羽狀水平井欠平衡鉆井技術(shù)數(shù)值模擬研究

羽狀水平井欠平衡鉆井技術(shù)數(shù)值模擬研究

羽狀水平井地層欠平衡鉆井技術(shù)中國(guó)的大多數(shù)煤炭?jī)?chǔ)層都屬于低暴露、低滲和低孔“三通低”，這增加了采礦的難度，影響也很差。理論研究及近幾年的開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明,當(dāng)煤層的滲透率小于1mD時(shí),采用羽狀水平井開(kāi)采煤層氣,單井日產(chǎn)氣量與直井水力壓裂相比可提高3～10倍,因此羽狀水平井鉆井技術(shù)已成為目前煤層氣開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)之一,尤其是羽狀水平井充氣欠平衡鉆井技術(shù)。該技術(shù)采用羽狀井與洞穴直井相結(jié)合的雙井筒結(jié)構(gòu),當(dāng)羽狀井主水平井眼與洞穴直井連通以后,通過(guò)直井往羽狀井水平井筒環(huán)空內(nèi)注氣,降低羽狀井環(huán)空內(nèi)液柱壓力,實(shí)現(xiàn)其在煤層中的欠平衡鉆進(jìn),達(dá)到減少儲(chǔ)層污染、保護(hù)煤儲(chǔ)層的目的。完井以后,在羽狀井斜井段打水泥塞封堵,采氣作業(yè)在直井中進(jìn)行[17,18,19,20,21,22,23]。該技術(shù)的關(guān)鍵在于欠平衡鉆井注氣工藝參數(shù)的優(yōu)選,從而確保羽狀井在煤儲(chǔ)層中鉆進(jìn)始終保持欠平衡鉆井狀態(tài),因此研究環(huán)空注氣量、泥漿排量等對(duì)井底壓力、井底欠壓值的影響以及井筒環(huán)空內(nèi)各物性參數(shù)沿井深的變化規(guī)律至關(guān)重要。1模型的構(gòu)建和求解1.1井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化由于水平井注氣點(diǎn)以后井筒環(huán)空內(nèi)的流體流動(dòng)為液、固兩相流,注氣點(diǎn)至井口的井筒環(huán)空內(nèi)流體流動(dòng)為氣、液、固混相流體流動(dòng),為了便于研究和計(jì)算,將羽狀水平井欠平衡鉆井井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖1)。1.2數(shù)學(xué)模型1.2.1求各體流體密度s??t(ρiei)+??(ρieivi)=0(1)??t(ρiei)+??(ρieivi)=0(1)式中t—時(shí)間,s;ρ—流體密度,kg/m3;e—流體體積分?jǐn)?shù),無(wú)因次;v—流體速度,m/s。下標(biāo)i—流體類(lèi)型,i=g(氣體),l(泥漿),s(煤屑)。1.2.2階應(yīng)力張量法??t(ρieivi)+??(ρieiv2i)+ρieig+??(eiΤi)=0(2)??t(ρieivi)+??(ρieiv2i)+ρieig+??(eiTi)=0(2)其中,二階應(yīng)力張量(Ti)的表達(dá)式為Τi=(pxxpxypxzpyxpyypyzpzxpzypzz)Ti=???pxxpyxpzxpxypyypzypxzpyzpzz???式中g(shù)—重力加速度,g=9.8m/s2。1.2.3管道表觀相速度公式2水平井筒-dpdx=fm(ρgQg+ρlQl+ρsQs)vm2DeA[1-ρmΗl+ρg(1-Ηl)vmvsgp2〗(3)豎直井筒-dpdz=ρmgsinθ+2fmv2mρmD+ρmvmdvmdz(4)式中p—環(huán)空混相流體壓力,MPa;x—水平井筒軸向長(zhǎng)度,m;z—豎直井筒軸向長(zhǎng)度,m;fm—環(huán)空混相流體摩阻系數(shù),無(wú)因次;Qg—環(huán)空混相流體中氣體排量,m3/min;Ql—環(huán)空混相流體中泥漿排量,m3/min;Qs—環(huán)空混相流體中煤屑排量,m3/min;vm—環(huán)空混相流體速度,m/s;vsg—?dú)怏w表觀相速度,m/s;De—水平井筒環(huán)空過(guò)流斷面當(dāng)量直徑,m;D—豎直井筒環(huán)空過(guò)流斷面當(dāng)量直徑,m;A—環(huán)空過(guò)流斷面截面積,m2;ρm—環(huán)空混相流體密度,kg/m3;Hl—羽狀井水平井筒環(huán)空內(nèi)持液率,無(wú)因次;θ—羽狀井水平井眼傾斜角,(°)。