钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2014年5月第36卷第5期JournalofOilandGasTechnology(J．JPI)May．2014Vo1．36No．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163318)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，北京100012)[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

2、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]TE242[文献标志码]A[文章编号]1000—9752(2014)O5—0097—05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L1]，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

3、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—pKH(T)(1)其中，亨利常数为：‘KHcT一KH,Texp[c({一)]式中：s为气体溶解度，mol／m。；户为压力，Pa；Kn(丁)为亨利常数，mol／(m。·Pa)；T为温度，K；

4、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1．38×10mol／(m。·Pa)；C为温度常数，空气时为1300K。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VwpKH,Jexp[c({一)]㈤式中：i为溶解于水中的气体的物质的量，tool；V为水的体积，131。。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—ngRTmgRT(4)—一——Mg一[收稿日期]2013—10—16[基金项目]国家科技重大专项(2011ZX05O21—006)；国家自然科学基金项目(51374077)。[作者简介]孙士慧(1986一)，女，

5、2008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www.xuetutu.com·98·石油天然气工程2014年5月式中：为气体体积，m。；为气体的物质的量，mol；R为气体常数，8．314J／(mol·K)；m为气体质量，kg；为气体摩尔质量，kg／mol。，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{mg—VpKH,Tsexp[c({一)])㈣式中：V为自由气体的体积，1"I1。。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：I1一二二二二二1二二二‘6)～{pKH,Texp[c(亭一)]

6、)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，kg／m。；Q为液体体积流量，In。／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：dpc=()厂pfff(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。．75e+。．4×-O．。(罢)+2．7。9(吴)一。．31。]c8式中：叫为钻

7、具旋转速度，r／min；e为钻具偏心度；D为井筒直径，nl；d。为钻具外径，rn；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：+Qg’一Qnxp[c(1一1)])一．———————————————一(1o)65×(一0．874fg“一1．564。+36．23)×(2F一1)0．6≤I1<0．7l-厂r一．8×(l95+104．5)[1～]×(F-0．65)0．7≤r