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带旋转管柱连续管钻井岩屑运移研究
汪皖1, 马卫国1, 王晓蒙2     
1. 长江大学机械工程学院;
2. 中国石油集团公司西部钻探工程有限公司青海钻井公司
摘要: 针对连续管钻井过程中水平段岩屑运移困难、管柱摩阻大影响连续管钻井水平延伸能力的问题,提出了连续管水平段旋转管柱钻井系统,该系统由不旋转连续管和部分旋转管柱组成。建立了连续管水平段环空三维流体域模型,并进行数值计算,研究了管柱旋转速度、旋转管柱直径及管柱偏心度等参数对水平段环空流动及岩屑运移的影响。研究结果表明:水平段设置旋转管柱可使连续管钻井水平段环空流体产生旋转流动,岩屑分布均匀,环空压降减小;转速越大,岩屑切向速度也越大,旋转管柱直径增大能提高环空岩屑切向速度;在偏心状态下岩屑更容易在环空底部堆积,但管柱旋转不仅提高了旋转部分岩屑的切向速度,也提高了非旋转部分环空岩屑的切向运动能力;随着管柱旋转速度的增加,水平环空非旋转部分岩屑体积分数逐渐减小,提高了水平环空的清洁程度。研究结果可为合理设计连续管水平井段部分旋转管柱钻井系统提供理论依据。
关键词: 连续管    旋转管柱    钻井系统    岩屑运移    环空压降    
Research on Cuttings Transportation in Coiled Tubing Drilling with Rotary Drillpipe
Wang Wan1, Ma Weiguo1, Wang Xiaomeng2     
1. School of Mechanical Engineering, Yangtze University;
2. Qinghai Drilling Company of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited
Abstract: To address the horizontal extension of coiled tubing drilling caused by difficult cutting transportation and large drilling string friction, a coiled tubing drilling system with rotary drillpipe for horizontal section is proposed. The system consists of a non-rotating coiled tubing and a rotating string. The three-dimensional fluid domain model of the horizontal section of the coiled tubing was established, and the numerical calculation was carried out to study the effects of parameters such as the string rotation speed, the diameter of the rotating string and the eccentricity of the string on the annulus flow and cutting movement in the horizontal section. The results show that the rotating string in the horizontal section can make the annular fluid run a rotating flow. The cuttings are evenly distributed, and the annular pressure drop is reduced. The increase in string diameter can increase the tangential velocity of annulus cuttings. In the eccentric state, the cuttings are more likely to accumulate at the bottom of the annulus. The rotation of the string not only increases the tangential velocity of the rotating part of the cuttings, but also improves tangential movement ability of the annulus cuttings in the non-rotating part. As the rotation speed of the string increases, the volume fraction of the non-rotating part of the horizontal annulus gradually decreases, which improves the cleanliness of the horizontal annulus. The research results can provide a theoretical basis for the rational design of the coiled tubing rotary drillpipe drilling system.
Keywords: coiled tubing    rotary drillpipe    drilling system    cuttings transportation    annular pressure drop    

0 引言

由于连续管钻井具有成本低、效率高和安全可靠等优势,所以在20世纪90年代初得到了快速发展[1]。但是连续管不能旋转滑动钻井,岩屑运移困难,管柱摩阻大,从而影响连续管钻井水平延伸能力。为了解决连续管钻井管柱不旋转的问题,O.OYEDOKUN等[2]在2013年提出了连续管双马达旋转管柱钻井系统。该系统部分管柱可旋转,因而可提高环空岩屑运移能力,降低环空压降,减小管柱摩阻,提高连续管钻井水平延伸能力。

