空气钻井井筒内气体携岩与冲蚀评价分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第27卷第2期钻井液与完井液、，o1．27No．22010年3月DRILLINGFLUID&COMPLET10NFLUIDMar．2010文章编号：1001．5620(2010)02．0034．03空气钻井井筒内气体携岩与冲蚀评价分析朱红钧，林元华，明传中2赵思军。，牟鹤林(1．西南石油大学石油管力学和环境行为重点实验室，成都；2．塔里木油田分公司工程技术部，新疆库尔勒；3．川庆钻探工程公司川东钻探公司，重庆)摘要空气钻井技术具有及时发现和保护油气层，提高油气产量和采收率，提高机械钻速，减少和避免井漏等显著优势，但其携岩能力与钻具冲蚀

2、问题一直困扰着钻井科技人员。基于计算流体动力学与空气动力学理论，建立了空气钻井井筒内流体流动的数学模型，并结合实例，对空气钻井时井筒内气固两相的流场分布进行了模拟计算，计算结果与实际钻井操作参数吻合较好，综合最小携岩速度与冲蚀临界速度准则，对井筒流场进行了定性评价。探索出了一种较简单而快捷地确定空气钻井注入参数的方法，为实际钻井参数设计提供了依据。关键词空气钻井；井眼净化；最小携岩速度；冲蚀临界速度；气固两相流中图分类号：TE242．7文献标识码：A空气钻井悬浮携岩能力较弱，钻具振动剧烈，式中：下标q、S分别代表气、固相；OL、分别为气、受冲蚀的程度严重，会缩短钻具的使

3、用寿命。因此，固相体积分数，OL。+OL。=1；Pq、Ps分别为气、固只有选用相对合理的钻具组合及钻井参数，在满足相密度，kg／m。；、分别为气、固相速度，m／s；携岩要求的同时避免冲蚀现象的发生，才能从真正、。分别为固相到气相、气相到固相的质量传意义上提高机械钻速，缩短建井周期。现有空气钻递，kg／(m·s)，msq一qs。井注入参数的研究主要从实验研究与数学分析两个动量守恒方程]：角度开展[1-7]。基于计算流体动力学与空气动力学理论，建立了空气钻井井筒内气固两相流动的数学，，q)+·@)=一+V-q+(3)模型，并依据现场基础数据，模拟得出了不同立管OLqpqg+

4、O~P，，)+一)+压力条件下的井筒流场分布，分析了气体携岩能力与冲蚀效应，为实际钻井参数设计提供了依据。(。P。)+V·(asp)一OL。Vp—Vp。+-+(4)，．．．+一、，、。P。季+QPs+n，。+FⅧ，。。。一)+rh。1控制方程式中：P为气一固两相流压力，Pa；为固相压力，1．1气固两相流模型Pa；季为重力加速度，m／s；T—q、一7s分别为气、固相质量守恒方程：压力应变张量，Pa；、分别为气、固相单位质量外部体积力，m／s；i、i分别为气、固相单)+·)=廊s(1)位质量升力，m／s；。分别为气、固相单位质量虚拟质量力，m／s；：Kq为气一固相间动量()

5、+·()=。(2)交换系觌肺·s)；、为相间的速度若>0，基金项目：“新世纪优秀人才支持计划”(NCET-08．0907)和四川省杰出青年学科头人培养基金(06ZQ026．028)资助，中国石油天然气集团公司应用基础研究项目“非API标准油气井管材及管柱安全性与优化设计技术研究”(2008A．3005)中的部分内容。第一作者简介：朱红钧，讲师，硕士，1983年生，现在主要研究油气流体力学和计算流体力学。地址：四川省成都市新都区西南石油大学石油工程学院；邮政编码610500；电话15982144183；E-mail：ticky863@126．corn。学兔兔www.xue

6、tutu.com第27卷第2期朱红钧等：空气钻井井筒内气体携岩与冲蚀评价分析35==；若，<0，=。=)，m／s。气一固相间动量交换系数：gsq--CDI(5)式中：ds为固体颗粒直径，m；CD为曳力系数，m／s；v是与固体相相关的末端速度，m／s。=s，0‘5(全二!!!：(6)o．5~／(o．06ReS2+0．12Re(2B—A)+A式中：A、B为常数，A=4H；当>0．85时，取『】『。B=。固相压力为：≈-二(14)P=。P。O。+2p。(1+。)go’s。O。(7)式中：为岩屑沉降速度，m／s；1，为岩屑运移速度，r㈦m／s；D为岩屑颗粒当量直径，m；do为环

7、空外径，m；为环空内径，1TI；Dh为流道的水力半径，m；式中：O为颗粒温度，K；e。。为颗粒碰撞的归还系数，为岩屑颗粒形状系数，对于页岩和石灰岩取值为取0．9；g。是固相径向分布函数；O／。⋯为径向分布1．4，对于砂岩取值为0．85；为球状因子，无因次；的最大固相体积分数。。为机械钻速，m／h；N为转速，r／min；Cn为岩屑浓度，一般气体钻井要求环空岩屑浓度小于0．02，1．2湍流模型设计时可取0．02。井筒内空气视为可压缩气体，数值计算基于有限体积法，选用SIMPLE算法进行压力速度耦合，2．2冲蚀临界速度并采用二阶迎风离散格式，湍