一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法

技术领域

本发明涉及长水平井开采海洋、深部地层及非常规油气藏应用技术领域，具体为一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法。

背景技术

近年来，由于长水平井能有效增加泄油面积，提高单井产量，改善油气藏的开发效果，在开采海洋、深部地层及非常规油气藏中得到了广泛应用，但同时长水平井在钻井过程中的井眼清洁问题、水力参数优选问题以及水力延伸能力预测及提升问题日益突出，受到了广泛关注。在长水平井的大斜度井段，岩屑的重力效应突出，易在井筒中堆积形成岩屑床，导致摩阻增大、卡钻、钻柱磨损等井下复杂情况，不仅直接增加了钻井成本和风险，还限制了长水平井的延伸能力，拖缓了钻井的工期。因此，进行长水平井岩屑运移规律及特征分析研究，对于保障长水平井井眼清洁及安全高效钻井具有重要的理论指导意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法。

一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，建立两层长水平井岩屑运移动态模型对岩屑动态运移进行模拟，将连续性方程和动量方程数值化进而计算参数并研究岩屑的动态运移特性，包括以下步骤：

步骤一：对井眼轨迹曲线进行计算，输入基本参数构造井斜角函数，采用追赶法求解，还原真实的井眼轨迹曲线；

步骤二：生成离散网络，根据井眼轨迹曲线求得井斜角，在相关参数和边界条件下，估算某时刻初始位置的岩屑床横截面积

步骤三：估算出相同时刻下一位置的岩屑床横截面积

步骤四：将

步骤五：利用计算出的相关参数结合动量方程与连续性方程计算出岩屑床横截面积

步骤六：将计算得到的

进一步，一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，其特征在于，所述步骤一中井眼轨迹的计算，采用三次样条插值计算节点处井斜角，区间[S

式中，

进一步，一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，其特征在于，所述岩屑床层及悬浮层的连续性方程由质量守恒定律推导，单位时间内模型岩屑床层两面流量差与井壁掉块量之和等于单位时间内微元控制体中岩屑床层内的质量，即：

岩屑床层的连续性方程表示为：

悬浮层连续性方程表示为：

其中，ρ

进一步，一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，其特征在于，所述动态模型特性研究方法中一些相关参数的计算包括：

环空截面积：

岩屑床层与井壁之间的剪切应力：

悬浮层与井壁之间的剪切应力：

悬浮层与岩屑床层界面的剪切应力：

岩屑床层的等效密度：ρ

悬浮层的等效密度：ρ

此外，岩屑床层与井壁之间的摩擦系数f

进一步，一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，其特征在于，所述边界条件的计算中，在钻井过程中，岩屑床横截面积为：

在模拟时，井眼趾端压力为：

其中，ROP是机械钻速，单位为m/h；d

进一步，一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，其特征在于，所述悬浮层岩屑体积浓度的计算包括对颗粒沉降速度和颗粒受阻沉积速度，以及对悬浮层体积浓度的积分，悬浮层平均岩屑体积浓度为：

C

式中，α是岩屑床层与井壁的接触角；β是岩屑床层与钻杆的接触角；h是岩屑床高度，单位为m；e是偏心距，单位为m；ε

进一步，一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，其特征在于，所述岩屑床层及悬浮层的运动方程由动量守恒定理推导，微元控制体中岩屑床层内的动量时间变化率与从微元控制体中岩屑床层内流出的动量流量之和等于微元控制体中岩屑床层所受合力，即：

岩屑床层的运动方程表示为：

悬浮层的运动方程表示为：

p为压力；τ

进一步，一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，其特征在于，所述离散网络模型偏微分方程为：

岩屑床连续性方程的差分方程为：

悬浮层连续性方程的差分方程为：

动量方程数值化，

岩屑床动量方程的差分方程为：

悬浮层动量方程的差分方程为：

p为压力；τ

本发明的有益效果：建立了考虑实际井眼轨迹、流体压降及悬浮层颗粒扩散的长水平井两层岩屑运移动态模型，采用有限差分法对模型求解，对不同工况下的岩屑动态运移进行模拟，进而研究岩屑的动态运移特性，优选井眼清洁的相关参数，从而指导实际工程中的井眼清洗工作。

附图说明

图1是本发明所提出的一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法流程图。

图2为本发明所提出的一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法中长水平井岩屑运移动态模型图。

图3为本发明所提出的一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法中网格划分及离散单元区域示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，利用长水平井岩屑运移动态模型对岩屑动态运移进行模拟，将连续性方程和动量方程数值化进而计算参数并研究岩屑的动态运移特性，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：对井眼轨迹曲线进行计算，输入基本参数构造井斜角函数，采用追赶法求解，还原真实的井眼轨迹曲线；

步骤二：生成离散网络，根据井眼轨迹曲线求得井斜角，在相关参数和边界条件下，估算某时刻初始位置的岩屑床横截面积

步骤三：估算出相同时刻下一位置的岩屑床横截面积

步骤四：将

步骤五：利用计算出的相关参数结合动量方程与连续性方程计算出岩屑床横截面积

步骤六：将计算得到的

长水平井岩屑运移动态模型为两层模型，如图2所示，取自井筒的一个微元段，将岩屑在井筒中分为下层岩屑床层和上层悬浮层；根据质量守恒和动量守恒定律，并结合岩屑床层和悬浮层的岩屑受力特点，计算岩屑床层及悬浮层各自的连续性方程与运动方程。

