煤层气水平井PE筛管完井用泵送工具推进力研究
付利1,2, 申思远3, 王开龙2, 郑李2     
1. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083;
2. 中国石油钻井工程技术研究院, 北京 102206;
3. 中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249
摘要: 针对煤层气水平井现场作业工况,为优化设计聚乙烯塑料筛管(PE筛管)完井用泵送工具参数,提高PE筛管的泵送效率,利用CFD数值模拟方法开展了钻井液性能参数、钻杆和泵送工具参数对泵送工具推进力影响的研究。结果表明,泵送工具承压抬肩处的流体压力为正压,引导头表面的流体压力为负压,二者方向相反,合力为泵送工具前行提供动力;泵送工具推进力随钻井液排量、黏度和密度增大呈增大趋势,但钻井液排量和密度对推进力的影响远大于钻井液黏度对推进力的影响;泵送工具的推进力随着泵送工具与钻杆内壁之间环空间隙增大先快速减小后缓慢减小,随泄流孔直径增大呈线性减小的趋势,环空间隙对推进力的影响远大于泄流孔直径对推进力的影响。室内研究与现场应用表明,该泵送工具能产生足够大的推进力,能满足PE筛管完井的现场作业要求。
关键词: 煤层气     水平井     PE筛管     筛管完井     泵送工具     推进力    
Research on the Driving Force of the Pumping Down Tool for a PE Screen Completion in CBM Horizontal Wells
FU Li1,2, SHEN Siyuan3, WANG Kailong2, ZHENG Li2     
1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing, 100083, China;
2. CNPC Drilling Research Institute, Beijing, 102206, China;
3. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing, 102249, China
Abstract: In order to efficiently design the parameters of the pumping down tool and to improve the pumping efficiency of PE screens, a study was conducted to investigate the effects of drilling fluid, drilling pipe and pumping down tool parameters on the driving force of pumping down tools by means of a CFD numerical simulation method based on the on-site operational conditions of CBM horizontal wells.It was shown that the fluid pressure at the pressurized ledge of pumping down tools was positive and the fluid pressure at the guiding surface was negative.In view of the opposite directions of the positive and negative force, their resultant force was the force to drive pumping down tools forward.The driving force on the pumping down tools increased by increasing the flow rate, viscosity and density of drilling fluid, but the effect of drilling fluid viscosity on driving force was much less than that of drilling fluid density and flow rate.The driving force on the pumping down tools decreased quickly at first and then slowly by increasing of the annular clearance between the drilling pipe and the pumping down tool, and decreased lineally by increasing the drainage orifice diameter.The effect of annular clearance on driving force was much more than that of drainage orifice diameter.Indoor investigation and field application indicated that the driving force produced by thispumping down tool was large enough to satisfy the field operation of PE screen completion.
Key words: coal bed methane     horizontal well     PE screen     screen completion     pumping down tool     driving force    

聚乙烯塑料筛管(PE筛管)完井逐渐成为煤层气水平井完井的一种重要方式,但是PE筛管是密度较低的连续管,难以靠自重下入到目的层,需利用连续注入装置并经由钻杆将PE筛管注入到井底。PE筛管在注入过程中会发生屈曲、自锁现象,连续注入装置将无法继续为PE筛管下行提供动力。此时将PE筛管在井口割断,移除连续注入装置,重新建立钻井液循环,钻井液流经PE筛管前端的泵送工具时会产生推进力,推动PE筛管下行,将PE筛管逐渐拉直,并将钻杆内的PE筛管泵送至目的位置[1]

泵送工具推进力的大小受钻井液性能参数、泵送工具结构参数和钻杆结构参数等多种因素影响,国内外在这方面研究较少[2-4],申瑞臣等人[5]建立了泵送工具推进力计算公式,但公式中绕流阻力系数取决于泵送工具同钻杆内壁之间的配合关系,一般根据现场作业试验确定,无法由理论公式算出,难以满足现场高效完井作业的要求;另外,该公式未考虑钻井液性能参数对推进力的影响。为优化设计PE筛管完井用泵送工具参数,提高PE筛管的泵送效率,笔者针对不同的现场作业工况,利用数值模拟方法开展了钻井液性能参数、钻杆和泵送工具结构参数对泵送工具推进力影响的研究,以期对现场完井作业提供指导。

1 泵送工具结构

泵送工具与引导锚定装置连接,二者整体位于PE筛管完井管串最前端(见图 1),完井作业结束起出钻杆时,依靠锚定装置可以将PE筛管固定在煤层中。

图 1 泵送工具与引导锚定装置连接示意 Fig.1 Schematic connection between the pumping down tool and the guiding & anchor system