V.C.KELESSIDIS等[3]和H.TAKAHASHI[4]通过试验或建立理论模型等方法,对连续管钻井环空岩屑运移规律进行了研究。郭晓乐等[5]建立了连续管钻水平井循环压耗计算方法,并对其规律进行了分析。相恒富等[6]基于相似系统原理,建立了井筒环空岩屑运移试验装置,对大位移水平井环空岩屑运移规律进行了试验研究。M.KAMYAB等[7]通过试验确定了井筒环空有效运移岩屑的临界流速,通过数值模拟分析了不同岩屑尺寸和钻井液参数对岩屑运移的影响。宋先知、沈忠厚和王梦抒等[8-10]分别通过数值模拟或室内试验研究了连续管钻水平井岩屑运移规律。张好林等[11]对钻柱旋转时大斜度井岩屑运移机理进行了研究,并建立了水平井中岩屑运移临界流速数学模型和力学平衡方程。孙士慧等[12]建立了钻具旋转作用下水平井段环空岩屑床厚度预测模型。马东军等[13]通过数值模拟的方法研究了钻柱旋转作用下水平井段环空岩屑的运移规律。孙晓峰等[14]研究了钻柱旋转对复杂结构井大斜度井段环空岩屑分布规律的影响。

笔者提出了连续管水平段旋转管柱钻井系统,该系统由不旋转连续管和部分旋转管柱组成。本文以水平段连续管和部分旋转管柱对井筒环空流体流动的影响为对象展开研究,分析旋转管柱直径、转速以及管柱环空偏心度等参数对环空流场的影响,得到环空压降和岩屑分布规律,以期为合理设计连续管水平井段部分旋转管柱钻井系统提供理论依据。

1 基本模型及假设 1.1 水平环空物理模型的确定

(1) 井筒尺寸的确定[8]。水平井段垂深2 000 m、长度1 000 m,井筒直径120 mm。

(2) 管柱组合[2, 15]。管柱组合如下:ø114 mm钻头+下端马达+MWD+方位器+循环阀+释放器+旋转管柱+稳定器+上端马达+稳定器+连接器+ø60 mm连续管。

(3) 模型简化与假设。为了简化环空流动计算域模型,做如下假设:①不考虑钻具组合中井下工具直径对环空流体流动的影响,各工具外径与连续管外径相同且连续;②不考虑钻具和连续管振动对环空流体流动的影响;③钻井管柱轴线与井筒轴线同心(模拟钻井管柱偏心度影响除外);④为避免环空流体流动域做有限单元划分时网格单元奇异化,井筒横截面模型与实际尺度按1:1设置;井筒轴向方向模型与实际尺度按1:100设置[16]

由流体力学公式可知:

(1)

式中:Δp为管柱(井筒)内流体流动压耗,Pa;λ为沿程水力摩阻系数,无因次;l为管柱(井筒)长度,m;d为管柱(井筒)内径,m;v为流体速度,m/s;g为重力加速度,m/s2

由式(1)可知压差与井深呈线性关系,因此将数值模拟计算得到的沿井筒轴线的压差放大100倍即可得到实际井筒环空轴向方向的压差。

简化后的环空流体域模型如图 1所示。环空入口在原点o处,旋转段长度2 m,流体流动方向沿x轴正方向,A-A~E-E分别代表环空各横截面。

图 1 水平环空流体域简化模型示意图 Fig.1 Schematic diagram of simplified model of horizontal annulus fluid domain

1.2 计算网格

数值模拟计算过程中网格质量对仿真结果的精度和计算效率都有显著影响,在满足计算精度的情况下,适宜数量的网格能够在很大程度上提高计算效率。为准确模拟在管柱旋转作用下环空流场的变化规律,将旋转部分环空流体域划分为内外两个子流域,采用滑移网格使管柱壁面附近子流域以某一固定角速度旋转来模拟管柱旋转,内外子流域通过交界面传递压力、速度和岩屑体积分数等信息。

