气体钻水平井技术结合了气体钻井保护储层和水平井扩大渗流面积的优点，被视为解决低压、低孔、低渗、低丰度非常规油气资源高效开发的重要技术手段^{[1, 2, 3, 4, 5]}，然而水平段岩屑运移是该技术面临的一大技术难题，井眼净化效果不好会引发高摩阻、高扭矩、卡钻和固井质量差等一系列工程问题^{[6, 7]}，严重阻碍了气体钻水平井技术的应用。

国内外对气体钻水平井岩屑运移问题的相关研究开始于注气量模型研究。R.R.Angel^[8]对空气钻井注气量进行了大量研究，最早建立了空气钻井注气量计算模型。此后，B.Guo^[9]、王岩^[10]、袁兆广^[11]、张雅春^[12]等人对R.R.Angel模型进行了完善和修正，提高了气体钻水平井注气量计算模型的准确性。柳贡慧等人^[13]分析了影响气体钻水平井岩屑起动临界气体速度的因素，发现偏心环空和大井斜角段是携岩的不利区域。随着计算流体软件的发展，越来越多的学者利用数值模拟方法分析水平井岩屑运移规律。孟英峰等人^{[4, 14]}通过CFD数值模拟软件分析水平环空流场，发现偏心环空和钻杆接头不利于岩屑运移。万里平等人^[15]分析了气体钻井水平段扩径处的环空流场，认为井径扩大率越大，扩径处井眼低边越容易堆积岩屑。沈忠厚等人^[16]利用CFD数值模拟软件，分析了超临界二氧化碳钻水平井时流体密度和黏度对携岩能力的影响。霍洪俊等人^[17]基于DPM模型，采用数值模拟方法，分析了流量、温度、压力、粒径、钻杆偏心等因素对超临界二氧化碳钻井水平段携岩能力的影响规律。宋先知等人^[18]采用Realize k-ε湍流模式及SIMPLEC算法，分析了连续油管钻水平井岩屑的运移规律。

邵帅等人^[19]分析不同井斜角下岩屑的受力，得到了不同井斜角下气体钻井岩屑起动的临界流速。以上研究已经取得了一定成果，但是针对气体钻水平井时岩屑运移特征方面的研究还相对缺乏。因此，笔者采用FLUENT软件，对气体钻井水平段单颗粒岩屑和岩屑颗粒群的运移进行了模拟，分析了单颗粒岩屑和岩屑颗粒群在水平段的运移特征。

由于岩屑受力的不同，水平井携岩规律与直井携岩规律存在本质的不同^[15](见图1)。在直井段，岩屑所受重力方向与其运动方向基本处于同一轴线上，井眼径向的分速度可以忽略不计，因此，在气体返速大于沉降末速的条件下，岩屑即可被顺利携带出井口，而不能被气体携带的大粒径岩屑在重力作用下回落到井底进行二次破碎或多次破碎，达到运移条件后被携带出井口。在水平井段，由于水平井眼的特殊性，若出现气体不能携带的大颗粒岩屑，岩屑则不能回落到井底进行重复破碎，而是在重力作用下下沉至下井壁形成岩屑床。

图 1 直井段与水平井段岩屑运移对比示意 Fig.1 Migration of cuttings in vertical and horizontal sections

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单颗粒岩屑在水平段运移过程中主要受到重力、浮力、气动阻力、压强梯度、附加质量力、Basset力、Saffman升力和Magnus升力等力的作用^[20]，当岩屑受到的动力大于阻力时，即开始起动运移。气体钻水平井过程中，岩屑运移形式主要有蠕移、跃移和悬移3种形式^[4]。蠕移是指在岩屑受到的动力作用相对较小的情况下，沿下井壁平行滑动或者滚动的运移形式。跃移是指随着岩屑受力增大，岩屑以跳跃的形式运移。悬移是指岩屑受到的升力大于重力时，以悬浮的形式在水平段环空运移。

气体钻水平井时，井筒环空流动为典型的气固两相管流，根据气固混合相的连续性、动量守恒定律和能量守恒定律，可建立基本的数学模型^[21]。此外，根据气体钻水平井的特点，建立了物理模型。

式中：ρ_m为混合相密度，kg/m³；v_m为混合相速度，m/s。二者的表达式为：

式中：n是相数；α_k为第k相的体积分数，%；ρ_k为第k相的密度，kg/m³；v_k为第k相的速度，m/s。

根据牛顿第二定律，可得混合物动量守恒方程：

式中：p为压力，Pa；g为重力加速度，m/s²；F为体积力，N/m³；μ_m为混合物黏度，Pa·s；v_dr,k为第k相的漂移速度，m/s；μ_k为第k相的黏度，Pa·s。

