Acoustic Advance Ranging Method in Gas Drilling and Its Numerical Simulation
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摘要:
气体钻井的安全性受储层地质条件影响明显，在钻井过程中，受气体所产生噪声影响，地层反射信号识别难度大。为提高探测准确度，降低气体钻井过程中钻头前方岩性界面的不确定性，设计了近钻头随钻冲击震源短节，基于地震波自激自收原理，提出了一种适用于气体钻井的声波超前测距方法。通过冲击试验分析聚四氟乙烯对振动尾波的衰减效果，通过数值模拟验证气体钻井声波超前测距方法的可行性，分析探测距离对反射波振幅的影响。冲击试验表明，使用聚四氟乙烯后空心圆柱上振动尾波衰减显著。数值模拟结果表明，PML边界条件可有效消除模型边界反射的干扰，利用反射纵波信号到达时间所计算测距的误差为1 m。随着探测距离增大，反射纵波相对强度逐渐增大，反射波振幅显著降低。研究结果验证了近钻头冲击震源探测钻头前方岩性界面的可行性，为气体钻井随钻声波超前探测技术的发展提供了新思路。
Abstract:The safety of gas drilling is greatly influenced by local geological conditions of reservoirs. It is difficult to identify formation reflection signals in gas drilling due to the influence of noise generated from gas. Therefore, a near-bit impact source sub while drilling was designed, and a method of acoustic advance ranging for gas drilling was proposed on the basis of the self-excitation and self-reception principle of seismic waves. In this way, measurement accuracy could be raised, and the uncertainty of lithological interfaces ahead of the bit could be reduced. Specifically, the attenuation effect of polytetrafluoroethylene (PTFE) on vibration coda waves was analyzed through an impact test; the feasibility of the acoustic advance ranging method in gas drilling was verified through numerical simulations, and the influence of detection distance on the amplitude of reflected waves was analyzed. The impact test revealed that the coda waves of vibration waves on the hollow cylinder were significantly attenuated upon the use of PTFE. Numerical simulations indicated that the boundary conditions of a perfectly matched layer (PML) can effectively eliminate the interference of boundary reflection of the model, and the ranging error calculated from the arrival time of reflected P-waves was 1 m. In addition, the relative intensity of reflected P-waves shows a gradual increase, and the amplitude of reflected waves decreases greatly as the increase in detection distance. The research results verify the feasibility of detecting lithological interfaces ahead of the bit by near-bit impact sources and provide a new idea for the development of acoustic advance detection technology while drilling in gas drilling.