1.3 计算假设

根据工程实际和计算要求做如下假设。

(1) 流体在流动过程中不发生相变,井筒为绝热状态,且环空内流体之间不产生热交换。

(2) 岩屑直径、密度、几何尺寸和摩擦角相同,且为球形刚性颗粒。

(3) 旋转管柱沿其中心轴线转动,且不发生弯曲变形。

2 边界条件及相关参数 2.1 边界条件

(1) 入口边界为速度边界。

(2) 出口边界为压力出口边界,压力0.26 MPa。

(3) 流体域重力加速度9.8 m/s2

(4) 井筒壁面为无滑移壁面条件,近壁面采用标准壁面函数法。

(5) 旋转管柱壁面流域为滑移网格。

2.2 相关参数

由文献[8]可知,环空钻井液中岩屑体积分数与机械钻速有关,取岩屑总体积分数为10%。相关工况参数和介质物性参数分别如表 1表 2所示。

表 1 操作工况参数 Table 1 Calculated operating condition parameters
排量/(L·s-1) 旋转管柱直径/mm 管柱旋转速度/(r·min-1) 偏心度
12 60、90 0、30、60、90、120 0、0.8

表 2 介质物性参数 Table 2 Physical parameters of drilling fluid and cuttings
参数 密度/(kg·m-3) 黏度/(mPa·s)
钻井液 1 200 30
岩屑 2 500

3 结果分析 3.1 同心状态下旋转管柱直径对环空流场的影响

在同心环空状态下,当排量为12 L/s、旋转管柱直径为60或90 mm,模拟转速分别为0、30、60、90和120 r/min时,环空流场及岩屑变化规律如图 2~图 5所示。

图 2 同心状态不同转速环空各截面岩屑分布规律 Fig.2 Distribution of cuttings in different sections of concentric annular under different rotating speed

图 3 转速120 r/min时各截面环空岩屑切向速度分布规律 Fig.3 Distribution of tangential velocity of annulus cuttings in each section at RPM of 120 r/min

图 4 环空压降与转速的关系曲线 Fig.4 Relationship between annular pressure drop and rotational speed

图 5 环空岩屑体积分数与转速的关系 Fig.5 Relationship between the volume fraction of annulus cuttings and the rotating speed

图 2可知:管柱旋转使环空岩屑向管柱旋转方向的侧下方运移,环空岩屑呈现出非对称分布规律;同时管柱旋转也提高了非旋转部分环空岩屑分布的均匀性,减少了岩屑堆积。

图 3可知:管柱旋转能使环空岩屑产生切向速度,且在靠近旋转管柱壁面附近岩屑切向速度最大,远离旋转管柱壁面方向切向速度逐渐减小,转速越大,岩屑切向速度也越大;管柱旋转也提高了非旋转部分环空岩屑的切向运动能力,有利于非旋转部分环空岩屑的运移;在相同工况下,旋转管柱直径越大,管柱壁面处所产生的切向速度也越大,因此环空岩屑切向速度也越大,越有利于环空岩屑运移。

图 4可知:管柱旋转有利于减小环空压降,随着转速的增加环空压降缓慢减小;在工况相同时旋转管柱直径越大,环空压降也越大。这是因为管柱直径越大,环空面积越小,钻井液流速高使得环空钻井液压耗增加,虽然增大旋转管柱直径会使环空压降变大,但高的钻井液流速更有利于环空岩屑的运移。

图 5可知:旋转管柱直径越大,环空岩屑体积分数越小,随着旋转管柱转速的增加,环空岩屑总体积分数逐渐减小,管柱旋转时会使环空岩屑产生切向速度,提高了环空岩屑的运移能力,转速越大,岩屑切向速度也越大,岩屑运移能力也越强,环空岩屑总体积分数越小;当转速大于90 r/min时,增大转速对水平环空岩屑体积分数的影响不显著。管柱旋转能够提高环空岩屑运移能力,提高水平环空的清洁程度,降低环空压降。

3.2 偏心状态下管柱旋转对环空流场的影响

在偏心环空状态下,当排量为12 L/s、旋转管柱直径为60 mm,模拟转速分别为0、30、60、90和120 r/min时,环空流场及岩屑变化规律如图 6~图 9所示。

图 6 偏心环空各截面岩屑分布规律 Fig.6 Distribution of cuttings in each section of eccentric annulus

图 7 A-A截面处岩屑切向速度分布规律 Fig.7 Distribution of tangential velocity of cuttings at A-A section

图 8 环空压降与转速的关系 Fig.8 Relationship between annular pressure drop and rotating speed

