泡沫钻井水力参数优化方法研究

第 36 卷 第 6 期 2014 年 11 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. China Petroleum and Natural Gas Development Company, Beijing 100034, China; 3. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Detection in China University of Petroleum, Beijing 102249, China） Abstract: Foam drilling has been widely used both at home and abroad, but the method for optimized design of hydraulic param- eters has not been improved. This paper concluded the method for optimized design of hydraulic parameters for foam drilling based on multi-phase flow theory and sand carrying theory, and through theoretical calculation and analysis. That is, to determine the optimum gas/liquid ratio through the linear relation between critical gas/liquid ratio and wellhead backpressure; to determine the optimum well- head backpressure through minimum bottom hole pressure in different depths; to determine the optimum foam flow rate by combining the optimum gas/liquid ratio, optimum wellhead backpressure, bottom pressure and cuttings concentration; and finally to determine the optimum gas injection flow rate and liquid injection flow rate according to optimum foam flow rate. Example calculations were con- ducted for optimum hydraulic parameters corresponding to 200 mm hole diameter, 114.3 mm out diameter of drill pipe, 1 980 m well depth and 9 m/h, 18 m/h and 27 m/h drilling rate. The optimized method presented in this paper has a practical guiding significance for optimizing hydraulic parameters of foam drilling. Key words: foam flow rate; gas/liquid ratio; wellhead backpressure; sand carrying efficiency 基金项目：国家重点基础研究发展计划（973） 项目“深井复杂地层安全高效钻井基础研究” （编号：2010CB226704） 。 作者简介：张小宁， 1981 年生。2010 年获中国石油大学（北京） 油气井工程专业博士学位， 现主要从事油气井流体力学与工程方面的研 究工作和钻井工程方案设计。电话：010-83595425。E-mail：zhangxn1981 。 泡沫钻井液的泡沫质量占 55%96%， 即密度为 0.550.96 g/cm3， 常用于严重漏失地层防漏和出水量 小于 10 m3/h、 可钻性差且井壁稳定的地层提速， 适 用于深井欠平衡钻井， 目前在国内外已得到广泛应 用。对于钻井， 水力参数是提高钻井效率和降低钻 井成本的主要因素之一。文献1-8 对泡沫在连续 管螺旋段、 钻杆和环空中流动规律， 流动过程中与地 层热量交换、 携岩规律等进行了深入研究。然而对 于泡沫钻井过程中水力参数优化问题， 目前还未见 相关报道。水力参数优化设计需计算压力摩擦损失 石油钻采工艺 2014 年 11 月（第 36 卷） 第 6 期12 和流体在环空中携带岩屑的最小速度， 即使对于不 可压缩钻井液， 要合理地进行钻井参数优化设计比 较困难。而对于可压缩性泡沫钻井液， 水力参数优 化设计更加困难。目前泡沫钻井水力参数设计主要 采用 Guo9给出的方法确定最小注气排量， 而未见 到关于泡沫钻井液水力参数设计的报道， 为此， 笔者 结合多相流及携岩理论， 给出钻速最大时泡沫钻井 水力参数优化设计方法， 从而确定最优的注气排量、 注液排量、 井口回压。 1 循环压降计算 泡沫通过钻头喷嘴的压降采用 Okpobiri10推 导的公式进行计算， 泡沫在直井段中稳定流动时， 若 考虑岩屑的影响， 环空中压降可根据文献3 中给 出的方法计算。 