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Keywords:
- gas drilling /
- near-bit /
- impact source /
- advance detection /
- lithological interface
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目前，海上油气井防砂时广泛应用金属网布筛管[1–3]。随着筛管服役时间增长，生产流体携带砂砾进入金属网布筛管，砂砾逐渐堵塞挡砂网布，在筛管金属网布局部形成流速“热点”。在“热点”处，金属网受到砂砾剪切冲蚀效应[4–5]，易发生筛网穿孔失效情况，造成挡砂介质失效，给油气井后期生产带来安全隐患。
国内外学者针对筛管冲蚀开展了大量室内试验研究[6]。G. Gillespie等人[7]通过室内试验，研究了筛管在不同流速下的冲蚀速率，进行了筛管寿命预测，并根据不同工况推荐不同类型筛管，以延长其使用寿命。刘永红等人[8]以割缝筛管为研究对象，考虑砂砾质量分数、粒径、流速及冲击角度等因素的影响，进行了室内冲蚀试验，根据试验结果拟合了冲蚀速率预测模型，但预测结果与实际情况的吻合度不高。邱浩等人[9]在大量室内试验数据基础上，结合现场数据拟合出冲蚀损坏评价指标，预测筛管冲蚀寿命，但该方法需要大量现场数据，现场实施难度较大。总的来看，室内试验多以小型试样为研究对象，忽略了筛管整体结构的复杂性，导致误差偏大。为反映筛管整体结构对筛管冲蚀寿命的影响，采用有限元数值模拟方法预测筛管寿命。王志坚等人[10]采用有限元方法模拟了固液两相流对筛管保护罩的冲蚀，分析了入口流速、砂砾直径、砂砾含量对保护罩冲蚀的影响。M. Parsi等人[11]利用流体动力学数值模拟模型，研究了流速对筛管冲蚀速率的影响。蒋晓斌等人[12]建立了冲缝筛管有限元模型，分析了临界冲蚀流速、排量、出砂量对冲缝筛管壁面冲蚀速率的影响。Yan Wei等人[13]建立了筛管冲蚀预测寿命模型，并通过试验验证了冲蚀寿命预测模型的准确性。Deng Fucheng等人[14]基于神经网络建立了筛管冲蚀寿命预测模型，研究了压差、粒径、流体黏度等对筛管冲蚀寿命的影响。翟晓鹏等人[15]采用Fluent建立了局部筛管三维模型，预测了筛管冲蚀寿命。目前的研究主要考虑砂砾粒径、速度等因素对筛管冲蚀的影响，数值模拟的几何维度都是厘米和毫米级的，跟实际筛管尺寸相比，误差较大。
笔者采用Fluent 离散相模型（DPM）模拟颗粒流动（Fluent-DPM）的方法，建立了考虑金属网布筛管外层保护罩和内层筛网混合结构的三维仿真砂砾冲蚀数值模拟模型，与室内冲蚀率试验结果进行对比，验证了数值模拟的准确性。在此基础上，分析了筛管结构和流速对金属网布筛管冲蚀寿命的影响，为油井全寿命周期安全防砂提供了理论支持。
1. 金属网布筛管冲蚀寿命预测模型
1.1 有限元物理模型
常规金属网布防砂筛管的结构从外向内包括保护罩、过滤金属网和基管等部分，根据筛管结构，建立了筛管有限元模型（见图1）。筛网防砂过程中，地层流出的砂砾随着油水混合物进入环空，再从环空进入保护罩，从保护罩进入筛网。因为筛管外层保护罩的影响，过流面积减小，携带砂砾流体的流速升高。受筛网阻挡反弹作用，部分颗粒撞击切削筛网，造成筛网损坏，引起筛管防砂失效。基于该作用原理，建立了包括金属网布筛管外层保护罩和内层筛网混合结构的三维仿真砂砾冲蚀数值模拟模型，模拟砂砾冲蚀筛管过程。模型计算中的模拟条件为：颗粒流动采用无滑移壁面条件；冲蚀速率计算采用Simple数值算法；流体流态模拟采用Realizable κ−ε湍流模型。
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图 1 三维金属网布筛管冲蚀有限元模型Figure 1. 3D finite element erosion model of metal mesh screen pipe1.2 筛管结构冲蚀速率的求解方法
砂砾冲蚀筛管过程可以看作颗粒流在流体作用下的流固耦合问题[16–17]。砂砾运动采用颗粒运动方程，并将砂砾看作离散相。离散相冲蚀速率的求解包括：1）计算连续相的流场；2）通过运动方程计算颗粒轨迹；3）根据冲蚀模型计算冲蚀速率。
∂ρ∂t+ρ∂uj∂xj=0 (1) 计算过程中的动量方程为：
∂ui∂t+uj∂ui∂xj=−1ρ∂p∂xi+v∂2ui∂x2j+fm (2) 式中：ρ为流体密度，kg/m3；ui和uj为流体流速，m/s；p为压力，Pa；xi和xj为流场坐标；fm为质量力，N；下标i代表x方向，j代表y方向。