图 9 环空岩屑体积分数与转速的关系 Fig.9 Relationship between volume fraction of annulus cuttings and rotating speed

图 6可知:偏心状态下岩屑更容易在环空底部堆积形成岩屑床,此时环空底部面积小,钻井液流速变低;低速钻井液携岩能力弱,导致岩屑堆积形成岩屑床。由图 7可知:偏心度越大,管柱与环空顶部井壁间的距离越远,管柱旋转对远离管壁区域岩屑切向速度的影响也越小。由图 8可知:管柱旋转能降低环空压降,在偏心状态下,当管柱转速小于30 r/min时,随着管柱转速的增加环空压降比较明显;当管柱转速大于30 r/min时,随着管柱转速的增加,环空压降越来越不显著;在相同工况下,同心状态时环空钻井液流速高,环空压降大。

图 9可知:在偏心状态下岩屑更容易在环空底部堆积,管柱旋转不仅提高了旋转部分岩屑的切向速度,也提高了非旋转部分环空岩屑的切向运动能力;管柱转速越大,对环空岩屑切向速度的影响也越明显,随着管柱旋转速度的增加,水平环空非旋转部分岩屑体积分数逐渐减小,提高了水平环空的清洁程度,同时降低环空压降;偏心状态下,当管柱转速大于30 r/min时,随着管柱转速的增加,环空压降变化不显著。

4 结论

(1) 管柱旋转对连续管旋转钻井时水平环空岩屑的分布具有重要影响。管柱旋转使环空岩屑产生切向速度,环空岩屑向管柱旋转方向的侧下方运移,也有利减小环空压降,转速越大,岩屑切向速度也越大,环空压降也越低。

(2) 在相同工况下,增大旋转管柱直径能够提高环空岩屑切向速度,增强环空岩屑的运移能力,使得环空岩屑分布更均匀;管柱直径越大,环空面积越小,在排量一定时钻井液流速也越高,使得环空钻井液压耗增加;虽然增大旋转管柱直径会使环空压降增加,但高速的钻井液更有利于环空岩屑的运移,减少岩屑堆积。

(3) 在偏心状态下岩屑更容易在环空底部堆积,管柱旋转不仅提高了旋转部分岩屑的切向速度,也提高了非旋转部分环空岩屑的切向运动能力;管柱转速越大,对环空岩屑切向速度的影响也越明显,随着管柱旋转速度的增加,水平环空非旋转部分岩屑体积分数逐渐减小,提高了水平环空的清洁程度,同时降低环空压降;偏心状态下,当管柱转速大于30 r/min时,随着管柱转速的增加,环空压降变化不显著。

