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第30卷第3期钻井工程·83·

泡沫钻井环空岩屑浓度影响因素分析

王长江

中国石油大学石油天然气工程学院(北京)

王长江.泡沫钻井环空岩屑浓度影响因素分析.天然气工业，2010,30(3):83-86.

摘要为了准确地计算泡沫钻井环空岩屑浓度，利用多相流体力学方法计算了该值，并着重分析和讨论了岩屑直径、岩屑形状和注液流量对其的影响，建立了泡沫钻井过程中泡沫、岩屑在环空中流动的数学模型，还采用修正Simple方法对该模型进行了数值求解。计算结果表明：①岩屑颗粒直径越大，环空岩屑浓度越大；②岩屑形状越不规则，环空岩屑浓度越低；③在浅井段，环空岩屑浓度随注液流量的增大而增大，而在深井段，环空岩屑浓度随注液流量的增大而增大；④该数学模型考虑了加速度和泡沫与岩屑之间相对滑动的影响，预测的井底压力更接近于实验数据，计算的环空岩屑浓度更准确。

关键词泡沫钻井环空岩屑浓度岩屑形状岩屑直径注液流量应用效果DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.03.022

0引言

由于泡沫钻井液具有携带岩屑能力强和在欠压实地层钻进不会冲蚀井眼等优点，主要用来钻穿含水地层、漏失严重地层和地层伤害敏感产层的深井，从20世纪90年代以来得到了迅速的发展。对于泡沫钻井，能否准确地预测井底压力，对安全钻井和保护储层非常重要。影响井底压力的主要因素有：井口回压、注液流量、注气流量、地层流体侵入、钻速、岩屑尺寸和岩屑形状。其中岩屑主要通过对重力和摩擦力来影响井底压力。因此，如何准确地计算环空岩屑浓度对预测井底压力的准确性至关重要。国内外对泡沫携带岩屑规律做了大量的理论和实验研究2-4],在这些理论研究中，将泡沫和岩屑看作混合物，岩屑按照等直径的球形颗粒来处理，利用经验公式计算岩屑浓度。另外，王利国5]研究了稳定泡沫钻水平井井筒稳定流动。笔者则采用泡沫—岩屑两相流力学方法研究泡沫在直井中携带岩屑的规律，通过求解多相流方程来确定环空岩屑浓度，另外还分析了岩屑直径和形状、注液流量对岩屑浓度的影响。

1数学模型

笔者的研究基于如下假设：①泡沫和岩屑在垂直环空中为一维稳定流动，地层流体稳定侵入，不影响气泡在液相中的分散性；②泡沫黏度满足幂律流变模式，采用Kuru?]给出的公式计算泡沫的稠度系数和流性指数；③岩屑颗粒大小相同，均匀分散在泡沫中，忽略岩屑颗粒之间和岩屑颗粒与井筒的相互作用的影响；④环空中泡沫温度与地层温度相同，且与井深呈线性关系。

1.1连续性方程

由假设条件可知，泡沫和岩屑在环空中流动的连

续性方程为：

(1)(2)

式中：C?、C,分别为泡沫和岩屑浓度，无因次；pr、ps分别为泡沫和岩屑密度，kg/m3;u:和us分别为泡沫和岩屑流动速度，m/s;A为环空横截面积，m2。

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(编号：2006CB705808)和国家自然科学基金项目(编号。

作者简介：王长江，1980年生，博士研究生；主要从事油气井流体力学与开发工程设计方面的研究工作。地址：(102249)北京市昌平区中国石油大学233信箱。电话：(010-mail:riverlong31@163.com

·84·天然气工业2010年3月

1.2动量方程

由液固两相流体力学[6]可得泡沫和岩屑在环空中一维稳定流动的动量方程分别为：

(3)

(4)

式中：p为压力，Pa;0为井斜角，(°);fMr、f,分别为泡沫和岩屑的摩擦系数，无因次；DH为环空水力直径，m;d,为岩屑直径，m;Cp为岩屑颗粒的拖曳力系数，无因次。

泡沫和岩屑摩擦系数的计算非常重要，本文参考文献[6]给出了泡沫在环空中层流和紊流时的摩擦系数计算公式；本文参考文献[7～9]给出了计算岩屑颗粒的拖曳力系数和摩擦系数的计算公式。

1.3气体状态方程

泡沫中的气相不是理想气体，采用非理想气体状态方程描述压力、温度和气体密度之间的关系：

(5)式中：pg为泡沫气相密度，kg/m3;Mg为泡沫气相摩尔质量，kg/kmol;Z为气体压缩系数，无因次；R为气体常数，这里取8314J/(kmol·K);T为温度，