对连续性方程的推导：

(1)从A面的岩屑床层流入的质量流量：ρ

(2)从B面的岩屑床层流出的质量流量：

(3)井壁掉块量：

(4)T时刻时微元控制体中岩屑床层内的质量：ρ

(5)T+dt时刻时微元控制体中岩屑床层内的质量：

由质量守恒定律可知：(1)-(2)+(3)＝(5)-(4)，即：

因此，岩屑床层的连续性方程可表示为：

同理，悬浮层连续性方程可表示为：

其中，ρ

对动量方程的推导：

(8)微元控制体中岩屑床层内的动量时间变化率：

(9)从微元控制体中岩屑床层内流出的动量流量：

(10)微元控制体中岩屑床层所受合力：

由动量守恒定律可知：(8)+(9)＝(10)，即：

因此，岩屑床层的运动方程可表示为：

同理，悬浮层的运动方程可表示为：

p为压力；τ

除此以外，本实施例中，还需要对井眼轨迹的计算，采用三次样条插值计算节点处井斜角，区间[S

式中，

本实施例中，一种长水平井岩屑运移动态模型的建立还需要计算悬浮层岩屑体积浓度，计算包括对颗粒沉降速度和颗粒受阻沉积速度，以及对悬浮层体积浓度的积分，悬浮层平均岩屑体积浓度为：

C

式中，α是岩屑床层与井壁的接触角；β是岩屑床层与钻杆的接触角；h是岩屑床高度，单位为m；e是偏心距，单位为m；ε

在本实施例中，辅助参数的计算包括：

环空截面积：

岩屑床层与井壁之间的剪切应力：

悬浮层与井壁之间的剪切应力：

悬浮层与岩屑床层界面的剪切应力：

岩屑床层的等效密度：ρ

悬浮层的等效密度：ρ

此外，岩屑床层与井壁之间的摩擦系数f

进一步，本实施例中包括对边界条件的计算，在钻井过程中，岩屑床横截面积为：

在冲洗过程中，停钻并改用大排量的钻井液对井筒中的岩屑床进行冲洗，假设全井段的岩屑床高度一致。

在模拟中，井眼趾端压力为：

其中，ROP是机械钻速，m/h；d

在本实施例中，离散网络模型偏微分方程为：

连续性方程数值化，

岩屑床连续性方程的差分方程为：

/>

悬浮层连续性方程的差分方程为：

动量方程数值化，

岩屑床动量方程的差分方程为：

悬浮层动量方程的差分方程为：

p为压力；τ

利用本发明所提出的一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，作出井底位置岩屑床高度随时间变化图和同一时刻各个位置岩屑床高度变化图，通过观察根据图像判断不同工况下岩屑动态运移。在一种实施例中，对钻井过程中岩屑动态运移进行特性研究，可发现：岩屑随着时间的累积而逐渐沉积，岩屑床高度上升，钻井液的流通面积减小，环空返速增加，钻井液的携岩能力增大，岩屑运移速率逐渐与岩屑沉积速率相平衡，因此各个位置的岩屑床高度会随着时间先增加逐渐趋于稳定；此外，井斜角越大，岩屑作用于井壁的重力分力越大，岩屑越容易堆积，岩屑床高度越高。排量越大，岩屑床高度越低，岩屑床高度达到稳定的时间越短；钻井液密度越大，岩屑床高度越低，岩屑床高度达到稳定的时间越短；机械转速越慢，岩屑床高度越低，岩屑床高度达到稳定的时间越短；井眼尺寸越小，岩屑床高度越低，岩屑床高度达到稳定的时间越短。

在另一种实施例中，对洗井过程中岩屑动态运移特性进行研究，可发现：岩屑床逐渐被冲蚀，岩屑床高度下降，钻井液的流通面积增大，环空返速减小，钻井液的携岩能力减小，岩屑运移速率逐渐与岩屑沉积速率相平衡，因此各个位置的岩屑床高度会随着时间先减小逐渐趋于稳定；此外，井斜角越小，钻井液作用于岩屑床的分力越小，冲蚀作用就越小，岩屑床的剩余高度越高。过程中排量越大，冲蚀程度越严重，岩屑床的剩余高度越低，岩屑床高度达到稳定的时间越长；钻井液密度越大，冲蚀程度越严重，岩屑床的剩余高度越低，岩屑床高度达到稳定的时间越短；井眼尺寸越小，冲蚀程度越严重，岩屑床的剩余高度越低，岩屑床高度达到稳定的时间越短。

本发明提出了一种基于长水平井岩屑运移动态模型的特性研究方法，建立了考虑实际井眼轨迹、流体压降及悬浮层颗粒扩散的长水平井两层岩屑运移动态模型，采用有限差分法对模型求解，并对钻井和洗井两种工况下的岩屑动态运移进行模拟，研究岩屑的动态运移特性。本发明提出的研究方法从完整的井眼轨迹的角度进行考虑，针对井眼轨迹的岩屑动态运移进行系统研究，对工程参数优化有效指导。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。