的压差为2.0 MPa、温度为常温,采用厚度为2 cm、渗透率为85 mD的椭圆形耐火材料模拟井壁。图2为该装置在压差为2.0 MPa、常温下压制30 min后形成的滤饼,该滤饼表面较为光滑,无明显气孔,滤饼的平均厚度为3.2 mm。

    图  2  滤饼压制装置(左)和人工井壁上的滤饼(右)

    冲洗液由水和高黏性羧甲基纤维素钠盐(HV-CMC)配制而成,比例为每1000 mL水加入50 g羧甲基纤维素钠盐(HV-CMC),流变性拟合结果如性拟合结果如图3所示,该冲洗液黏度较大且透明,更有利于钻井液滤饼的冲洗,且方便实验过程的观察。

    图  3  冲洗液的流变性能

    使用新型钻井液滤饼冲洗实验装置进行钻井液滤饼的冲洗,实验方案如表1所示。装置内管在椭圆井筒短轴方向偏心,在每个流量下冲洗5 min,测量出椭圆井眼环空中0°(x轴正半轴、长轴)、90º(y轴正半轴、窄短轴)和270°(y轴负半轴、宽短轴)方向上人工井壁内壁的滤饼厚度变化并计算钻井液滤饼的冲洗效率,得出偏心度和冲洗流量对椭圆井眼滤饼冲洗效率的影响规律。

    表  1  椭圆井眼滤饼冲洗实验方案
    滤饼压制t冲洗间隔/
    min
    K
    pa·sn
    n冲洗流量/
    L·s−1
    偏心度(e
    P/MPat/min
    1.53052.1190.5160.310
    0.610.2
    0.920.4
    1.220.6
    1.53
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    在冲洗实验中椭圆形人工井壁在实验达到不同冲洗流量时钻井液滤饼的冲洗效果见图4

    图  4  椭圆形人工井壁在不同冲洗流量下钻井液滤饼的冲洗效果

    图5是椭圆井眼短轴偏心环空中,同一排量下不同偏心度对钻井液滤饼冲洗效率的影响规律。由图5可知,滤饼冲洗实验的冲洗流量达到最大流量1.53 L/s时,在偏心度为0.2的椭圆井眼环空中,0°方向、270°方向和90°方向滤饼的冲洗效率分别约为48.52%、37.57%和32.12%;而在偏心度为0.6的椭圆井眼环空中,0°方向、270°方向和90°方向滤饼的冲洗效率分别约为43.64%、43.64%和28.71%;由此可知,当环空中偏心度从0.2增加到0.6时,0°方向滤饼冲洗效率略微降低,270°方向滤饼冲洗效率明显增加,而90°方向的滤饼冲洗效率明显减少。

    图  5  不同流量下偏心度对椭圆井眼 不同方向冲洗效率的影响

    因此,在椭圆井眼偏心环空中,0°方向(长轴)钻井液滤饼冲洗效率最高,270°方向(宽短轴)钻井液滤饼冲洗效率次之,90°方向(窄短轴)钻井液滤饼冲洗效率最低;随着环空中偏心度的增大,0°方向(长轴)钻井液滤饼冲洗效率小幅减小,270°方向(宽短轴)钻井液滤饼冲洗效率增加,90°方向(窄短轴)钻井液滤饼冲洗效率大幅减小。

    图6是椭圆井眼短轴在不同偏心度下,不同冲洗流量对钻井液滤饼冲洗效率的影响。

    图  6  流量对不同偏心度椭圆井眼 不同方向冲洗效率的影响

    图6可知,在椭圆井眼短轴偏心环空中,在每个偏心度下,环空中0°方向、90°方向和270°方向的滤饼冲洗效率均随着环空中冲洗流量增大而增加,且滤饼冲洗效率的增加呈一定的线性趋势,说明增加环空中的冲洗流量,环空中钻井液滤饼总体的冲洗效率会增加。

    当环空中偏心度一定时,在每个冲洗流量下,都有滤饼冲洗效率0°方向>270°方向>90°方向。原因在于椭圆井眼偏心环空中,0°方向是长轴,90°方向和270°方向是短轴,且环空中短轴方向偏心度增大过程中,装置内管向90°度方向移动,远离270°方向,最终使得椭圆井眼环空间隙距离中0°方向>270°方向>90°方向,同时,冲洗液是黏性流体,黏性流体在宽间隙处流动受到阻力小,所以流速更大,环空边界处的剪切速率更大,最终导致冲洗作用在滤饼表面的水力剪切更大,所以在冲洗流量一定时,宽间隙方向滤饼的冲洗效率大于窄间隙方向。说明在椭圆井眼偏心环空中,随着环空中冲洗流量的增加,环空中钻井液滤饼总体的冲洗效率增加,但滤饼冲洗效率的增幅0°方向>270°方向>90°方向,说明冲洗流量的增加最有利于0°方向(长轴)方向的冲洗效率,270°方向(宽短轴)次之,90°方向(窄短轴)最少。

