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1、大庆石油学院学报第34卷第1期2010年2月JOURNALOFDAQINGPETROLEUMINSTITUTEVol.34No.1Feb.2010地层水侵入对连续管泡沫钻井参数的影响张小宁,李根生,黄中伟,田守嶒,史怀忠(中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249)摘要:针对连续管泡沫欠平衡钻井过程中地层流体侵入问题,建立连续管泡沫钻井中地层流体侵入模型.采用交错网格对该模型进行离散,并利用SIMPLEC方法结合亚松弛方法求解离散方程.实例分析表明,地层水侵入流量随注气流量的增大而增大,随产水指数的增大而增大.地层水的侵入使井底压力增加,泡沫稳定性
2、降低,泡沫携岩能力增强,而且产水指数越大,影响越明显;增加注气流量或减少注液流量可减弱甚至抵消地层水侵入对井底压力、泡沫稳定性和泡沫携岩能力的影响.关键词:连续管;泡沫钻井;地层水侵入;井底压力;泡沫稳定性;泡沫携岩能力中图分类号:TE242文献标识码:A文章编号:1000-1891(2010)01-0068-040引言以泡沫作为钻井液在地层中钻进时,井底压力低于地层压力,地层流体会侵入到环空中,使泡沫物性发生变化,从而影响泡沫的携岩能力、稳定性和井底压力,对钻进产生不利影响.因此,在进行水力参数设计时,需预测地层流体侵入流量,然后通过改变环空井口回压、注气流量和
3、注液流量,使泡沫满足稳定性条件和携岩要求,实现井底合理压差.地层流体一般包括油、气、地层水,泡沫钻井液主要用于出水层中钻进.采用连续管进行泡沫钻井时,一般采用常规管柱和常规钻井液钻至储层上方,起钻下套管固井,然后用连续管和泡沫钻井液在储层中水平钻进.研究泡沫钻井水力参数时,多假定地层流体是稳定侵入,即地[1-2]层流体侵入流量不随井深和时间变化.实际上,当储层比较厚时,特别是在储层中水平钻进时,井眼在储层中裸露距离比较长,地层流体侵入流量比较大,并且环空压力在不同井深处和不同时刻是不同的,[3-4]所以地层流体侵入流量是随井深和时间是变化的.李相方和汪志明等研究了
4、充气钻井液欠平衡钻井过程中地层流体侵入问题.笔者通过建立连续管泡沫钻井地层流体侵入模型,并给出相应的求解方法,结合实例计算,分析地层水侵入对连续管泡沫钻井参数的影响.1模型的建立假设:(1)泡沫为均质单相流体,即在环空同一横截面上泡沫物理性质相同;(2)泡沫满足幂律流变模式,采用文献[4]给出的公式确定稠度系数和流性指数;(3)泡沫温度等于地层温度;(4)忽略泡沫中气相在液相中的溶解,且两相间无化学反应,无热量交换;(5)地层侵入流体和泡沫兼容性比较好.1.1连续性方程与动量方程根据文献[3],泡沫在环空中一维不稳定流动的连续性方程和动量方程分别为ρf(ρfuf)
5、+=sf,(1)tz22(ρfuf)(ρfuf)pffρfuf+=--ρfgcosθ-,(2)tzz2DH[6]式中:ρf为泡沫密度;uf为泡沫在环空中的流动速度;sf为源项;p为压力;θ为井斜角;ff为摩擦因数;g收稿日期:2009-10-16;审稿人:艾池;编辑:郑丽芹基金项目:国家“973”重点基础研究规划项目(2010CB226704);国家油气重大专项(2008ZX05036-003)作者简介:张小宁(1981-),男,博士生,主要从事油气井工程与流体力学方面的研究.·68·第1期张小宁等:地层水侵入对连续管泡沫钻井参数的影响为重力加速度;DH为环空水力
6、直径.源项sf为单位时间单位环空体积中地层流体侵入的质量流量,公式为ρoqre,o+ρwqre,w+ρgscqre,gscsf=,(3)Aan式中:ρo,ρw,ρgsc分别为地层油、地层水、标准状况下地层气的密度;qre,o,qre,w,qre,gsc分别为单位时间单位厚[4,7]度地层油、地层水和标况下地层气侵入体积;Aan为环空橫截面积.qre,o,qre,w,qre,gsc由生产指数、地层压力和环空压力确定,由于钻穿地层所需的时间比较短,可认为生产指数和地层压力为常数,而环空压力在不同井深处和不同时刻是不同的,即源项随井深和时间是变化的,因此连续性方程式(1
7、)考虑了井深和时间不同时,地层流体侵入对泡沫流动的影响.1.2气体状态方程采用真实气体状态方程表述压力、温度和密度之间的关系,即pMgρg=,(4)ZRT式中:ρg为泡沫气相密度;Mg为泡沫气相摩尔质量;Z为气体压缩因数;R为气体常数;T为泡沫温度.1.3边界和初始条件(1)边界条件.在泡沫钻井时,为了保证环空中泡沫的稳定性,环空出口处需安装回压阀,使环空出口处的压力为定值,即在井口处定压边界条件为p
8、z=0=pb,(5)式中:pb为井口环空回压.在地面,注入到连续管中的泡沫质量流量是定值,所以在井底环空中的泡沫质量流量为常数,即(ρfufAan)
9、z=H=m﹒i
10、nj,1+