1.2.4egh—空隙率計(jì)算模型[24,28-29水平井筒環(huán)空Egh=f(Qg,Ql,Qs,vm,De)(5)豎直井筒環(huán)空Egv=f(Qm,Qg,ρm,ρg,μg,μl,Cg,vm,vsg,vgr)(6)式中Egh—水平井筒環(huán)空內(nèi)空隙率,無(wú)因次;Egv—豎直井筒環(huán)空內(nèi)空隙率,無(wú)因次;Qm—環(huán)空混相流體排量,m3/min;μg—?dú)怏w黏度,Pa·s;μl—泥漿黏度,Pa·s;Cg—?dú)怏w速度分布系數(shù),無(wú)因次;vgr—?dú)怏w漂移速度,m/s。1.3等流動(dòng)物參數(shù)確定建立的數(shù)學(xué)模型是由一系列差分方程、參數(shù)方程及輔助方程等構(gòu)成的高度非線性代數(shù)方程組,在方程組求解過(guò)程中,需要在定解域每一個(gè)離散節(jié)點(diǎn)上確定出p,Eg,vg,ρg,μg,ρm,vm,vgr,vsg,fm等流動(dòng)物性參數(shù)。因此,本文在計(jì)算過(guò)程中將代數(shù)方程組在定解域上的求解轉(zhuǎn)換為在定解域節(jié)點(diǎn)上的求解,選定好起始節(jié)點(diǎn)和空間步長(zhǎng),逐步求解定解域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)上的解,直到覆蓋整個(gè)定解域,即可求得相應(yīng)問(wèn)題的解。2井底壓力和井底欠壓值的物理和數(shù)學(xué)模型以沁水盆地南部某煤層氣羽狀水平井為例,利用所建立的物理模型和數(shù)學(xué)模型,在不同泥漿排量及不同環(huán)空注氣量條件下,對(duì)羽狀水平井井底壓力、井底欠壓值及井筒環(huán)空內(nèi)各物性參數(shù)沿井深的變化規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和分析。2.1井身密度和井壓羽狀井垂深800m,羽狀井垂直井眼與注氣直井水平間距150m,羽狀井三開(kāi)主水平井眼孔徑為152.4mm,三開(kāi)鉆桿柱外徑為89mm,泥漿密度為1015kg/m3,煤巖密度為1400kg/m3,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度為1.205kg/m3,煤儲(chǔ)層孔隙壓力梯度為0.89MPa/100m,羽狀井主水平井眼傾斜角0°,井口壓力取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。2.2參數(shù)評(píng)價(jià)的環(huán)流特性2.2.1量的變化規(guī)律圖2反映的是在不同環(huán)空注氣量(Qg)條件下,井底壓力隨泥漿排量的變化規(guī)律。從圖中曲線可以看出,當(dāng)環(huán)空注氣量一定時(shí),隨著泥漿排量的增大,井底壓力呈現(xiàn)單調(diào)遞增變化規(guī)律,且不同注氣量條件下井底壓力變化規(guī)律一致;在同一泥漿排量條件下,注氣量越大,井底壓力越低。2.2.2管道內(nèi)全靜液壓力占絕對(duì)主導(dǎo)地位圖3反映的是在不同環(huán)空注氣量(Qg)條件下,羽狀井注氣點(diǎn)至井口的井筒環(huán)空內(nèi)空隙率沿井深的變化規(guī)律。