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预置管酸液射流钻进数值模拟与实验

戴文潮

戴文潮. 预置管酸液射流钻进数值模拟与实验[J]. 石油钻采工艺,2023,45(1):18-24. doi:  10.13639/j.odpt.2023.01.003
引用本文: 戴文潮. 预置管酸液射流钻进数值模拟与实验[J]. 石油钻采工艺,2023,45(1):18-24. doi:  10.13639/j.odpt.2023.01.003
DAI Wenchao. Numerical simulation and experiment on acid jet drilling with preset pipes[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(1): 18-24. doi:  10.13639/j.odpt.2023.01.003
Citation: DAI Wenchao. Numerical simulation and experiment on acid jet drilling with preset pipes[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(1): 18-24. doi:  10.13639/j.odpt.2023.01.003

预置管酸液射流钻进数值模拟与实验

doi: 10.13639/j.odpt.2023.01.003
基金项目: 国家科技重大专项“超深井碳酸盐岩储层改造及测试关键技术”(编号:2017ZX05005-005-004);中石化科技攻关项目“碳酸盐岩定点定向喷射造孔装置研制”(编号:P20003)
详细信息
    作者简介:

    戴文潮(1984-),2010年获中国石油大学(北京)机械电子工程专业硕士学位,主要从事石油固完井工具研发及技术服务相关工作,副研究员。通讯地址:(102206)北京市昌平区沙河高教园南三街中石化科学技术研究中心。电话:010-56606087。E-mail:dw532@126.com

  • 中图分类号: TE248

Numerical simulation and experiment on acid jet drilling with preset pipes

图(11) / 表 (1)
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出版历程
  • 修回日期:  2022-08-25
  • 网络出版日期:  2023-06-15
  • 刊出日期:  2023-01-20

预置管酸液射流钻进数值模拟与实验

doi: 10.13639/j.odpt.2023.01.003
    基金项目:  国家科技重大专项“超深井碳酸盐岩储层改造及测试关键技术”(编号:2017ZX05005-005-004);中石化科技攻关项目“碳酸盐岩定点定向喷射造孔装置研制”(编号:P20003)
    作者简介:

    戴文潮(1984-),2010年获中国石油大学(北京)机械电子工程专业硕士学位,主要从事石油固完井工具研发及技术服务相关工作,副研究员。通讯地址:(102206)北京市昌平区沙河高教园南三街中石化科学技术研究中心。电话:010-56606087。E-mail:dw532@126.com

  • 中图分类号: TE248

摘要: 为了解决深层缝洞型碳酸盐岩储层精确改造的难题,开展了预置管酸液射流钻进技术研究。建立了预置管酸液射流钻进碳酸盐岩数值模型,分析了酸液喷射钻进的流场结构,开展了酸液射流钻进物理模拟实验。研究结果表明:预置管酸液射流能在碳酸盐岩露头中实现稳定钻进,钻进中钻遇50~150 mm间隙时,管体满足稳定钻进强度条件,造孔孔径18~26 mm。结合模型介质流线分析,酸液溶蚀扩孔效果明显,排量及酸浓度在局部范围内与钻速成正比,酸盐反应速率是影响孔径主要因素,岩石力学性能与钻速及孔径相关性高,钻进轨迹沿喷射方向整体成直线。研究结果可为碳酸盐岩预置管酸液钻进径向水平井技术应用提供理论指导和技术支撑。

English Abstract

戴文潮. 预置管酸液射流钻进数值模拟与实验[J]. 石油钻采工艺,2023,45(1):18-24. doi:  10.13639/j.odpt.2023.01.003
引用本文: 戴文潮. 预置管酸液射流钻进数值模拟与实验[J]. 石油钻采工艺,2023,45(1):18-24. doi:  10.13639/j.odpt.2023.01.003
DAI Wenchao. Numerical simulation and experiment on acid jet drilling with preset pipes[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(1): 18-24. doi:  10.13639/j.odpt.2023.01.003
Citation: DAI Wenchao. Numerical simulation and experiment on acid jet drilling with preset pipes[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(1): 18-24. doi:  10.13639/j.odpt.2023.01.003
  • 中国西部碳酸盐岩储层蕴藏着丰富的油气资源,酸化或酸压是油气开发和增产改造的主导技术。受地应力和储层非均质性影响,常规酸压不能有效控制造缝方向,井周油气储集体未能全部沟通,储层动用不充分,同时由于造缝高度难以控制,压开水层、气层将导致早侵,影响作业效果[1-7]。径向水平井技术具有作业时效高、选层灵活、能定向钻进等优点,能很好满足碳酸盐岩油气井精准改造、增产提效的需求,但受制于储藏埋藏深、地层破裂压力高、碳酸盐岩致密、储集体分布散等因素,在深层碳酸盐岩油藏实现应用困难[8-10]。预置管酸液射流钻进技术,具备径向水平井技术优势的同时能在深层碳酸盐岩应用,具有广阔的应用前景。笔者通过预置管钻进的数值模拟及物理模拟实验,了解预置管酸液射流钻进过程状态及其相关影响因素,为该技术的工程应用奠定理论和技术基础。

