鉆具旋轉(zhuǎn)對(duì)泡沫鉆井巖屑運(yùn)移規(guī)律影響的研究

孫士慧，閆鐵，畢雪亮 （提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （東北石油大學(xué)），黑龍江 大慶 163318）

田長(zhǎng)建 （中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，北京 100012）

鉆具旋轉(zhuǎn)對(duì)泡沫鉆井巖屑運(yùn)移規(guī)律影響的研究

孫士慧，閆鐵，畢雪亮 （提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （東北石油大學(xué)），黑龍江 大慶 163318）

田長(zhǎng)建 （中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，北京 100012）

考慮了氣體溶解度對(duì)泡沫狀態(tài)方程的影響，建立了鉆具旋轉(zhuǎn)作用下的水平環(huán)空巖屑床厚度預(yù)測(cè)模型，用于預(yù)測(cè)不同鉆具旋轉(zhuǎn)速度、偏心度、泡沫質(zhì)量和流速下的巖屑床厚度、巖屑濃度和摩擦壓降；并利用數(shù)值模擬的方法，研究了鉆具旋轉(zhuǎn)作用下的巖屑運(yùn)移規(guī)律。研究結(jié)果表明，鉆具旋轉(zhuǎn)使泡沫流體速度重新分布，有利于巖屑床的破壞，顯著降低環(huán)空中巖屑濃度，大大改善井眼清潔狀況。

泡沫鉆井；鉆具旋轉(zhuǎn)；巖屑床厚度；巖屑運(yùn)移；井眼清潔

泡沫鉆井流體由于具有密度低、濾失量小、攜巖能力強(qiáng)等特性，越來越多的應(yīng)用于油田作業(yè)［1，2］，其理論研究也取得了一些有價(jià)值的成果［3～5］，但對(duì)于鉆具旋轉(zhuǎn)作用下的泡沫鉆井相關(guān)問題研究尚不多。而大量實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，鉆具旋轉(zhuǎn)將引起環(huán)空流體速度的重新分布，從而影響軸向壓降；速度重新分布同時(shí)也對(duì)井眼清潔產(chǎn)生顯著影響［6～11］。筆者考慮氣體溶解度對(duì)泡沫狀態(tài)方程的影響，建立了鉆具旋轉(zhuǎn)作用下的泡沫鉆井水平環(huán)空巖屑床厚度預(yù)測(cè)模型，并利用數(shù)值模擬的方法，分析鉆具旋轉(zhuǎn)對(duì)泡沫鉆井巖屑運(yùn)移的影響。

1 鉆具旋轉(zhuǎn)作用下的巖屑床厚度模型建立

模型假設(shè)條件如下：①泡沫流變模式符合冪律流變學(xué)模式；②環(huán)空流體為穩(wěn)態(tài)可壓縮流動(dòng)；③不考慮層間傳熱。

1.1 考慮氣體溶解度的泡沫狀態(tài)方程

式中：Vg為氣體體積，m3；ng為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為氣體常數(shù)，8.314J／（mol·K）；mg為氣體質(zhì)量，kg；Mg為氣體摩爾質(zhì)量，kg／mol。

在壓力p、溫度T下，在體積Vw水中可溶解nsol氣體，因此自由氣體物質(zhì)的量為ng－nsol。則自由氣體的體積為：

式中：Γ為泡沫質(zhì)量，1；Qg，s為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體體積流量，m3／s；ρg，s為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度，kg／m3；QL為液體體積流量，m3／s。

1.2 臨界壓降

泡沫攜巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果［12］表明，巖屑床的形成與井筒幾何形狀、泡沫質(zhì)量、鉆具旋轉(zhuǎn)速度等多因素有關(guān)，并且各因素相互影響。因此，形成巖屑床時(shí)的臨界壓降可表示為：

式中：n為流體流型指數(shù)，1。

1.3 真實(shí)壓降

式中：vf為泡沫的真實(shí)速度，m／s；Dhyd為環(huán)空的水力直徑，m；Deff為環(huán)空的有效直徑，m；Af為流體流動(dòng)面積，m2；Lo、Li、Lb分別為井筒、鉆具和巖屑床的濕周，m。

1.4 巖屑床厚度的計(jì)算

應(yīng)用上述模型可計(jì)算鉆具旋轉(zhuǎn)作用下的巖屑床厚度。假設(shè)一個(gè)巖屑床厚度hs，計(jì)算環(huán)空幾何尺寸及泡沫流速，代入式（15）得到泡沫流體沿井筒的真實(shí)壓降，將式（15）計(jì)算的真實(shí)壓降與式（7）計(jì)算的臨界壓降進(jìn)行比較，如果兩者差值的絕對(duì)值大于規(guī)定誤差，則改變巖屑床厚度hs，重復(fù)上述過程，直至收斂為止。當(dāng)兩個(gè)壓降滿足收斂條件時(shí)，即可得到巖屑床的厚度值h。