由圖中曲線可以看出,水平井筒環(huán)空內(nèi)靜液壓力占絕對(duì)主導(dǎo)地位,空隙率變化很小(僅增大3%左右);豎直井筒環(huán)空內(nèi)初始時(shí)由于靜液壓力占主導(dǎo)地位,空隙率沿井深增大緩慢,但當(dāng)井深變化到距井口100m左右時(shí),隨著豎直井筒環(huán)空內(nèi)壓力降低到一定程度,摩阻壓力占主導(dǎo)地位,環(huán)空內(nèi)氣體急劇膨脹,空隙率急劇增大。不同環(huán)空注氣量條件下,空隙率沿井深的變化規(guī)律基本一致。2.2.3混相流體密度圖4顯示的是在不同環(huán)空注氣量(Qg)條件下,羽狀井注氣點(diǎn)至井口的井筒環(huán)空內(nèi)混相流體密度沿井深的變化規(guī)律。由于混相流體中液相、固相的密度視為常量不變,氣相密度隨壓力、溫度的變化較小,且其數(shù)量級(jí)相對(duì)液相、固相密度而言非常小,因此混相流體密度沿井深的變化規(guī)律與空隙率的變化規(guī)律正好相反。2.2.4混相流體流速隨井深變化速度的變化圖5為在不同環(huán)空注氣量(Qg)條件下,羽狀井注氣點(diǎn)至井口的井筒環(huán)空內(nèi)混相流體流速沿井深的變化規(guī)律。由于混相流體流速的變化主要取決于氣液間的滑脫效應(yīng),因此在靜液壓力占主導(dǎo)的井筒環(huán)空內(nèi),混相流體流速增長(zhǎng)緩慢,當(dāng)井深變化到距井口100m左右時(shí),摩阻壓力占主導(dǎo)地位,隨著空隙率急劇增大,環(huán)空內(nèi)混相流體流速也急劇增大。不同環(huán)空注氣量條件下,混相流體流速沿井深變化規(guī)律一致。2.2.5內(nèi)注氣點(diǎn)至井深的變化規(guī)律圖6反映的是在不同環(huán)空注氣量(Qg)條件下,羽狀井井筒環(huán)空內(nèi)注氣點(diǎn)至井口的環(huán)空壓力隨井深的變化規(guī)律。由圖中曲線可以看出,在水平井段環(huán)空壓力損失較小,在豎直井筒環(huán)空內(nèi)沿井筒向上呈線性遞減的變化規(guī)律。不同環(huán)空注氣量條件下,環(huán)空壓力隨井深變化規(guī)律一致。2.2.6環(huán)空注氣量影響圖7為不同泥漿排量(Qw)下,井底欠壓值隨環(huán)空注氣量的變化規(guī)律。由圖中曲線可以看出,當(dāng)泥漿排量一定時(shí),井底欠壓值隨著環(huán)空注氣量的增大而減小;在同一環(huán)空注氣量條件下,泥漿排量越低,井底欠壓值越小,欠壓程度越高;對(duì)于不同的泥漿排量,存在不同的環(huán)空注氣量取值范圍,使得鉆進(jìn)過(guò)程中井底欠壓值控制在-0.6～-0.2MPa,從而滿足減少儲(chǔ)層污染、保護(hù)儲(chǔ)層的現(xiàn)場(chǎng)鉆井工藝要求。3環(huán)空流體流體狀況(1)羽狀水平井欠平衡鉆井技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)減少儲(chǔ)層污染、保護(hù)煤儲(chǔ)層、提高煤層氣單井產(chǎn)量等目的,目前已成為國(guó)內(nèi)外中、高煤階煤層氣開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)之一。(2)環(huán)空注氣量一定時(shí),井底壓力隨著泥漿排量的增大而單調(diào)遞增;在同一泥漿排量條件下,注氣量越大,井底壓力值越低。(3)羽狀井注氣點(diǎn)至井口的水平井筒環(huán)空內(nèi)由于靜液壓力占絕對(duì)主導(dǎo),氣液間無(wú)明顯滑脫,空隙率及混相流體流速增長(zhǎng)幅度較低,混相流體密度降低較少,壓降損失也較少;豎直井筒環(huán)空內(nèi)空隙率自井底沿井筒向上初始增長(zhǎng)緩慢,相應(yīng)的,環(huán)空混相流體密度減小緩慢,流速增長(zhǎng)也緩慢;但當(dāng)環(huán)空壓力降低到一定程度后,由于氣體體積膨脹,氣液滑脫效應(yīng)增強(qiáng),環(huán)空空隙率迅速增大,混