泵送工具由承压台肩、螺纹接头、渐开型引导头和泄流孔组成(见图 2)。其中,承压台肩是承受外来流体压力、产生下行动力的主要部位;螺纹接头用于和PE筛管引导锚定装置本体相连;渐开型引导头能减小下行过程中的阻力,渐开弧线处处相切,不会导致流速剧烈变化;为保证钻井液流动通道连贯通畅,在泵送工具中部设有泄流孔。

图 2 泵送工具结构示意 Fig.2 Schematic diagram of pumping down tool

泵送工具能够提供足够的推进力,有效解除PE筛管锁紧装态,带动PE筛管下行;同时,泵送工具结构简单,能防止其通过钻杆接头和造斜段时发生阻卡。

2 泵送工具推进力模拟分析

借助计算流体动力学(CFD)软件对放置在钻杆内的PE筛管泵送工具进行流场模拟,分析推进力的大小。

2.1 模型的建立

采用Ansys软件建立泵送工具的物理模型(见图 3):泵送工具连接PE筛管后,居中放置于钻杆内。PE筛管外径50.8 mm,壁厚4.6 mm,长度0.75 m;钻杆长度1.00 m。采用Gambit软件划分网格,模型生成75 852个节点,376 166个网格单元。

图 3 泵送工具物理模型 Fig.3 Physical model of pumping down tool
2.2 计算结果分析

利用Fluent软件对建立的模型进行计算,选择钻杆入口边界为质量流量入口,钻杆出口边界为压力出口,流体全部流出;固体壁面边界全部作为无滑移边界处理,流动参数设置为零。

计算参数为:钻杆内径70.2 mm,承压台肩外径52.0 mm,泄流孔直径8.0 mm,钻井液密度1.02 kg/L,钻井液排量15 L/s,钻井液黏度10 mPa·s。模拟钻井液流经钻杆、PE筛管和泵送工具的静压力分布情况,结果如图 4所示。

图 4 钻井液流经钻杆、PE筛管和泵送工具的静压力分布云图 Fig.4 Distribution cloud chart of the static pressure while drilling fluid runs through drilling pipe,PE screen and pumping down tool

图 4可以看出,当钻井液流入泵送工具时,泄流孔内流体压力瞬间降低,而泵送工具与钻杆内壁环空的流体压力则变化不大。当钻井液流出泵送工具时,在渐开型引导头表面处产生明显的负压现象(见图 4中蓝色点)。

钻井液流入泵送工具时承压台肩面的静压力分布情况如图 5所示,钻井液流出泵送工具时渐开型引导头表面的静压力分布情况如图 6所示。

图 5 承压台肩面处的静压力分布云图 Fig.5 Distribution cloud chart of the static pressure on the pressurized ledge surface
图 6 渐开型引导头表面的静压力分布云图 Fig.6 Distribution cloud chart of the static pressure on the involute type guiding head surface

图 5图 6可以看出,承压台肩面处的流体压力为正压,渐开型引导头表面的流体压力为负压,二者方向相反,合力为二者数值绝对值的代数和,该合力即为泵送工具的推进力,为泵送工具带动PE筛管前行提供动力。

3 泵送工具推进力的影响因素分析

泵送工具推进力的大小受钻井液性能参数(密度、黏度、排量)、泵送工具结构参数(承压台肩外径、泄流孔直径)、钻杆结构参数(钻杆内径)等多种因素影响,基于CFD利用数值模拟方法[6-7]研究了不同参数对泵送工具推进力的影响规律。

3.1 钻井液性能参数

当钻杆内径为70.2 mm、泵送工具承压台肩外径为52.0 mm和泄流孔直径为8.0 mm时,在不同钻井液排量、黏度、密度条件下,对泵送工具的推进力进行了数值模拟,结果见图 7

图 7 钻井液性能参数与泵送工具推进力的关系曲线 Fig.7 Relationship of performance parameters of drilling fluid vs. driving force of pumping down tool

图 7可以看出,泵送工具推进力随钻井液排量、黏度和密度增大呈增大趋势。根据图 7,可以计算得到钻井液排量、黏度、密度的单位增量与泵送工具推进力增加值之间的关系,结果如表 1所示。

表 1 钻井液性能参数单位增量与推进力增加值的关系 Table 1 Relationship of unit increment of drilling fluid performance parameters vs. increment of driving force
参数增量比例,%推进力增加值/N
钻井液排量/(L·s-1)114.29
钻井液黏度/(mPa·s)10.056
钻井液密度/(kg·L-1)111.85

表 1可以看出,在相同单位增量下,钻井液密度和排量对泵送工具推进力的影响很大,二者的影响程度接近;钻井液黏度对泵送工具推进力的影响很小,远远小于钻井液密度和排量对推进力的影响程度。因此,在现场作业中,可以忽略钻井液黏度对泵送工具推进力的影响。

