地?zé)峋菽瓟y巖影響因素敏感性分析研究

張昕冉

摘要：高溫地?zé)峋阢@井過程中往往使用泡沫鉆井液。泡沫是一個可壓縮的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，鉆井過程中受溫度的影響泡沫鉆井液會發(fā)生相態(tài)變化，造成井眼中不同位置泡沫具有不同的狀態(tài)。泡沫在井口是氣液混合體系，在井底時有可能完全變?yōu)闅鈶B(tài)。不同狀態(tài)的泡沫，其流變性質(zhì)差異很大，泡沫的密度、粘度等性質(zhì)對的泡沫鉆井液攜巖能力具有很大的影響。為了更好的服務(wù)于高溫地?zé)峋┕?，需要開展泡沫攜巖影響因素敏感性分析，主要包括注氣流量、注液流量、井口回壓、鉆桿轉(zhuǎn)速，本文對這些參數(shù)對巖屑濃度的影響進行分析研究，以期為泡沫鉆井液的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高溫地?zé)峋?泡沫攜巖;影響因素; 敏感性

1 前言

地?zé)豳Y源是指在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟和地質(zhì)環(huán)境條件下，能夠從地殼內(nèi)科學(xué)合理地開發(fā)出來的巖石中的熱能量、地?zé)崃黧w中的熱能量及其伴生的有用組分。由于地?zé)崮軣醿囟鹊奶菁壸兓吞N藏地域的特征分布，其開發(fā)利用方式可分為直接利用和地?zé)岚l(fā)電，但由于地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的復(fù)雜性以及較高的投資成本，目前地?zé)崮艿睦弥饕灾苯永脼橹?。但隨著鉆探技術(shù)的進步和地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的逐步成熟，地?zé)岚l(fā)電和梯級利用的占比正逐年增長。在地?zé)豳Y源開發(fā)過程中常常使用泡沫鉆井液，但是泡沫鉆井液的性能受注氣流量、注液流量、井口回壓、鉆桿轉(zhuǎn)速的影響比較大，因此，需要對地?zé)峋菽瓟y巖影響因素敏感性分析研究[1-2]。

2 泡沫攜巖影響基本參數(shù)

基本參數(shù)取值為：地面溫度15℃，地溫梯度0.10 ，鉆桿和套管的比熱容為460 ，導(dǎo)熱系數(shù)為46 ;地層巖石的比熱容為873.3 ，導(dǎo)熱系數(shù)為2 ;水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)0.35 ，比熱容840 ;鉆桿偏心度為0;注氣流量60 ，注液流量1000 ，井口回壓1.5 ，鉆桿入口處泡沫注入溫度25℃，鉆桿轉(zhuǎn)速 ，機械鉆速15 ，巖屑密度2300 ，巖屑尺寸6 ，巖屑形狀系數(shù)0.8;空間步長10m，時間步長30s，循環(huán)時間2h。

3 注氣流量對巖屑濃度的影響

為了研究注氣流量對巖屑濃度分布的影響，分析了注氣流量40 、50 、60 、70 和80 情況下循環(huán)120 時環(huán)空巖屑濃度的分布情況。

隨著注氣流量的增加，環(huán)空巖屑濃度逐漸減小，而且注氣流量越大，環(huán)空巖屑濃度減小的幅度越小。這說明：增加注氣流量在一定程度上能提高泡沫的攜巖能力。這是因為，注氣流量越大，環(huán)空中流體的流速就越高，巖屑顆粒在環(huán)空中便具有更高的速度。此外，注氣流量的增加還會增大環(huán)空中泡沫的特征值，提高泡沫流體的粘度，使泡沫具有更強的攜巖能力，有利于降低環(huán)空中巖屑的濃度。

4注液流量對巖屑濃度的影響

為了研究注液流量對巖屑濃度分布的影響，分析了注液流量400 、600 、800 、1000 和1200 情況下循環(huán)120 時環(huán)空巖屑濃度的分布情況。