    • 预置管酸液射流钻进技术原理是:将工具连接在油管或钻杆柱下方,其内腔预置一定长度的分支管,工具到达作业位置后,摆好喷射方位,管内泵注酸液,采用酸液射流方式在碳酸盐岩地层中实现破岩、造孔,同时在预置分支管前端喷头液力牵引下将预置分支管打入储层,连通油/气储集体,达到油气井增产目的(如图1所示)。

      图  1  预置管酸液射流钻进技术原理

      Figure 1.  Principle of acid jet drilling technology with preset pipe

      喷射钻进工具采用油管或钻杆送入目的层,不受作业井深限制,酸液射流耦合破岩降低地层破裂门限压力,实现高效钻进,具备定向钻进功能。针对碳酸盐岩油气井增产,无论新井储层的充分动用、老井挖潜,或是关停井产能恢复,该技术都有较好的应用优势,尤其在深、超深层碳酸盐岩油气井中优势显著。

    • 通过简化预置管喷射钻进工具结构,建立预置管喷射钻进模型(如图2)所示。结构上主要由密封环、预置管、支撑环、喷嘴组成,喷嘴出口正对碳酸盐岩喷射。密封环与预置管间设计有密封,且安装在喷射工具外壳内腔,密封环上下空间压力隔绝,泵注流体在喷射工具外壳内腔中仅从预置管上端流入,从预置管前端喷嘴流出,支撑环模拟喷射装置内的弧形轨道对预置管的支撑,钻进过程中与装置内存在摩擦阻力,孔洞与预置管间的环形空间为压力出口。

      图  2  预置管喷射钻进模型

      Figure 2.  Jet drilling model with preset pipe

      喷射钻进装置外径127 mm,下入Ø149.2 mm裸眼后,按20%井眼扩大率计算预置管初始喷出,喷头接触岩壁时预置管外伸长度约50 mm,为验证喷射钻进过程中管体是否维持稳定钻进条件,进行该阶段的预置管喷射数值模拟分析[11-16]

    • 预置管在工具内腔的流体域内,结合实际应用工况条件,确定主要的计算边界参数:(1)预置管长度130 mm,密封环以上60 mm,密封环至支撑环间长度20 mm,预置管外伸长度50 mm,预置管外径8 mm,内径6 mm,喷嘴直径1.5 mm;(2)以喷射工具外壳内腔一段流体为对象,流体域直径95 mm(工具内径),长度80 mm,入口流量20 L/min,出口压力为0,喷嘴所在流体域直径20 mm(喷射造孔孔洞尺寸),长度20 mm;(3)流体域为酸液,密度为1.02×103 kg/m3,预置管材料屈服极限515 MPa,抗拉强度620 MPa。

      预置管喷射钻进流体域网格划分,模型全部为六面体网格,为了提高计算精度,细化了预置管处网格,流体域网格总数106.8万。在密封环上部采用速度入口,岩面上端部为压力出口,其余为固定壁面。该计算模型采用双精度求解器,标准k-ε湍流模型,增强壁面函数,PISO算法,二阶迎风格式。为计算预置管屈曲的网格模型,流体域采用相同的细化网格,网格总数量约2万,模型在密封环处全约束。

    • 采用FLUENT仿真求解预置管酸液射流钻进流场结构。酸液射流压力场见图3(a),流场中入口压力19.8 MPa。酸液射流速度场见图3(b),喷嘴最大流速196 m/s,考虑边界黏滞阻力,喷嘴中心处流速会一定程度偏大。酸液射流的酸液流线见图3(c),酸液从喷嘴高速喷出后,撞击到岩石面,然后沿壁面向周围流动,到达周向壁面后一部分形成环流,另一部分沿着周向壁面向出口流动,环流作用区域内的酸盐反应是酸液射流扩孔效应的主要因素。