砂砾冲蚀筛网过程中冲击角度随机变化。颗粒冲击过程中冲击角度与冲击−反弹系数的关系表示为[20–22]：
f(α)eN = 0.993−0.037α+4.75×10−4α2−2.61×10−6α3 (3) f(α)eT = 0.988−0.029α+6.43×10−4α2−3.56×10−6α3 (4) 式中：f(α) eN为冲蚀角法向冲击−反弹系数；f(α)eT 为冲蚀角切向冲击−反弹系数；α为冲蚀角，（°）。
由于冲蚀角度随机变化，筛管冲蚀速率也会随机变化。考虑流体流速、颗粒质量分数、冲蚀角和冲蚀面积对冲蚀速率的影响，得冲蚀速率的计算公式：
Er = CpvpnAff(α) (5) 式中：Er为筛管结构冲蚀速率，kg/（m2·h）；f(α)为冲蚀角的影响函数；vp为颗粒冲击速度，m/s；n为速度指数；Af为冲蚀面积，m2；Cp为颗粒质量分数。
可利用冲蚀速率预测冲蚀寿命[23–26]。数值模拟计算时，流体入口边界为保护罩外界面，出口边界为筛管中心的自由边界；砂砾离散相与接触筛网之间的边界条件为弹性反弹。
1.3 筛管冲蚀寿命的预测
以筛管整体质量损失率作为筛管失效的判定准则。通过三维有限元冲蚀模型进行筛管结构的冲蚀模拟，得到保护罩、筛网、基管等部分的质量损失率，当质量损失率符合筛管失效的判定准则时，认为筛管失效，此时的冲蚀时间就是筛管冲蚀寿命。根据筛管失效的判定准则，当筛管质量损失率达到5%时，即认定筛管防砂失效[27]。
2. 冲蚀速率数值模拟研究
利用所建立的三维筛管结构有限元模型，模拟不同因素对筛管冲蚀造成的影响。筛管有限元数值模型参数为：筛管长度20.0 cm，筛管外径88.9 mm，筛管孔径120 μm，密度7 980 kg/m3，砂砾粒径分布范围20～120 μm，砂砾密度2 300 kg/m3。
2.1 筛管结构对冲蚀流速的影响
地层出砂时，颗粒首先进入筛管保护罩，然后沿着保护罩侧面流道进入网孔，流道变窄逐渐加速，最后进入基管并沿主流方向流出。单个颗的粒运动轨迹具有较大的随机性，群体颗粒轨迹沿主流方向。流体从保护罩流入筛管的流速为入口流速，设定入口流速分别为0.50，1.00，1.50，2.00和2.50 m/s，颗粒质量分数0.3%保持不变，筛网挡砂精度为120 μm，分析筛管结构对冲蚀流速的影响。
入口流速为1.50 m/s时，流体通过保护罩、第一层筛网和第二层筛网速度的分布如图2所示。从图2可以看出，第一层筛网和第二层筛网相应位置上的冲蚀流速明显升高；保护罩上的冲蚀流速较低。为了进一步观察不同入口流速下筛管各个结构的流速分布，模拟入口流速分别为0.50，1.00，1.50，2.00和2.50 m/s时，流体流经保护罩（入口流速）、第一层筛网和第二层筛网时的速度，结果如图3所示。由图3可以看出：1）第一层筛网和第二层筛网的流速远大于入口流速，第二层筛网的流速大于第一层筛网；2）入口流速为2.50 m/s时，第一层筛网的最大流速为入口流速的8.7倍，且随着入口流速增大，流速呈不断升高的趋势。
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图 2 流速1.50 m/s流体通过筛管各结构的流速Figure 2. Flow velocity of fluid passing through of different structures of screen pipe at a flow velocity of 1.50 m/s![]()
图 3 不同入口流速下金属网布筛管各结构的流速分布Figure 3. Flow velocity distribution of different structures of metal mesh screen pipe at various inlet flow velocities流体在第一层筛网和第二层筛网的流速远大于入口流速（保护罩流体）的原因是，保护罩结构使流体过流面积减小。相同流量下，流体通过保护罩之后，到达筛网上流体的流速升高。由此可见，保护罩结构形状是影响筛网过流流速的主要因素。随着入口流速增大，筛网上的冲蚀速度明显增大，筛网破坏程度加剧，第一层金属筛网是金属网布防砂筛管的主要挡砂部件，也是冲蚀破坏的热点集中区域。流体流过保护罩形成高速流体的冲蚀近似冲击破坏，形成了射流效应，能够在短时间内破坏筛网。
2.2 流速对冲蚀速率的影响
利用所建立的三维筛管结构有限元模型，分析不同流速下筛管各结构的冲蚀率。在流速1.50 m/s下，流体通过保护罩、第一层筛网和第二层筛网时冲蚀速率的分布如图4所示。从图4可以看出，第一层筛网和第二层筛网相应位置的冲蚀速率明显增大，保护罩上的冲蚀速率较小。
