钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究.pdf

石 油天然气学报 江汉石 油学 院学报2 0 1 4 年 5 月 第 3 6 卷 第 5 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I Ma y ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 5 钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究 到I 士慧，闰铁 ，毕雪亮 提高油气采收率教育部重点实验室 东北石油大学 ， 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8 田长 建 中国石油集团 长城钻探工程有限公司井下作业分公司， 北京1 0 0 0 1 2 [ 摘要]考 虑 了气体 溶解度对泡沫状态方程 的影响，建立 了钻 具旋转作用 下的水平 环空岩屑床 厚度预测模 型 ，用于预测不 同钻具旋 转速 度、偏心 度、泡沫 质量和 流速 下的岩屑 床厚度 、岩 屑浓度 和摩擦 压 降；并 利用数值模拟 的方法 ，研 究了钻具 旋转作用下 的岩 屑运 移规律 。研 究 结果表 明，钻具 旋转使 泡 沫流体速 度重新分布 ，有利 于岩屑床的破坏 ，显著 降低环 空中岩屑 浓度 ，大大改善井眼清洁状 况。 [ 关键词] 泡沫钻井 ；钻具旋转 ；岩屑床厚度 ；岩屑运 移；井眼清洁 [ 中图分类号]TE 2 4 2 [ 文献标 志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 O 5 0 0 9 7 0 5 泡沫钻井流体 由于具有密度低、滤失量小 、携岩能力强等特性 ，越来越 多的应用于油 田作业L 1 ] ， 其理论研究也取得了一些有价值 的成果_ 3 ] ，但对 于钻具旋转作用下的泡沫钻井相关 问题研究 尚不多 。 而大量实验和理论研究表明，钻具旋转将引起环空流体速度的重新分布 ，从而影响轴向压降；速度重新 分布同时也对井眼清洁产生显著影响[ 6 叫 。笔者考虑气体溶解度对泡沫状态方程 的影响 ，建立 了钻具 旋转作用下 的泡沫钻井水平环空岩屑床厚度预测模型 ，并利用数值模拟的方法 ，分析钻具旋转对泡沫钻 井 岩 屑运移 的影 响 。 1 钻具旋转作用下的岩屑床厚度模型建立 模型假设条件如下 ①泡沫流变模式符合幂律流变学模式 ；②环空流体为稳态可压缩流动；③不考 虑层间传热 。 1 ． 1 考虑 气体 溶解 度 的泡沫 状 态方 程 根 据 亨利定 律 ，气 体溶解 度 表达式 为 S p K H T 1 其 中 ，亨利 常数 为 ‘ K H c T 一 K H ,T e x p [ c { 一 ] 式 中 s为气体溶解度， mo l ／ m。 ； 户为压力 ， P a ； Kn 丁 为亨利常数 ， mo l ／ m。 P a ； T为温度 ， K； T 。 为标准 温度 ， K； K ． 丁为标准温度下气体的亨利常数 ， 空气标准温度下的亨利常数为 1 ． 3 8 1 0 mo l ／ m。 P a ； C 为温度常数 ， 空气时为 1 3 0 0 K。 忽 略溶 解气 所 引起 的水 的体 积 的改变 ，则 溶解 于水 中的气体 摩 尔数 为 - 一 V w p K H ,J e x p [ c { 一 ] ㈤ 式 中 i 为溶解于水 中的气体的物质的量 ， too l ； V 为水的体积， 1 3 1 。 。 根据理想气体状态方程 ，一定温度、压力下的气体体积为 V 一 ng R T 一 mg R T 4 M g 一 [ 收稿日期]2 0 1 3 1 01 6 [ 基金项目]国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 5 O 2 1 0 0 6 ；国家自然科学基 金项 目 5 1 3 7 4 0 7 7 。 [ 作 者简介]孙士慧 1 9 8 6一 ，女 ，2 0 0 8 年东 北石油大 学毕业 ，博 士生，现主要从事气体钻井 、欠平衡钻井多相流的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 石 油天 然 气工程 2 0 1 4 年 5 月 式中 为气体体积 ， m。 ； 为气体的物质的量 ， mo l ； R为气体常数 ， 8 ． 3 1 4 J ／ mo l K ； m 为气体质量 ， k g ； 为气体摩尔质量 ， k g ／ mo l 。 ， 在压力 P、 温度 T下， 在体积 水中可溶解 t 气体 ， 因此 自由气体物质的量为 一‰。 。 则 自由气体 的体积为 V { m g V p K H ,T s e x p [ c { 一 ] ㈣ 式 中 V 为 自由气体的体积 ，1 “ I 1 。 。 基于泡沫质量的定义，得到考虑气体溶解度的泡沫质量方程 I 1 一 二 二 二 二 二1 二 二 二 ‘ 6 ～{ p K H ,T e x p [ c 亭 一 ] 式 中 r为泡沫质量 ，1 ； ， 为标准状态下气体体积流量 ，m。 ／ s ； 』 0 ， 。 为标准状态下的气体密度 ，k g ／ m。 ； Q 为液体体积流量 ，I n 。 ／ s 。 1 ． 2 临界 压 降 泡沫携岩实验结果u 表明，岩屑床 的形成与井筒几何形状 、泡沫质量、钻具旋转速度等多因素有 关，并且各因素相互影响。因此 ，形成岩屑床时的临界压降可表示为 d p c 厂p f f f 7 式 中 、 、 厂 、 ， r、 厂 g 。 分别 为 与泡 沫质量 、压 力 、温度 、温 度压 力关 系 、井筒 几何 尺寸 有关 的函 数； 为与钻具旋转速度有关 的系数 ，用来表征井眼尺寸、钻具偏心度、流体速度等参数对钻具旋转的 影 响 。 一 c 。 ． 7 5 e 。 ． 4 -- O ． 。 罢 2 ． 7 。 9 吴 一 。 ． 3 1 。 ] c 8 式中 叫为钻具旋转速度 ， r ／ mi n ； e 为钻具偏心度 ； D为井筒直径 ， n l ； d 。 为钻具外径 ， r n ； 为与泡沫表观 速度 有关 的系数 。 根据泡沫状态方程 ，考虑气体溶解于水产生 的质量变化 ，泡沫表观速度为 ． Q g’ 一 Q n x p [ c 1 一 1 ] 一 一 l -厂 r一 1 o 6 5 一0 ． 8 7 4 ff g “一 1 ． 5 6 4 。 3 6 ． 2 3 2 F一 1 0 ． 6 ≤ I 1 0 ． 7 ．8 l 9 5 10 4． 5 [ 1 ～ ] F -- 0 ．6 5 0． 7 ≤ r 6 8 9 5 0 o 2 一 ⋯ 式中 p f 为泡沫密度 ， k g ／ m。 ； k为流体稠度系数 ， P a s ； 忌 为低压、 低温下 的流体稠度系数 ， P a s 。 f g 。一 1 7 ． 4 2 D d 。 ‘ 一 卜。 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 5 期 孙士慧 等 钻具旋转对泡 沫钻 井岩屑运移规律影响的研究 式 中 n为流 体流 型指 数 ，1 。 1 ． 3 真 实压 降 存在岩屑床的真实压降，计算方法采用有效直径法或修正的 E x l o g法 一 4 k Dh y a 1 5 1 6 D ． 1 7 G 塾 ， b 一 z 一 [ 一 ] 专 ㈣ y 一 0 ． 37 2 O 式 中 为泡沫的真实速度 ， m／ s ； Dn y d 为环空的水力直径 ， m； D 为环空的有效直径 ， r。n ； A r 为流体流动面 积 ， 1T I ； L 。 、 L 。 、 L 分别为井筒、 钻具和岩屑床的湿周 ， m。 1 ． 4 岩屑床厚度的计算 应用上述模型可计算钻具旋转作用下的岩屑床厚度 。假设一个岩屑床厚度 h ， 计算环空几何尺寸及 泡沫流速 ， 代入式 1 5 得到泡沫流体沿井筒的真实压降 ， 将式 1 5 计算的真实压降与式 7 计算的临界压 降进行 比较 ， 如果两者差值的绝对值大于规定误差 ， 则改变岩屑床厚度 h ， 重复上述过程 ， 直至收敛为止 。 