      图  3  预置管喷射钻进数值模拟结果

      Figure 3.  Numerical simulation results of jet drilling with preset pipe

    • 通过流固耦合方法,将流体域计算得到的压力映射到对应的预置管表面得到管体表面所受到的作用力。按流场压力分布结合预置管截面尺寸,可计算出喷射钻进过程中预置管受力情况,如图4(a)所示。作用力分为3个部分,一是管体上端面液压推力435 N,二是管体的内外表面与装置摩擦阻力381 N(通过测定预置管喷射启动压力换算),三是喷头处射流节流压力产生的牵引力508 N,各部分的受力方向及大小在图中标出,计算时对喷嘴施加固定约束,模拟喷嘴遇阻的工况,喷管与密封环为光滑接触。图4(b)和图4(c)为流体作用下预置管的应力和应变云图,管体的屈服应力最大96 MPa,小于材料的屈服强度,满足强度性能要求,管体垂直方向的最大变形0.041 mm,没有发生屈曲。图中管柱的变形情况说明在此工况下预置管上端面的流体压力使得管柱是受压状态,由分析结果可知,在20%井眼扩大率以内,分支管外伸部分能实现稳定支撑维持钻进。

      图  4  预置管受力分析及应力和形变云图

      Figure 4.  Force analysis, stress and deformation nephogram of preset pipe

    • 为实际测定预置管酸液射流在碳酸盐岩中的钻进状态、钻进效果及影响因素,设计实验系统17-23],建造测试系统平台如图5所示。喷射装置连接在Ø73 mm油管上,并与泵注管汇连接,管汇上缠绕加热带对介质加热升温(基于安全性考虑,本实验温度为80 ℃),预置管(毛细管,外径8 mm、内径6 mm、总长12 m)提前安装在喷射装置内,喷射孔(孔径1.5 mm)对准碳酸盐岩露头阵列(由5块不同碳酸盐岩露头块组成,露头采用水泥浇筑在相框内便于固定,露头块间隙分别为150、100、50 mm,以模拟钻遇不同尺寸缝隙的状态)。通过采用不同排量、不同浓度的HCl溶液,评价不同参数下预置管在碳酸盐岩中的钻进效果、影响因素及钻进轨迹情况。

      图  5  预置管喷射钻进测试系统

      Figure 5.  Testing system of jet drilling with preset pipe

    • (1)取各露头样品10 g,置于200 mL的质量分数20%HCl溶液中5 min,测定其酸岩反应速率;

      (2)制作各露头的标准岩心,采用三轴力学测量仪,测定岩心主要力学性能参数;

      (3)开启加热带至80 ℃,开泵,以5 L/min排量泵注清水,待喷射压力稳定后,切换介质为20%HCl溶液,采用变排量方式(16 L/min、20 L/min、22L/min、24 L/min)对1P4#露头稳定喷射,各排量参数稳定喷射5 min,观察记录预置管喷射钻进情况;

      (4)恒定20 L/min的排量,分别采用质量分数14%、17%、20% 的HCl溶液对1P4#露头稳定喷射钻进5 min,观察记录钻进情况;

      (5)采用20%HCl溶液、前序测试中的最优排量持续钻进,至各露头钻穿,测量记录各露头入孔坐标变化数据。

    • 围压30 MPa下,三轴力学性能测试和岩心酸岩反应结果见表1。岩心的酸岩反应速率、抗压强度、弹性模量及泊松测定结果显示各因素无明显相关性。其中酸岩反应速率最高为5.29 g/min,最小为0.33 g/min,能体现酸液对岩体腐蚀的敏感性,反应速率越高,酸液腐蚀性越强,酸液射流破岩效果越好。力学性能参数,尤其是抗压强度体现岩体抵抗射流冲击功的能力,强度越低,射流冲击破岩效果越好。

      表 1  岩心测试数据

      Table 1.  Testing data of the cores

      岩心
      标号
      酸岩反应速率/
      (g · min−1)
      抗压强度/
      MPa
      弹性模量/
      GPa
      泊松比
      2P1#5.29118.7330.3820.231
      1P1#1.5886.324.320.22
      1P2#0.33189.0723.8990.219
      1P3#2.2158.620.320.202
      1P4#3.6468.6221.3650.207
    • 针对1P4#碳酸盐岩露头,不同排量、不同酸液浓度下钻速曲线如图6所示,可以看出,随着排量升高,喷头处射速增加,预置管钻速先增大后减小,说明随着排量加大,射速增加,喷头前端射流反作用力也增加,在预置管存在形变情况下喷距加大,射流能量随喷距加大剧烈衰减导致钻速降低,通过分析实验数据曲线,最佳排量约为22 L/min。