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图 4 流速1.50 m/s下筛管各结构的冲蚀速率分布Figure 4. Erosion rate distribution of different structures of screen pipe at a flow velocity of 1.50 m/s为了进一步观察不同入口流速下筛管各结构的流速分布，设入口流速分别为0.50，1.00，1.50，2.00和2.50 m/s，颗粒质量分数为0.3%保持不变，筛网挡砂精度为120 μm。计算得到不同流速下保护罩、第一层筛网和第二层筛网的冲蚀速率，如图5所示。从图5可以看出：流速小于1.00 m/s时，保护罩、第一层筛网和第二层筛网模拟预测的冲蚀速率相当；随着流速升高，第一层筛网的冲蚀速率大于第二层筛网，大于保护罩。这是因为，数值模拟过程中砂砾经过保护罩的节流面时，流速比初始入口流速有所增大，因此冲蚀速率也有所增大。冲蚀速率增大的位置与前面所做的筛管各结构上流速高的位置对应。可见，流体流经筛管各结构的流速与冲蚀速率呈正比。
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图 5 不同入口流速下筛管各结构的冲蚀速率Figure 5. Erosion rate of different structures of screen pipe at different inlet flow velocities分析金属网布筛管的数值模拟结果可以进一步发现，冲蚀速率最大的位置位于保护罩流入通道交错处所对应第一层筛网的位置，在该区域由于流入通道对流体流动方向的改变，导致该区域流体速度升高，从而导致了冲蚀速率增大。流速小于1.00 m/s时，保护罩、第一层筛网和第二层筛网的冲蚀速率接近。因此，确定冲蚀破坏的临界流速为1.00 m/s。
3. 金属网布筛管冲蚀试验
为了进一步验证模型的合理性，并分析冲蚀试验的冲蚀速率和数值模拟冲蚀速率之间的差异，利用自研的冲蚀试验装置，开展了不同冲蚀条件下金属网布试样的室内冲蚀试验。冲蚀试验装置包括混砂系统、隔膜混输泵、冲蚀主体装置和测量系统等（见图6）。
冲蚀试样由保护罩和筛管两部分组成，试样从筛管上切割。筛网精度120 μm，筛网试样为圆形，直径为2.0 cm。砂砾粒径为20～120 μm，颗粒质量分数为0.3%，流速分别为0.50，1.00，1.50和2.00 m/s，每个流速测试100 h，计算得到不同流速下的冲蚀速率，并与数值模拟结果进行对比。
根据试验结果，拟合得到流速、颗粒质量分数等因素作用下金属网布筛管试验冲蚀速率的计算方程：
Er,e=6.5×10−2Cpv1.46pf(α) (6) 式中：Er,e为试验冲蚀速率，mg/（m2·h）；冲蚀角α默认取值90°。
根据前面的金属网布筛管冲蚀模型，得到冲蚀速率数值模拟结果，见表1。
表 1 不同流速下金属网布的冲蚀速率Table 1. Erosion rate of metal mesh at different flow rates流速/
（m·s−1）试验冲蚀速率/
（mg·m−2·h−1）数值模拟冲蚀速率/
（mg·m−2·h−1）0.50 0.006 5 0.006 4 1.00 0.018 0 0.018 5 1.50 0.029 6 0.045 9 2.00 0.050 3 0.087 5 从表1可以看出，随着流速升高，试验冲蚀速率与数值模拟冲蚀速率的差值明显增大。下面分析二者产生差值的内在原因。
根据前面的数值模拟结果，冲蚀破坏的临界流速是1.00 m/s。从图5可以看出，流速小于1.00 m/s时，保护罩、第一层筛网和第二层筛网的冲蚀速率接近。冲蚀试验结果表明，流速小于1.00 m/s，数值模拟预测的冲蚀速率与试验冲蚀速率相当；也验证了流速小于1.00 m/s时，冲蚀速率受筛管结构的影响小。数值模拟结果表明，随着流速升高，数值模拟预测筛管各结构的冲蚀速率变化较大，与试验相比，数值模拟预测值比实验值偏大。这是因为，数值模拟过程中砂砾经过保护罩的节流面时，流速比初始入口流速有所升高，由于室内模拟试验的元件较小，室内物理模拟试验很难模拟流速升高的状况，难以形成整体筛管在冲蚀作用下流速升高的效果；数值模拟方法则能清楚看出结构元件在流速升高后的破坏情况，因此数值模拟得到的冲蚀速率大于试验冲蚀速率。对于结构复杂的筛管，采用数值模拟分析其冲蚀速率具有独特的优势。
4. 现场应用
渤海秦皇岛X油田有8口采油井在生产过程中出现了严重的出砂问题，其防砂方式均为金属网布筛管防砂，筛管挡砂精度为120 μm。生产一段时间后，由于井口产出液携带了大量砂砾，说明井下筛管的完整性遭到破坏，导致筛管不能有效阻挡地层砂。8口采油井的部分生产参数见表2。
表 2 出砂井的生产参数Table 2. Production parameters of sand-production wells井号 井眼直径/
mm每米采油量/
（m3·d−1·m−1）平均流速/