根据能量守恒定律得混合物运动需满足的能量守恒方程为：

式中：E_k为第k相的内能，J/kg；λ_eff为有效热传导率，W/(m·K)；T为温度，K；S_E为体积热源相，J/(m³·s)。

根据现场实际气体钻水平井组合参数建立模型，模型长3 m，井眼直径为158.8 mm，钻杆直径为88.9 mm，井底温度为351 K，岩屑密度为2.3 g/cm³，模拟岩屑粒径为0.5~7.0 mm，注气量为50~90 m³/min时的岩屑运移特性。采用六面体单元对所建立模型进行网格划分，图2为钻杆不偏心时的网格划分。

图 2 钻杆不偏心时的水平环空网格划分 Fig.2 Grid of horizontal annulus with zero eccentric distance

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在注气量为50 m³/min的情况下，分别模拟研究粒径0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0和7.0 mm岩屑颗粒的运移，得到不同粒径岩屑颗粒的运移轨迹(见图3)。由图3可知，岩屑颗粒在水平环空以跃移形式为主运移，运移轨迹呈现螺纹状。岩屑颗粒运移轨迹受粒径影响较大，对比粒径1.5和3.0 mm岩屑颗粒的位移(如图4所示)可知，粒径1.5 mm岩屑颗粒第一次的跳跃距离为1.21 m，约是粒径3.0 mm岩屑颗粒第一次跳跃距离(0.82 m)的1.5倍。这是因为岩屑颗粒粒径越大，其重力越大，在同一注气量下，岩屑所受合力方向更偏向于重力方向，导致岩屑轨迹线的螺距更短；而岩屑粒径越小，其重力相对较小，岩屑轨迹线的螺距越长。因此，在实际气体钻水平井过程中，可在近钻头处安装具有研磨功能的井眼净化装置^[22]，再次破碎脱离井底气体难以携带的大颗粒岩屑，形成适合气体携带的小粒径岩屑，提高井眼净化效果。

图 3 不同粒径岩屑颗粒的运移轨迹 Fig.3 Migration trajectories of cuttings with different particle sizes

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图 4 粒径1.5和3.0 mm岩屑颗粒的位移 Fig.4 Displacement of cuttings with diameters of 1.5 mm and 3.0 mm

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选取粒径5.0 mm岩屑，模拟其在注气量为50，70和90 m³/min时的运移情况，结果见图5和图6。由图5可以看出，对于相同粒径的岩屑颗粒，随着注气量增大，岩屑单次跳跃距离增长。分析图6可知，5.0 mm岩屑颗粒在注气量为50 m³/min时第一次的有效运移距离为0.55 m，在注气量为70 m³/min时第一次的有效运移距离为0.90 m，在注气量为90 m³/min时第一次的有效运移距离为1.50 m。可见，提高注气量对于井眼净化有显著效果。在气体钻水平井过程中，岩屑颗粒的粒径较难控制，因此，可以增大注气量来改善水平井井眼净化效果。

图 5 不同注气量下岩屑颗粒的运移轨迹 Fig.5 Migration trajectories of cuttings under different gas injection volumes

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图 6 不同注气量下岩屑颗粒的位移 Fig.6 Displacement of cuttings under different gas injection volumes

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选择注气量为50 m³/min，模拟粒径5.0和7.0 mm岩屑颗粒在钻杆转动时(设定转速为60 r/min)和不转动时的运移情况，结果见图7和图8。由图7可以看出，与钻杆不转动相比，钻杆旋转时，岩屑跳跃距离较长，岩屑的单次跳跃距离增长，运移效率较高。从图8可以看出，在钻杆不动时，7.0 mm岩屑第三次的跳跃距离为0.43 m，在钻杆转动时为0.62 m。这是因为，钻杆转动对环空流场具有一定的扰动作用，增大了环空气体的切向速度，从而改变了岩屑的受力情况，使岩屑颗粒易于被运移。由图4、图6和图8可以看出，与粒径和注气量相比，钻杆转速对岩屑颗粒运移的影响较弱。同时，考虑现场钻井作业时为保证钻井安全，钻杆转速需控制在一定范围内。因此，不能通过大幅提高钻杆转速来提高井眼净化效果。目前，国内外已发明了多种水平井岩屑清除装置，大多是通过装置的特殊结构实现对环空流场的扰动，从而达到清除岩屑的目的。因此，可在钻杆一定位置安装井眼净化工具，提高水平井眼净化效果。

图 7 钻杆转动与不转动时岩屑颗粒的运移轨迹 Fig.7 Migration trajectories of cuttings during the drilling pipe rotating and idling

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图 8 钻杆转动与不转动时粒径7.0 mm岩屑颗粒的位移 Fig.8 Displacements of cuttings with diameter of 7.0 mm during the drilling pipe rotating and idling