当两个压降满足收敛条件时 ， 即可得到岩屑床的厚度值 h 。 2 岩屑床厚度模型的实例分析 泡沫流速为 0 ． 9 m／ s ，环空偏心度为 0 ． 8 ，应用上述模 型，分别得到不同泡沫质量下 ，水平环空中 无量纲岩屑床厚度 ／ D 、岩屑浓度 C 岩 屑浓度为环 空中岩屑所 占的体积分数 。可由岩屑床厚度和井 眼尺寸得到，具体算法文献 E 5 ，1 3 ]中均有介绍 ，因已知岩屑床厚度 ，岩屑浓度是个很简单 的计算 ， 所 以没 有赘 述其 计 算过 程 和摩 擦压 降 △ 随钻具 旋转 速度 的变 化 图 ，如 图 1 、2 、3 所 示 。 嗵 瓶 鞣 咖 3 0 ． 6 O 9 O 转速／ r m i n 图 1 不 同泡沫质量及不 同钻具旋转 速度下的 岩 屑床厚度变化 图 逞 哩 3 9 6 O 9 O 转速／ r m i n 图 2不 同泡沫质量及不 同钻具旋转速度下的 岩屑浓度变化 图 从图 1 、2可以看出，相同泡沫质量下 ，随着钻具旋转速度 的增加 ，岩屑床厚度降低 ，岩屑浓度随 之降低。钻具旋转速度从 0增加至 1 2 0 r ／ mi n ，泡沫质量为 0 ． 7时 ，岩屑浓度从 3 3 ． 5 ％降至 2 O ％，岩屑 浓度相对降低了 4 0 ． 3 ， ；泡沫质量为 0 ． 8时，岩屑浓度从 3 1 ． 1 降至 1 8 ． 7 ％，岩屑浓度相对降低了 ∞ 踮 ∞ 加 0 8 7 6 5 4 3 2 l O 0 O O O 0 O O O ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 5期 孙士慧 等钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究 轴 向速 度 改变 对井 筒 内岩屑 的运 移 可产 生积极 影 响 。 由于在水 平环 空 中 ，岩 屑容 易在 钻具 旋转 方 向 相反一侧聚集 ，因此该侧的岩屑床厚度要高于另一侧。最大轴向速度核向钻具旋转相反方向偏移 ，将显 著提高泡沫流体 的携岩效率 ，有利于破坏岩屑床 ，促进井眼净化。 4 结论 1 基于亨利定律 ，考虑气体溶解度对泡沫状态方程 的影响，建立 了钻具旋转作用下 的泡沫钻井水 平偏心环空岩屑床厚度预测模型；模型计算结果表明，钻具旋转不仅可以显著降低泡沫钻井水平偏心环 空 中的岩屑浓度，改善井眼清洁情况 ，而且能明显降低摩擦损耗 ，有利于钻井液当量循环密度的控制 。 2 数值模拟表明，当环空中存在岩屑床时 ，钻具旋转引起环空切线方向的二次 回流，二次 回流使 泡沫流体轴 向速度核偏移 方向与旋转方向相反 ，并且对岩屑床的破坏产生积极的效果 ，可大大改善井眼 清 洁状 况 。 3 钻具旋转对井眼清洁有积极作用 ，影响压降大小与注气量的大小 ，泡沫钻井设计中应考虑钻具 旋转 的影 响 。 ． [ 参考文献] [ 1 ]S h i r k a v a n d F，Ha r e l a n d G， l e i c h r o b R， e t a 1 ． Op t i mi z e d f o a m d r i l l i n g i mp r o v e s d r i l l i n g p e r f o r ma n c e i n I r a n i a n Ca r b o n a t e F i e l d s[ J ]． S PE1 1 4 0 57 ． 2 0 0 8 ． [ 2 ]S e p v l v e d a J J ，F Al a n a O M，K a k a d j i a n ， e t a 1 ． Oi l b a s e d f o a m a n d p r o p e r u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g p r a c t i c e s i mp r o v e d r i l l i n g e f f i c i e n c y i n a d e e p g u l f c o a s t we l l E J ]． S P E 1 1 5 5 3 6 ，2 0 0 8 ． [ 3 ]张小 宁，姜风光 ．