2 巖屑床厚度模型的實(shí)例分析

泡沫流速為0.9m／s，環(huán)空偏心度為0.8，應(yīng)用上述模型，分別得到不同泡沫質(zhì)量下，水平環(huán)空中無量綱巖屑床厚度h／D、巖屑濃度Cc（巖屑濃度為環(huán)空中巖屑所占的體積分?jǐn)?shù)?？捎蓭r屑床厚度和井眼尺寸得到，具體算法文獻(xiàn) ［5，13］中均有介紹，因已知巖屑床厚度，巖屑濃度是個(gè)很簡(jiǎn)單的計(jì)算，所以沒有贅述其計(jì)算過程）和摩擦壓降Δp隨鉆具旋轉(zhuǎn)速度的變化圖，如圖1、2、3所示。

圖1 不同泡沫質(zhì)量及不同鉆具旋轉(zhuǎn)速度下的巖屑床厚度變化圖

圖2 不同泡沫質(zhì)量及不同鉆具旋轉(zhuǎn)速度下的巖屑濃度變化圖

從圖1、2可以看出，相同泡沫質(zhì)量下，隨著鉆具旋轉(zhuǎn)速度的增加，巖屑床厚度降低，巖屑濃度隨之降低。鉆具旋轉(zhuǎn)速度從0增加至120r／min，泡沫質(zhì)量為0.7時(shí)，巖屑濃度從33.5%降至20%，巖屑濃度相對(duì)降低了40.3%，；泡沫質(zhì)量為0.8時(shí)，巖屑濃度從31.1%降至18.7%，巖屑濃度相對(duì)降低了39.9%；泡沫質(zhì)量為0.9時(shí)，雖然高泡沫質(zhì)量下的巖屑濃度很低，鉆具旋轉(zhuǎn)仍能降低巖屑濃度。巖屑濃度降低可有利于改善井眼清潔情況。

從圖3可以看出，摩擦壓降隨著鉆具旋轉(zhuǎn)速度的增加而降低。泡沫質(zhì)量為0.7時(shí)，鉆具旋轉(zhuǎn)速度從0增加到120r／min，壓降降低了36.6%，對(duì)控制鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度具有重要意義。鉆具旋轉(zhuǎn)可降低摩擦壓降主要是因?yàn)榄h(huán)空巖屑濃度降低，巖屑濃度降低導(dǎo)致巖屑床的橫截面積減少，流體的流動(dòng)面積增大，減少了流動(dòng)阻力，從而降低了摩擦壓耗。

圖3 不同泡沫質(zhì)量及不同鉆具旋轉(zhuǎn)速度下的摩擦壓降變化圖

3 鉆具旋轉(zhuǎn)對(duì)巖屑運(yùn)移影響的數(shù)值

當(dāng)環(huán)空中存在巖屑床時(shí)，可把巖屑床表面看作是固體邊界，巖屑床內(nèi)無流體流過，井眼形狀不再為環(huán)空。偏心度為0.8，巖屑床厚度與井眼直徑之比為0.3，不同鉆具旋轉(zhuǎn)速度下的環(huán)空截面軸向速度云圖和切向速度云圖如圖4、5所示。由圖4可知，隨著鉆具旋轉(zhuǎn)速度的增加，環(huán)空中泡沫流體軸向速度核發(fā)生偏移，鉆具旋轉(zhuǎn)速度越高，偏移量越大，但偏移方向與鉆具旋轉(zhuǎn)方向相反。

圖4 不同鉆具旋轉(zhuǎn)速度下的軸向速度云圖

由圖5可以看出，在近鉆具區(qū)域中，切向速度與鉆具旋轉(zhuǎn)方向相同；在遠(yuǎn)離鉆具的區(qū)域中，切向速度與鉆具旋轉(zhuǎn)方向相反。近鉆具區(qū)域是鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)引起的初次流動(dòng)區(qū)域，遠(yuǎn)離鉆具的區(qū)域是由于鉆具旋轉(zhuǎn)形成的泡沫切向流動(dòng)在巖屑床表面碰撞返回，形成二次回流區(qū)域，通過圖5可以看出，二次回流區(qū)域的面積遠(yuǎn)大于初次流動(dòng)區(qū)域的面積。環(huán)空中軸向速度核偏移是由于鉆具旋轉(zhuǎn)形成的泡沫切向流動(dòng)在巖屑床表面碰撞返回形成的二次回流，鉆具轉(zhuǎn)速越大，二次回流就越強(qiáng)，引起的流體軸向速度核的偏移量就越大。由于二次回流方向與鉆具旋轉(zhuǎn)方向相反，所以軸向速度核偏移的方向與鉆具旋轉(zhuǎn)的方向相反。