    椭圆井眼钻井液滤饼冲洗实验得到了椭圆井眼中偏心度和冲洗流量等因素对钻井液滤饼冲洗效率的影响规律,但对钻井液滤饼冲洗效率变化的机理还不明确,需要对椭圆井眼环空进行流场模拟,并根据环空流场分布计算环空中不同方向的水力剪切力,以解释滤饼冲洗效率的变化机理[14-15]

    冲洗液是非牛顿黏性流体,由非牛顿流体的本构方程(幂律模式),可以根据剪切速率计算冲洗液的水力剪切力;根据模拟得出环空的流场,取环空某一方向的流速剖面得到滤饼表面的剪切速率,计算出冲洗液作用在钻井液滤饼上的水力剪切力,分析水力剪切力与冲洗效率之间的关系。

    该研究使用计算流体力学方法(CFD)进行流场模拟分析。建立笛卡尔坐标系下的椭圆井眼的环空流动模型如图7所示。以Z轴为流体流动方向,XY平面为流动剖面,所建立的椭圆井眼环空流动模型长4 m,环空流场区域的内径为50 mm,外边界为椭圆形,椭圆的短轴长80 mm,长轴长112 mm,长短轴之比为1.4,环空截面面积为5071 mm2,流场区域大小与新型钻井液滤饼冲洗装置椭圆形外管和内管构成的环空流动区域大小一致。对整个椭圆形环空流动区域采用四边形网格划分,对流场XY平面采用面网格划分并将边界均分为300份,最终生成网格数量和节点数量均超过55万个,经检测网格质量较好;采用k-ε湍流计算模型,该模型适用于工程实际,计算时间相对较少,且对高雷诺数下的湍流流场模拟效果较好,进口设置为速度进口,出口设置为压力出口。偏心度设置为0~0.6,环空冲洗流量设置为0.31~1.53 L/s,环空中流体的流变性设置为与实验所采用的冲洗液相同,采用幂律流变模式,稠度系数为2.119 Pa·sn,流性系数为0.516。模拟计算完成后取轴向z=2 m处的XY平面,并绘制轴向速度分布云图,得到冲洗流量和偏心度对椭圆井眼环空流速分布的影响规律,初步分析环空流速分布对钻井液冲洗效率的影响。

    图  7  椭圆井眼环空流动模型
    3.3.1   偏心度的影响

    图8为椭圆井眼短轴偏心环空中,当环空流量为1.53 L/s不变,偏心度为0.2、0.4和0.6时的环空流速分布。可以发现,椭圆井眼短轴偏心环空的流速分布相对于Y轴两侧对称,流速在环空的内外壁面处为0 m/s,在环空中心处流速最大。取环空中X轴正半轴(0°),Y轴正半轴(90°)和Y轴负半轴(270°)上的流速,得出这3个方向上的流速分布,当偏心度一定时,0°处环空间隙流速最大,270°处环空间隙流速次之,90°处环空间隙流速最小,这是因为0°环空间隙距离大于90°和270°处间隙,而黏性流体在环空间隙较大的方向流动阻力更小,因此环空在该方向的流速更大。

    图  8  不同偏心度下的流速分布云图

    图9为排量为1.53 L/s时,分别为在0°、90°和270°方向上不同偏心度的流速分布图。可以看出,随着偏心度的增大,0°和90°环空间隙最大流速不断减小,而270°环空间隙最大流速不断增加,这与椭圆井眼短轴偏心流动模型在偏心度增大过程中,这3个方向的环空间隙距离变化相符,说明在椭圆井眼短轴偏心流动模型中,短轴偏心度的增加有利于270°环空间隙滤饼的冲洗效率,不利于0°和90°环空间隙钻井液滤饼的冲洗效率。

    图  9  排量为1.53 L/s时不同偏心度下的流速分布

    图10为由环空流速分布计算得到的椭圆井眼偏心环空中在同一流量下偏心度变化对0°、90°和270°的方向水力剪切力的影响,在椭圆井眼偏心环空中,当环空中的流量一定时,冲洗液水力剪切力在0°方向>270°方向>90°方向;随着偏心度的增加,0°方向的水力剪切力略微减小但变化不大,270°方向的水力剪切力不断增加,而90°方向的水力剪切力不断减小,基本符合滤饼实验得到的这3个方向的滤饼冲洗效率变化趋势,说明实验得到的偏心度对滤饼冲洗效率的影响规律是可信的。