泡沫在连续管螺旋管段 内流动的压降数值模拟 [ J ]．石油钻采工艺 ，2 0 1 1 ，3 3 6 5 ～8 ． [ 4 ]汪志明，洪 玉奎 ．泡沫质量和环空返速对泡沫携岩能力影响 的数值模拟 口]．石油钻采工艺 ，2 0 0 8 ，3 0 3 3 4 ～3 7 ． [ 5 ]Z h u C ．C u t t i n g s t r a n s p o r t wi t h f o a m i n h o r iz o n t a l in h o r i z o n t a l c o n c e n t r i c a n n u l u s u n d e r e l e v a t e d p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n s [ D ]．Ok l a h o ma T h e Un i v e r s i t y o f Tu l s a ，2 0 0 5 ． [ 6 ]L o c k t t T J ，R i c h a r d s o n S M，Wo r r a k e r W J ．Th e i mp o r t a n c e o f r o t a t i o n e f f e c t s f o r e f f i c i e n t c u t t i n g s r e mo v a l d u r i n g d r i l l i n g[ J ]． S P E ／ I AD C 2 5 7 6 8 ， 1 9 9 3 ． [ 7 3 Al f r e d o R，S a n c h e z J J ．E f f e c t O f d r i l l p i p e r o t a t i o n o n h o l e c l e a n i n g d u r i n g d i r e c t i o n a l we l l d r i l l i n g[ J ]． S P E 5 6 4 0 6 ，1 9 9 9 ． [ 8 ]袁照勇 ．水平井环空泡沫携岩屑流动规律研究 [ D]．东 营中国石油 大学 华东 ，2 0 0 9 ． [ 9 ]杨虎 ，酃捷 年 ．泡 沫钻井 流体环 空携岩能力的影 响因素 『 J ]．石油钻探 技术，2 0 0 3 ，3 1 5 4 9 5 2 ． [ 1 0 ]李明 ，汪志明 ．钻柱旋转对大位移井井眼净化影响规律 的研究 [ J ]．石油机械 ，2 0 0 9 ，3 7 1 2 3 4 ～3 7 ． [ 1 1 ]燕 修良 ，步玉环 ．水平 井段 泡沫流体 瞬态携 屑数值模拟研究_ J ] ．钻井液 与完井液 ，2 0 1 1 ，2 8 2 2 4 ～2 8 ． [ 1 2 ]Ch e n z ，Mi s k a S ． E x p e r i me n t a l s t u d y o n c u t t in g s t r a n s p o r t wi t h f o a m u n d e r s i mu l a t e d h o r i z o n t a l d o wn h o l e c o n d i t i o n s E J ] ． S PE9 9 2 0 1， 2 0 0 7 ． [ 1 3 ]Z a mo r a M，L o r d D I P r a c t i c a l a n a l y s i s o f d r i l l i n g mu d f l o w i n p i p e s a n d a n n u l i[ J ]． S P E 4 9 7 6 ，1 9 7 4 ． [ 编辑] 黄鹂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m