圖5 鉆具旋轉(zhuǎn)速度為120r／min的切向速度云圖

軸向速度改變對(duì)井筒內(nèi)巖屑的運(yùn)移可產(chǎn)生積極影響。由于在水平環(huán)空中，巖屑容易在鉆具旋轉(zhuǎn)方向相反一側(cè)聚集，因此該側(cè)的巖屑床厚度要高于另一側(cè)。最大軸向速度核向鉆具旋轉(zhuǎn)相反方向偏移，將顯著提高泡沫流體的攜巖效率，有利于破壞巖屑床，促進(jìn)井眼凈化。

4 結(jié)論

1）基于亨利定律，考慮氣體溶解度對(duì)泡沫狀態(tài)方程的影響，建立了鉆具旋轉(zhuǎn)作用下的泡沫鉆井水平偏心環(huán)空巖屑床厚度預(yù)測(cè)模型；模型計(jì)算結(jié)果表明，鉆具旋轉(zhuǎn)不僅可以顯著降低泡沫鉆井水平偏心環(huán)空中的巖屑濃度，改善井眼清潔情況，而且能明顯降低摩擦損耗，有利于鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度的控制。

2）數(shù)值模擬表明，當(dāng)環(huán)空中存在巖屑床時(shí)，鉆具旋轉(zhuǎn)引起環(huán)空切線方向的二次回流，二次回流使泡沫流體軸向速度核偏移方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，并且對(duì)巖屑床的破壞產(chǎn)生積極的效果，可大大改善井眼清潔狀況。

3）鉆具旋轉(zhuǎn)對(duì)井眼清潔有積極作用，影響壓降大小與注氣量的大小，泡沫鉆井設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮鉆具旋轉(zhuǎn)的影響。

［1］Shirkavand F，Hareland G，Teichrob R，etal.Optimized foam drilling improves drilling performance in Iranian Carbonate Fields［J］.SPE114057，2008.

［2］Sepvlveda J J，F(xiàn)Alana O M，Kakadjian，etal.Oil-based foam and proper underbalanced drilling practices improve drilling efficiency in a deep gulf coast well［J］.SPE115536，2008.

［3］張小寧，姜鳳光 .泡沫在連續(xù)管螺旋管段內(nèi)流動(dòng)的壓降數(shù)值模擬 ［J］.石油鉆采工藝，2011，33（6）：5～8.

［4］汪志明，洪玉奎 .泡沫質(zhì)量和環(huán)空返速對(duì)泡沫攜巖能力影響的數(shù)值模擬 ［J］.石油鉆采工藝，2008，30（3）：34～37.

［5］Zhu C.Cuttings transport with foam in horizontal in horizontal concentric annulus under elevated pressure and temperature conditions［D］.Oklahoma：The University of Tulsa，2005.

［6］Locktt T J，Richardson S M，Worraker W J.The importance of rotation effects for efficient cuttings removal during drilling［J］.SPE／IADC 25768，1993.

［7］Alfredo R，Sanchez J J.Effect of drill pipe rotation on hole cleaning during directional-well drilling［J］.SPE56406，1999.

［8］袁照勇 .水平井環(huán)空泡沫攜巖屑流動(dòng)規(guī)律研究 ［D］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué) （華東），2009.

［9］楊虎，鄢捷年 .泡沫鉆井流體環(huán)空攜巖能力的影響因素 ［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31（5）：49～52.

［10］李明，汪志明 .鉆柱旋轉(zhuǎn)對(duì)大位移井井眼凈化影響規(guī)律的研究 ［J］.石油機(jī)械，2009，37（12）：34～37.

［11］燕修良，步玉環(huán) .水平井段泡沫流體瞬態(tài)攜屑數(shù)值模擬研究 ［J］.鉆井液與完井液，2011，28（2）：24～28.

［12］Chen Z，Miska S.Experimental study on cuttings transport with foam under simulated horizontal downhole conditions［J］.SPE99201，2007.

［13］Zamora M，Lord D L.Practical analysis of drilling mud flow in pipes and annuli［J］.SPE4976，1974.

［編輯］ 黃鸝

The Effect of Drill Tool Rotation on Cuttings Transport Rules of Foam Drilling

SUN Shihui，YAN Tie，BIXueliang，TIAN Changjian (First Author's Address:MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China)

In consideration of the effect of gas dissolution degree on foam state equation，amodelwas established for predicting the cuttings bed thickness in horizontal annulus under the condition of rotation，itwas used for predicting the rotation velocity，eccentricity of drill tool，foam quality and thickness of cuttings beds under flow rate，cuttings concentration and frictional pressure drawdown.The rules of cuttings transportation during rotation was studied by using numerical simulation.The result indicates that the drill tool rotation causes the redistribution of foam fluid，it is favorable to destroy the cuttings beds and effectively reduce the cuttings concentration in the annulus and greatly improve borehole cleaning.

foam drilling;drill tool rotation;cuttings beds height;cutting transport;borehole cleaning

TE242

A

1000-9752（2014）05-0097-05

2013-10-16

國(guó)家科技重大專項(xiàng) （2011ZX05021-006）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51374077）。

孫士慧 （1986-），女，2008年東北石油大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事氣體鉆井、欠平衡鉆井多相流的研究。