参考文献
[1]
郭清, 孙海芳. 中国石油钻井科技攻关三十年回顾与展望[J]. 钻采工艺, 2017, 40(1): 1-6.
GUO Q, SUN H F. Retrospect and development of drilling technology in China for 30 years[J]. Drilling & Production Technology, 2017, 40(1): 1-6. DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2017.01.01
[2]
OYEDOKUN O, SCHUBERT J. Extending the reach of coiled tubing in directional wells with downhole motors[C]//SPE 168240/ICoTA CoiledTubing and Well Intervention Conference and Exhibition, The Woodlands, March 25-26, 2014.
[3]
KELESSIDIS V C, BANDELIS G E. Flow patterns and minimum suspension velocity for efficient cuttings transport in horizontal and deviated wells in coiled-tubing drilling[J]. Drilling & Completion, 2004, 19(4): 213-227.
[4]
TAKAHASHI H. Modeling of cuttings transport for hole cleaning in horizontal and highly inclined wells by coiled tubing drilling[C]//ASME/JSME 20034th Joint Fluids Summer Engineering Conference, Hawaii, July 6-10, 2003.
[5]
郭晓乐, 龙芝辉, 齐成伟. 连续管钻小井眼水平井水力学分析[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(26): 7781-7784, 7797.
GUO X L, LONG Z H, QI C W. Hydraulics analysis of horizontal slimhole using coiled tube drilling method[J]. Science Technology and Engineering, 2013, 13(26): 7781-7784, 7797. DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2013.26.033
[6]
相恒富, 孙宝江, 李昊, 等. 大位移水平井段岩屑运移实验研究[J]. 石油钻采工艺, 2014, 36(3): 1-6.
XING H F, SUN B J, LI H, et al. Experimental research on cuttings transport in extended-reach horizontal well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2014, 36(3): 1-6.
[7]
KAMYAB M, RASOULI V. Experimental and numerical simulation of cuttings transportation in coiled tubing drilling[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2016, 29: 284-302.
[8]
宋先知, 李根生, 王梦抒, 等. 连续油管钻水平井岩屑运移规律数值模拟[J]. 石油钻探技术, 2014, 42(2): 28-32.
SONG X Z, LI G S, WANG M S, et al. Numerical simulation on cuttings carrying regularity for horizontal wells drilled with coiled tubing[J]. Oil drilling technology, 2014, 42(2): 28-32.
[9]
沈忠厚, 王海柱, 李根生. 超临界CO2钻井水平井段携岩能力数值模拟[J]. 石油勘探与开发, 2011, 38(2): 233-236.
SHEN Z H, WANG H Z, LI G S. Numerical simulation of the cutting-carrying ability of supercritical carbon dioxide drilling at horizontal section[J]. Petroleum Exploration and Development, 2011, 38(2): 233-236.
[10]
王梦抒.微小井眼水平井井眼净化效率研究[D].北京: 中国石油大学, 2015.
WANG M S. Study on purification efficiency of wellbore horizontal wellbore[D]. Beijing: China University of Petroleum, 2015.
[11]
张好林, 李根生, 肖莉, 等. 水平井中钻柱旋转对岩屑运移影响规律研究[J]. 科学技术与工程, 2016, 16(2): 125-130.
ZHANG H L, LI G S, XIAO L, et al. Study on the influence of drill string rotation on cuttings movement in horizontal wells[J]. Science Technology and Engineering, 2016, 16(2): 125-130. DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2016.02.025
[12]
孙士慧, 闫铁, 毕雪亮, 等. 钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究[J]. 石油天然气学报, 2014, 36(5): 97-101.
SUN S H, YAN T, BI X L, et al. The effect of drill tool rotation on cuttings transport rules of foam drilling[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2014, 36(5): 97-101. DOI:10.3969/j.issn.1000-9752.2014.05.020
[13]
马东军, 李根生, 郭瑞昌, 等. 管内转向径向水平井携岩规律数值模拟[J]. 石油机械, 2013, 41(11): 6-10.
MA D J, LI G S, GUO R C, et al. Numerical simulation of the cuttings carrying law in radical horizontal well[J]. China Petroleum Machinery, 2013, 41(11): 6-10. DOI:10.3969/j.issn.1001-4578.2013.11.002
[14]
孙晓峰, 纪国栋, 王克林, 等. 大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响[J]. 特种油气藏, 2015, 22(6): 133-136.
SUN X F, JI G D, WANG K L, et al. Effect of drill string rotation in eccentric annulus of high angle deviated well on cuttings movement[J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2015, 22(6): 133-136. DOI:10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.031
[15]
OYEDOKUN O. Uphole motor technology[R]. SPE 180384, 2016.
[16]
丁田田.煤层气充气钻井井筒多相流分析及工艺参数优化[D].广州: 华南理工大学, 2014.
DING T T. Wellbore multiphase flow analysis of coalbed methane gas drilling and process parameters optimization[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2014. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10561-1014063551.htm

文章信息

汪皖, 马卫国, 王晓蒙
Wang Wan, Ma Weiguo, Wang Xiaomeng
带旋转管柱连续管钻井岩屑运移研究
Research on Cuttings Transportation in Coiled Tubing Drilling with Rotary Drillpipe
石油机械, 2019, 47(5): 38-43
China Petroleum Machinery, 2019, 47(5): 38-43.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.05.006

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收稿日期: 2019-01-10

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