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选择注气量为50 m³/min，模拟粒径6.0 mm岩屑颗粒分别在偏心距为0，10 和15 mm情况下的运移情况，结果如图9和图10所示。在气体钻水平井过程中，由于钻杆受重力所造成的偏心环空，会使环空内的气体流速产生差异，致使岩屑颗粒受力情况更为复杂。由图9和图10可知，随着偏心距增大，岩屑颗粒起跳高度和距离都明显减小。对比不同偏心距下岩屑颗粒第二次的跳跃距离可知，偏心距为0，10和15 mm时岩屑的第二次跳跃距离分别为0.55，0.44和0.28 m。因此，随着偏心距增大，岩屑的运移愈发困难，容易在偏心环空处沉积，根据文献^[14]的研究，这是因为钻柱偏心造成了偏心环空的气体流速上高下低。因此，偏心环空不利于水平井的岩屑运移，要提高井眼净化效果，可采用减磨接头、稳定器和变径短节等提高钻杆居中度。

图 9 不同偏心距下岩屑颗粒运移轨迹 Fig.9 Migration trajectories of cuttings at different eccentric distances

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图 10 不同偏心距下岩屑颗粒的位移 Fig.10 Displacements of cuttings at different eccentric distances

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选择注气量为50 m³/min，模拟包含粒径1.0，4.0和7.0 mm岩屑的颗粒群在水平环空中的运移情况，结果见图11。由图11可以看出，岩屑粒径的大小对颗粒群的运移与对单颗粒的运移影响基本一致。在整个颗粒群中，岩屑粒径越小，越靠近整个颗粒群的前段。在整个颗粒群运移的过程中，部分岩屑以跃移形式运移，部分岩屑则在下环空井壁以蠕移形式向前运移。这是因为岩屑颗粒群在运移时存在颗粒与颗粒、颗粒与管壁和井壁的相互碰撞，使部分颗粒失去了再次起跳的能力，只能在下环空壁面蠕移。

图 11 不同时刻岩屑颗粒群位移 Fig.11 Displacement of multi-particle cuttings at different times

图选项

模拟包含1.0，4.0和7.0 mm 3种粒径岩屑的颗粒群在注气量为50，70和90 m³/min时的运移情况。图12为在不同注气量下岩屑颗粒群0.4 s时的位移。由图12可知，注气量对岩屑颗粒群的运移有显著影响，注气量越大，整个颗粒群运移的距离越远，而且岩屑颗粒越容易起跳。

图 12 0.4 s时不同注气量下岩屑颗粒群的位移 Fig.12 Displacements of multi-particle cuttings at different gas injection volumes at 0.4 s

图选项

选择注气量为50 m³/min，模拟包含1.0，4.0和7.0 mm等3种粒径岩屑的颗粒群在钻杆转动(钻杆转速为60 r/min)和不转动时的运移情况。图13为0.4 s时在钻杆不动和钻杆转动的情况下岩屑颗粒群的位移。由图13可知，与钻杆不转动相比，钻杆转动时岩屑的运移距离较远，钻杆的转动对岩屑颗粒群的整体运移有利。

图 13 0.4 s时钻杆转动和不转动情况下岩屑颗粒群的位移 Fig.13 Displacement of multi-particle cuttings during the drilling pipe rotating and idling at 0.4 s

图选项

选择注气量为50 m³/min，模拟包含1.0，4.0和7.0 mm 3种粒径岩屑的颗粒群在偏心距分别为0，10和15 mm情况下的运移情况。图14为0.5 s时不同偏心距的情况下岩屑颗粒群的位移。由图14可以看出，随着偏心距增大，颗粒群整体运移距离缩短，而且颗粒群整体的起跳高度降低。造成这种现象主要的原因是，偏心环空使环空气流速度呈现上高下低分布不均的状态，当颗粒群下落到小环空中时，气流速度降低，颗粒群整体的动能减小，颗粒再次起跳的高度降低。

图 14 0.5 s时不同偏心距下岩屑颗粒群运移位移 Fig.14 Displacements of multi-particle cuttings at different eccentric distances at 0.5 s

图选项

1) 气体钻水平井时，单颗粒岩屑在水平段的运移形式以跃移为主，而岩屑颗粒群则主要以蠕移和跃移2种形式运移。

2) 近钻头处安装具有研磨功能的井眼净化工具，可以重复破碎难以运移的大颗粒岩屑，形成适合气体携带的岩屑粒径分布，提高井眼净化效果。

3) 增大注气量，是提高气体钻水平井井眼净化效果行之有效的办法。

4) 在钻杆适当位置处安装井眼净化工具，实现对水平环空流场较大的扰动，可以达到提高井眼净化效果的目的。

5) 钻柱偏心会使单颗粒岩屑和岩屑颗粒群运移距离变短，跳跃高度变低，影响井眼净化效果。因此，可在钻柱添加减磨接头、稳定器和变径短节，提高钻杆的居中度。