隨著注液流量的增加，環(huán)空巖屑濃度逐漸減小，而且注液流量越大，環(huán)空巖屑濃度減小的幅度越小，這說明提高注液流量有利于增強泡沫流體的攜巖能力。這是因為，注液流量越大，環(huán)空中泡沫流體的流速越高，泡沫的攜巖能力越強。雖然注液流量的增加會導(dǎo)致泡沫特征值減小，使泡沫流體的粘度降低，但是由流速增加導(dǎo)致的泡沫攜巖能力的提升要強于粘度降低導(dǎo)致的泡沫攜巖能力的削弱，因此增加注液流量會增強泡沫的攜巖能力，有利于降低環(huán)空巖屑濃度。

5 井口回壓對巖屑濃度的影響

為了研究井口回壓對巖屑濃度分布的影響，分析了井口回壓1 、1.5 、2 、2.5 和3 情況下循環(huán)120 時環(huán)空巖屑濃度的分布情況。

隨著井口回壓的增加，環(huán)空巖屑濃度逐漸增大，且環(huán)空巖屑濃度減小的幅度逐漸減小，并在環(huán)空出口處巖屑濃度的差異最大。這是因為：當(dāng)注氣、注液流量等不變時，隨著井口回壓的減小，環(huán)空中壓力逐漸降低，泡沫的特征值增大，進而使泡沫的速度、粘度增大，泡沫流體的攜巖能力增強，環(huán)空中巖屑濃度降低。

增加井口回壓對環(huán)空壓力的影響大致相當(dāng)于在原有壓力基礎(chǔ)上增加一個附加壓力，隨著壓力的增大這一附加壓力對泡沫密度、速度和特征值的影響逐漸減?。捎蓺怏w狀態(tài)方程推得該結(jié)論），因此不同井口回壓下井底巖屑濃度相差不大，且隨著深度的減小，巖屑濃度的差異越來越大。

6 鉆桿轉(zhuǎn)速對巖屑濃度的影響

為了研究鉆桿轉(zhuǎn)速對巖屑濃度分布的影響，分析了轉(zhuǎn)速0 、50 、100 、150 和200 情況下循環(huán)120 時環(huán)空巖屑濃度的分布情況，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，鉆桿轉(zhuǎn)速對環(huán)空巖屑濃度的分布幾乎沒有影響。這是因為，對于垂直井，鉆桿旋轉(zhuǎn)主要通過給流體施加一切向速度來提高流體的攜巖能力，當(dāng)偏心度為0時，計算得到的切向速度遠小于軸向速度，因此計算得到的泡沫流速與不考慮鉆桿旋轉(zhuǎn)時泡沫流體的速度相比差別很小，導(dǎo)致鉆桿轉(zhuǎn)速對環(huán)空中巖屑濃度幾乎沒有影響。

5 結(jié)束語

綜合上述分析，在選擇泡沫鉆井液時，泡沫攜巖敏感因素注氣流量、注液流量、井口回壓、鉆桿轉(zhuǎn)速對泡沫鉆井液的性能影響比較大，主要的研究成果如下：

（1）增加注氣流量在一定程度上能提高泡沫的攜巖能力。

（2）提高注液流量有利于增強泡沫流體的攜巖能力。

（3）不同井口回壓下井底巖屑濃度相差不大，且隨著深度的減小，巖屑濃度的差異越來越大。

（4）鉆桿轉(zhuǎn)速對環(huán)空巖屑濃度的分布幾乎沒有影響。

參考文獻

[1] ?耐高溫泡沫鉆井液技術(shù)研究概況及研究方向探討[J]. 董海燕，單文軍，李艷寧，岳偉民，趙志濤. ?地質(zhì)與勘探. 2014（05）.

[2] ?國內(nèi)超高溫鉆井液研究與應(yīng)用進展[J]. 楊小華. ?中外能源. 2012（03）.