    图  10  不同偏心度下在不同方向的水力剪切力
    3.3.2   冲洗流量的影响

    图11为偏心度为0.6时,不同流量下椭圆井眼短轴偏心环空的速度分布基本相同,环空中流速相对于Y轴呈现对称分布,流速在环空的内外壁面处为0 m/s,在环空中心处流速最大。取环空中X轴正半轴(0°),Y轴正半轴(90º)和Y轴负半轴(270°)上的流速,得出这3个方向上的流速分布,0°、90°和270°环空间隙的流速基本相同且呈现二次函数分布,当环空冲洗流量一定时,0°环空间隙流速最大,270°环空间隙流速次之,90°环空间隙流速最小,符合这3个方向的环空间隙距离的大小关系。

    图  11  偏心度为0.6的流速分布云图

    图12可知,随入口处流量的增加,0°、90°和270°环空间隙的流速均增加,同时3个方向的流速呈现一定的线性增加趋势,且环空间隙的流速增幅0°>270°>90°,这将导致椭圆井眼偏心环空中流速分布的不均匀性增加;说明在椭圆井眼短轴偏心环空中,流量的增大有利于环空中滤饼的整体冲洗效率,但最有利于0°环空间隙滤饼的冲洗效率。

    图  12  e=0.6时不同排量下的流速分布图

    图13为由环空流速分布计算得到的椭圆井眼偏心度为0.2、0.4和0.6的不同冲洗流量变化对0°、90°和270°的方向水力剪切力的影响,在椭圆井眼偏心环空中,随着环空中流量的增加,环空中0°方向、90°方向和270°方向水力剪切力均增加,且呈现一定的线性增加趋势;说明增加椭圆井眼偏心环空中的流量,冲洗液在环空中每个方向的水力剪切都将增加,这将有利于环空中钻井液滤饼的总体冲洗效率;在每一个流量下冲洗液的水力剪切力均有0°方向>270°方向>90°方向,3个方向的水力剪切力的大小关系符合滤饼冲洗实验得出的3个方向的冲洗效率大小关系,同时说明了椭圆井眼偏心环空滤饼冲洗实验的结果是可信的。

    图  13  不同偏心度下不同流量在不同方向的水力剪切力

    1.椭圆井眼短轴偏心环空中,当环空中冲洗流量一定时,在环空长轴方向钻井液滤饼冲洗效率最大,宽短轴方向钻井液滤饼冲洗效率次之,窄短轴方向冲洗效率最小。

    2.当环空中短轴方向的偏心度增加时,环空长轴方向钻井液滤饼冲洗效率小幅减小,宽短轴方向钻井液滤饼冲洗效率增加,窄短轴方向钻井液滤饼冲洗效率大幅减小。

    3.当环空中冲洗流量增加时,环空中钻井液滤饼总体冲洗效率增加,但环空中长轴方向钻井液滤饼冲洗效率的增幅最大,宽短轴次之,窄短轴最小。

    4.研究结论为业界优化钻完井方案、改善井眼质量、降低套管偏心度和保证固井质量提供了可靠的依据,为固井钻井液滤饼清除提供了一定的参考。

  • 图  1  新型钻井液滤饼冲洗装置结构图

    图  2  滤饼压制装置(左)和人工井壁上的滤饼(右)

    图  3  冲洗液的流变性能

    图  4  椭圆形人工井壁在不同冲洗流量下钻井液滤饼的冲洗效果

    图  5  不同流量下偏心度对椭圆井眼 不同方向冲洗效率的影响

    图  6  流量对不同偏心度椭圆井眼 不同方向冲洗效率的影响

    图  7  椭圆井眼环空流动模型

    图  8  不同偏心度下的流速分布云图

    图  9  排量为1.53 L/s时不同偏心度下的流速分布

    图  10  不同偏心度下在不同方向的水力剪切力

    图  11  偏心度为0.6的流速分布云图

    图  12  e=0.6时不同排量下的流速分布图

    图  13  不同偏心度下不同流量在不同方向的水力剪切力

    表  1  椭圆井眼滤饼冲洗实验方案

    滤饼压制t冲洗间隔/
    min
    K
    pa·sn
    n冲洗流量/
    L·s−1
    偏心度(e
    P/MPat/min
    1.53052.1190.5160.310
    0.610.2
    0.920.4
    1.220.6
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-05
  • 修回日期:  2023-04-21
  • 刊出日期:  2023-07-30

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