页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑运移机理研究

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1、第16卷第7期2016年3月科学技术与工程Vol.16No.07Mar.20161671—1815(2016)07-0177-05ScienceTechnologyandEngineering2016Sci.Tech.Engrg.页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑运移机理研究1211刘少胡谌柯宇管锋魏世忠12(长江大学机械工程学院，荆州434023;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610500)摘要针对页岩气开采成本高，以及清水钻井在垂直井段具有成本低和机械钻速快的优点，且页岩气

2、清水钻井岩屑运移规律尚认识不清。基于流体力学基本控制方程和湍流输运方程，建立了三维井眼环空岩屑运移模型。使用全隐式多网格耦合求解技术进行数值计算。利用该模型开展清水钻水平井段岩屑运移可行性研究，以及钻井液排量、岩屑床高度、岩屑粒径、清水黏度和钻柱转速对岩屑运移规律的影响研究。研究表明，在水平井段清水钻井液携岩是可行的，数值计算结果对比，得出钻井液排量、岩屑床高度和岩屑粒径是影响清水携岩能力的敏感参数。建议钻井过程岩屑床厚度不要超过井眼直径的10%，岩屑颗粒直径为5mm左右，根据钻井需要选用合适的钻井

3、液排量、钻井液黏度和钻柱转速。清水钻井岩屑运移机理研究可为页岩气安全高效开采提供技术支撑，同时将加快页岩气工程的开发进程。关键词页岩气岩屑运移清水钻井水平井CFD中图法分类号TE357.6;文献标志码B页岩气是一种清洁、高效的非常规油气。美国钻水平井段奠定了技术基础，但清水钻水平井段由页岩气的成功开发对世界能源格局产生了深刻影于还存在较多技术难题未解决，所以还没有进行推响，截至目前，全球已有30多个国家启动了页岩气广应用。其中清水钻水平井段岩屑运移问题有待解勘查开发工程。据国土资源部数据，我国页岩气

4、地决，目前还没有相关的文献报道关于清水钻水平井123质资源潜力为134×10m，可采资源潜力为25×段岩屑运移的研究，所以非常有必要开展清水钻水12310m(不含青藏区)，超过美国页岩气储量，位居平井段岩屑运移可行性研究，以及排量、岩屑床高世界第一。页岩气主要分布在盆地内厚度较大、分度、岩屑粒径、清水黏度和钻柱转速对岩屑运移规律布广的页岩烃源岩地层中，采集比传统天然气困难。的影响研究。美国Barnett页岩实际钻井经验表明，从水平井中获1数值模型建立得的最终采收率大约是直井的三倍，而费用只相当［1—

5、4］于直井的两倍。1.1控制方程国家级页岩气示范区重庆涪陵页岩气开采取得数值模拟的基本控制方程包括质量守恒方程、了可喜的成绩，“井工厂”、清水钻井等多项技术在动量守恒方程和能量守恒方程。礁石坝页岩气开采中获得成功应用，尤其是清水钻1.1.1质量守恒方程井技术在钻直井中得到了广泛的应用。清水钻井液清水携岩满足质量守恒方程定律。该定律可表成本比油基钻井液成本低，清水钻井液对储层伤害述为:单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同小，对环境污染小，且清水钻井液可重复利用度高，一时间间隔内流入该微元体的净质量

6、。按照这一定由此对比说明清水钻井技术值得推广应用［5—7］。［8—10］律，可以得出质量守恒方程:清水钻井由于机械钻速快，钻井成本低等优点ρ(ρux)(ρuy)(ρuz)+++=0(1)在页岩气钻垂直井段得到了广泛的应用，这为清水txyz式(1)中，ux、uy、uz分别为x、y、z三个方向的速度分2015年11月4日收到油气藏地质及开发工程国家重点实验室量，m/s;t为时间，s;ρ为流体密度，kg/m3。开放基金项目(PLN1504)、流体及动力机械教育部1.1.2动量守恒方程重点实

7、验室开放课题(szjj2015-041)和长江大学青年基金项目动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的“充气泥浆钻煤层气煤岩运移规律研究”(2015cqn44)联合资助第一作者简介:刘少胡(1984—)，男，甘肃静宁人，博士，讲师。研究基本定律。该定律可表述为微元体中流体的动量对方向:管柱力学、计算流体动力学及钻完井井下工具。E-mail:liusha-时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力oh@126.com。之和，动量方程的本质是满足牛顿第二定律，依据这178科学技术与工程16卷一定律，可

8、导出x、y和z三个方向的动量方程为:数、Sk、Sε为用户定义的源项。其中，C1ε=1.42，C2ε(ρux)pτxxτyxτzx=1.68，C3ε=1.3。+!·(ρuxu)=－++++ρfxtxxyz1.2几何模型及边界条件(2)选用工程常用的6in(152.4mm)水平井眼为(ρuy)pτxyτyyτzy研究对象，文献［13，14］钻水平井全井钻具组合为:+!·(ρuyu)=－++++ρfytyxyz152.4mmPDC