      图  6  排量及酸浓度与钻速关系

      Figure 6.  Relationship between displacement, acid concentration and drilling speed

      22 L/min的排量下,酸液浓度提高,钻速增加,浓度增加到一定程度时,受制于露头内碳酸盐含量,钻进速度增加放缓,但整体仍呈增加趋势,实际作业过程中为加快钻进速度,应按现场允许的最大浓度配置。采用清水(浓度0%)同等条件下进行对比钻进测试,无钻进进尺,由此可知酸岩反应破坏岩石颗粒胶结强度,进而降低了岩石破裂强度,是射流钻进的决定因素。

    • 采用22 L/min排量,20%HCl溶液,持续喷射钻进直至钻穿5块露头后,结合露头酸岩反应速率,对比各露头的钻速、成孔孔径。从图7可看出,岩石酸盐反应速率与造孔孔径相关性高,即酸岩反应主要影响造孔孔径,反应速率越大,造孔孔径越大,预置管钻进孔洞环空越大,碎屑排运通畅,运行阻力越小,钻进极限深度越大,后期通道泄油面积越大,作业效果越好。酸盐反应速率与钻速相关性不明显,酸液射流钻进碳酸盐岩成孔孔洞形态如图8所示,从成孔形态看,出入口孔眼直径范围18~26 mm,孔径明显大于预置管外径且较均匀,结合数值模拟介质流线图可知酸液溶蚀扩孔效果明显。

      图  7  酸岩反应速率与孔径及钻速关系

      Figure 7.  Relationship between acid rock reaction rate and hole diameter, penetration rate

      图  8  碳酸盐岩露头的孔洞形态

      Figure 8.  Pore morphology of carbonate rock outcrop

    • 岩石力学性能与钻速及孔径关系如图9所示,岩石抗压强度越低,钻速越高,整体呈现岩石强度低,钻速高的趋势,是钻进速率的主要影响因素。岩石抗压强度越低,射流产生的环流对孔眼冲洗作用以及酸盐反应扩孔效应越明显,造孔孔径越大。弹性模量与钻速及孔径相关性不高,对造孔孔径影响敏感性不高。

      图  9  岩石力学性能与钻速及孔径关系

      Figure 9.  Relationship between rock mechanical properties and drilling speed, hole diameter

    • 预置管完全钻穿5块露头,以1P4#入孔坐标为基准点,分别测量1P3#,1P2#,1P1#,2P1#入孔坐标,以1P1#露头入孔为基准,计算各露头入孔坐标偏差,形成钻进轨迹偏移曲线(如图10所示),可以看出,钻进不同露头间隙过程中,预置管喷头钻入x轴坐标变化随机,y轴方向受重力影响,呈负向增加趋势,结合预置管钻进距离,可知预置管钻进轨迹y轴变化为−0.47%,即预置管每钻进1 m,前端喷头轨迹下沉4.7 mm,短距离内,钻进轨迹沿初始喷射方向成直线,同时观察预置管通过50 mm间隙继续钻进时,管体未发生明显屈曲,预置管过间隙钻进状态如图11所示。

      图  10  露头入孔坐标轨迹变化

      Figure 10.  Changes in the coordinate trajectory when entering the outcrop

      图  11  预置管过间隙钻进状态

      Figure 11.  Drilling state of preset pipe through gap

    • (1)预置管定点定向喷射技术适用于缝洞型碳酸盐岩储层精确改造,数值模拟及地面物理模拟结果表明利用预置管高压酸液射流破岩,可实现预置管在碳酸盐岩中稳定钻进。

      (2)数值模拟中的边界条件是设定在预置管喷射刚接触井壁时的状态,仅用于判断初始状态时管体失稳状态,当预置管钻进岩层后因与洞壁摩擦、管体伸长屈曲、喷头方向随机等条件改变,需开展多因素耦合作用下的管体受力分析。

      (3)地面模拟预置管喷射钻进仍局限在有限的岩石尺寸内,喷射酸液是常温条件,实际井况下的围压、温度对钻进性能的影响及其影响程度仍需要进一步开展研究,以便现场作业时能对预置管钻进时效进行预测。

      (4)本研究中的预置管喷射钻进轨迹变化基于较短钻进距离范围内的轨迹测量,随着钻进深度的进一步加长,管体受力更复杂,当处于非稳定钻进状态时,不足以保持原来喷射钻进方向,钻进轨迹变化有待开展更深入的研究。

参考文献 (23)

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