（m·s−1）J10H 152.4 2.24 0.71 I02H 152.4 1.10 0.35 J23H 152.4 4.95 1.57 H01H1 152.4 1.89 0.60 H20H 177.8 5.70 1.33 I22H 177.8 2.49 0.58 J34H 177.8 4.12 0.96 J08H 177.8 2.92 0.68 综合分析8口出砂油井的实钻测井解释结果及投产以来的动态生产数据发现，8口出砂油井最小流速0.35 m/s，最大流速1.57 m/s，平均流速0.85 m/s。生产过程中产生了冲蚀效应，最终导致井下筛管发生了冲蚀破坏。
利用防砂筛管的基础数据及流速数据，建立了相应的筛管有限元物理模型，并导入有限元求解器，进行了筛管冲蚀数值模拟，得到对应生产条件下井下筛管的平均冲蚀速率；结合筛管失效判定准则，进行了出砂采油井筛管冲蚀寿命预测。不同流速下8口井数值模拟预测的寿命和实际监测的筛管寿命如图7所示。
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图 7 出砂油井筛管预测寿命和实际寿命Figure 7. Predicted and actual life of screen pipe in sand-production oil wells从图7可以看出：8口生产井预测的筛管寿命与实际监测寿命基本一致，相对误差在10.5%以内，预测准确率为89.5%，满足实际工程应用的精度要求，进一步验证了基于数值模拟预测金属网布筛管冲蚀寿命的可行性。
5. 结 论
1）建立了全尺寸三维金属网布筛管Fluent-DPM冲蚀有限元数值模拟模型，分析了流速对冲蚀速率的影响。数值模拟结果与试验结果基本吻合，说明该方法预测冲蚀速率的可行性。
2）金属网布筛管保护罩结构形状是影响筛网过流流速的主要因素。第一层金属筛网是金属网布筛管冲蚀破坏的集中点，由于保护罩的影响，流体通过第一层筛网的流速和冲蚀速率相比入口处都显著增加。
3）利用数值模拟模型预测的金属网布筛管冲蚀寿命，与现场数据相比，准确率约为89.5%，说明可以采用该模型预测金属网布筛管的冲蚀寿命。可以根据模拟结果进行生产参数优化，延长金属网布筛管的使用寿命。
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图 2 冲击震源短节结构示意
1. 上接头；2. 花键接头；3. 台阶；4. 内套筒；5. 锥形螺纹a；6. 弹簧；7. 外套筒；8. 滑块；9. 高性能磁钢；10. 短节本体；11. 下接头；12. 聚四氟乙烯圆筒A；13. 传动螺纹；14. 变径接箍；15. 聚四氟乙烯圆筒B；16. 锥形螺纹b
Figure 2. Structure of the impact source sub
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图 6 使用PML边界条件后的三维波场快照
Figure 6. 3D wavefield snapshots after using PML boundary conditions
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图 7 有限差分和实轴积分波形对比
Figure 7. Comparison of finite-difference and real-axis integral waveforms
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图 10 钻铤内距钻铤底界面2 m处所接收波形
Figure 10. Waveforms received at places 2 m away from bottom interface within a drill collar
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图 12 探测距离与相对强度之间的关系
Figure 12. Relationship between detection distance and relative intensity
表 1 计算模型中不同介质的参数
Table 1 Parameters of different media in the calculation model
介质类型 纵波速度/（m·s−1） 横波速度/（m·s−1） 密度/（kg·m−3） 纵波品质因子 横波品质因子 外半径/m 钻铤 5 860 3 130 7 850 10 4 0.09 空气 380 0 20 0.12 砂岩 3 563 2 354 2 650 90 60 1.00 泥岩 2 600 1 700 2 200 60 35 1.00 
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