3.2 钻杆和泵送工具结构参数

当钻井液排量为15 L/s、黏度为10 mPa·s、密度为1.02 kg/L时,设定钻杆内径分别为63.5,70.2,84.8和101.6 mm,承压台肩外径分别为52.0,54.0,56.0和58.0 mm,泄流孔直径分别为8.0,20.0,25.0和38.0 mm,对泵送工具推进力进行数值模拟,结果见图 8

图 8 钻杆和泵送工具结构参数与推进力的关系曲线 Fig.8 Relationship of driving force vs. structural parameters of drilling pipe and pumping down tool

图 8可以看出:在其他参数一定的情况下,泵送工具推进力随着泵送工具与钻杆内壁之间的环空间隙增大呈先快速降低后缓慢减小的趋势,随泄流孔直径增大呈线性减小的趋势;泵送工具与钻杆内壁之间的环空间隙对泵送工具推进力的影响很大,远大于泄流孔直径对泵送工具推进力的影响,在现场作业中,应主要考虑钻杆内径与泵送工具承压台肩外径之间的匹配关系。

根据钻井液性能参数、钻杆和泵送工具结构参数对泵送工具推进力影响的研究结果,结合煤层气井现场作业工况,同时尽可能减小PE筛管下入时的摩阻,推荐泵送工具外径为51.0~58.0 mm,钻井液排量为15~20 L/s,钻井液密度为0.95~1.05 kg/L,钻井液黏度为10~30 mPa·s,泵送工具泄流孔直径为10.0~40.0 mm。

4 现场试验

山西沁水盆地樊庄区块某煤层气U形水平井井深1 570.00 m,根据设计要求,该井三开水平段692.00~1 570.00 m采用φ50.8 mm PE筛管完井。

由于井场仅有φ88.9 mm普通钻杆1 118.00 m,剩余钻杆只能利用φ88.9 mm加重钻杆替代,最终的PE筛管完井钻具组合为:φ88.9 mm普通钻杆(本体内径70.2 mm,接头内径61.3 mm)×1 118.00 m+φ88.9 mm加重钻杆(本体内径57.1 mm,接头内径57.1 mm)×452.00 m。该U形水平井三开钻井所用钻井液的密度为1.02 kg/L,黏度为11 mPa·s,满足PE筛管注入要求;根据钻井液性能参数对泵送工具推进力的影响规律,同时考虑节约水资源和作业时间,决定采用该钻井液泵送PE筛管。由于加重钻杆内径小于普通钻杆,为保证泵送工具顺利通过加重钻杆,同时在泵送作业时产生足够的推进力,根据钻杆和泵送工具结构参数对推进力的影响规律,将泵送工具承压台肩外径设计为52.0 mm。

现场完井作业过程中,在顺利注入878.00 m长的PE筛管后,将PE筛管割断,开泵进行泵送作业。根据钻井液性能参数对泵送工具推进力的影响规律,并为防止高排量流体对煤层井井壁造成损害,选择采用15 L/s排量进行泵送作业。泵送过程中,泵压由0 MPa迅速升至6.0 MPa,然后逐渐升至21.0 MPa,泵送15 min后泵压稳定在20.0~21.0 MPa,初步判断泵送工具被送出钻杆。随后边循环边起钻,第一柱钻柱从起钻开始到结束,泵压由20.5 MPa降至19.5 MPa,第二柱钻柱从起钻开始到结束,泵压由19.5 MPa降至19.0 MPa。起钻至套管鞋处,开泵循环,泵压3.0 MPa,表明PE筛管被完全泵出钻杆。

5 结论与建议

1) 钻井液可以在泵送工具的承压台肩上产生一定的推进力,该推进力不仅能为PE筛管下行提供推动力,而且能解除PE筛管的屈曲自锁状态,将PE筛管逐渐拉直,减小下行过程中PE筛管与钻杆内壁的摩擦阻力。

2) 在现场作业中,应首先考虑钻杆内径与泵送工具承压台肩外径之间的匹配关系,可以不考虑钻井液黏度对泵送工具推进力的影响。

3) 在某煤层气U形水平井PE筛管完井作业中进行了泵送工具应用,顺利将长度878.00 m的PE筛管泵送至设计井深,说明该泵送工具能产生足够大的推进力,能满足现场完井作业要求。

4) 由于PE筛管屈曲形态复杂,无法精确计算和控制PE筛管管体推进力的大小,建议开展钻井液对PE筛管管体推进力的研究。

参考文献
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付利, 申思远, 王开龙, 郑李
FU Li, SHEN Siyuan, WANG Kailong, ZHENG Li
煤层气水平井PE筛管完井用泵送工具推进力研究
Research on the Driving Force of the Pumping Down Tool for a PE Screen Completion in CBM Horizontal Wells
石油钻探技术, 2017, 45(1): 68-72.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(1): 68-72.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201701012

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收稿日期: 2016-08-22
改回日期: 2017-01-09

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