井底压力（pBH） 可表示为 pBH=Dpan+pb （1） 式中， Dpan为环空中泡沫的总压降， 将环空分成若干 段， 各段的压降加起来， 可得到泡沫在环空中流动时 的总压降， Pa；pb为环空井口回压， Pa； 2 泡沫钻井相关参数优化 2.1 最优泡沫流速 Okpobiri 等人10建议井底泡沫速度比岩屑沉 降流速大 10% 才能有效携岩；Krug 等人11认为有 效携岩的最小泡沫流速为 0.457 2 m/s；Guo 等人9 提出， 采用岩屑临界浓度（4%） 确定有效携岩所需的 井底最小泡沫流速。最优泡沫流速定义为：井底压 力最低， 且最大岩屑浓度不高于 4% 时的泡沫速度。 取如下参数进行计算分析：井深 980 m, 井眼直径 114.3 mm， 钻杆外径 72.6 mm， 地面温度 20 , 地 温梯度 0.027 3 /m；泡沫中液相为水， 气相为空 气；钻速为 36 m/h；岩屑密度为 2 700 kg/m3， 岩屑 直径 12 mm， 岩屑形状系数为 0.8；井口回压为 1.0 MPa；注气流量为标准状况下 636 m3/s， 注液流量 根据临界泡沫质量计算。图 1 给出了井底压力随井 底泡沫流速变化：泡沫 - 岩屑两相流动， 井底压力 最低对应的泡沫流速在水力压降区域和摩擦压降区 域之间， 对应的岩屑浓度在 8% 左右， 岩屑浓度为 4% 时对应的最小泡沫速度大于最低井底压力对应的泡 沫流速；泡沫单相流动， 井底压力是井底泡沫流速 的增函数。若取井眼直径 200 mm， 钻杆外径 114.3 mm,钻速36 m/h,井口回压0.33 MPa， 其他参数同前， 如图 2 所示， 井底压力最低对应的流速大于最小泡 沫流速， 可保证岩屑浓度低于 4%。 图 1 114.3 mm 井眼、 72.6 mm 钻杆时井底泡沫流速 对井底压力的影响 图 2 200 mm 井眼、 114.3 mm 钻杆时井底泡沫流速 对井底压力的影响 由最优泡沫流速的定义可知， 有 2 个限制条件， 即泡沫流速对应的井底压力最低和岩屑浓度不高于 4%。根据图 1 和图 2 的算例可知：有时不能同时 满足这 2 个条件， 井底压力最低对应的泡沫流速不 能保证岩屑浓度低于 4%（如图 1） ， 为了保证井眼清 洁， 最优泡沫流速取值最小泡沫流速；有时能同时 满足这 2 个条件， 当井底压力最低对应的泡沫流速 可保证岩屑浓度低于 4%（图 2） ， 此时最优泡沫流速 取值为井底压力最低对应的泡沫速度。钻速和井眼 直径是影响最优泡沫流速选择的 2 个主要因素。当 钻速比较小时， 岩屑颗粒流动速度也较低， 因此岩屑 浓度控制在 4% 条件下即可， 但当钻速比较高时， 有 效携岩所需的最小泡沫流速既有可能大于井底压力 最低对应的泡沫流速， 也有可能小于井底压力最低 对应的泡沫流速；当井眼直径比较大时， 井底压力 最低对应的泡沫流速比有效岩屑所需的泡沫最小流 速要大， 但是当井眼直径比较小时， 井底压力最低对 应的泡沫流速虽然可使井底压力最低， 但是不能保 证岩屑浓度小于 4%。 2.2 临界气液比及最优气液比 给定井口回压时， 临界气液比指泡沫质量最大、 井底压力最小时的气液比。如果临界泡沫质量和井 口回压已知， 可确定临界气液比。图 3 给出了临界 气液比（c） 与井口回压（pb） 之间的线性关系曲线， 可用下式表示 13张小宁等：泡沫钻井水力参数优化方法研究 c=a+bpb （2） 式中， a 和 b 为系数， 与临界泡沫质量、 气液比单位和 压力的单位有关。假设临界泡沫质量为 96%， 气液 比单位为 m3/m3， 压力的单位为 kPa， 通过拟合可得 a 等于 0.247 2， b 等于 0.938 2。其他参数， 比如井眼尺 寸和井深等对临界气液比没有影响。 当给定地面临界泡沫质量时， 注入气液比是井 口回压的函数。 当给定井口回压和临界泡沫质量时， 对应的气液比就是临界气液比， 可根据回压确定临 界气液比值（CGLR） 。因此在优化泡沫钻井水力参 数时， 首先要优化井口回压， 然后对气液比、 泡沫流 速进行优化。下面介绍井口回压、 气液比和井底泡 沫流速的优化方法。 2.3 最优井口回压 使井底压力最低和地面泡沫质量等于临界值对 应的井口回压称之为最优井口回压。取如下参数进 行计算：井深 500 m、 1 000 m、 2 000 m、 3 000 m 和 4 000 m；井眼直径为 200 mm， 钻杆外径为 114.3 mm；地面温度 20 , 地温梯度 0.027 3 /m；泡 沫中液相为水， 气相为空气；钻速为 18 m/h；岩屑 密度为 2 700 kg/m3， 岩屑直径 12 mm， 岩屑形状系 数为 0.8；井口泡沫流速为 3 m/s；临界泡沫质量为 96%， 泡沫气相流量和液相流量根据井口泡沫流速、 临界泡沫质量和井口回压来确定。图 4 给出了不同 井深处井口回压对井底压力的影响。 图 4 钻速为 18 m/h 时的井口回压对井底压力的影响 由图 4 可知：随着井口回压的增加， 井底压力 先迅速地降低， 当达到最优点之后， 开始缓慢地增 高。这是因为当井口回压比较高时， 即使注入气液 比比较大时， 环空顶部的泡沫质量不会超过临界泡 沫质量。另外， 注入气体流量增加时， 井底泡沫质量 会增加， 在循环系统中， 气体流量增加时（泡沫密度 减小） ， 水力压降降低， 但摩擦压降增加（泡沫黏度增 加） ， 所以在循环井底压力曲线上， 存在一个最优点。 在图 4 中还可以看到一个缓冲区域， 此时， 井口 回压的变化对井底压力的影响很小， 换句话说， 在该 区域， 即使注入更多的气体， 也不能明显的降低井底 压力。图 4 中， 将不同井深下最优井口回压和井底 压力曲线的交点连接起来， 得到不带箭头的直线。 将图 4 不带箭头直线拟合可得到最优井底回压 与井深之间存在如下线性关系 pOb=0.4394H+92.415 （3） 式中， pOb为最优井口压力， kPa；H 为井深， m。 由式（3） 可知：井深对最优井口回压影响比较 大， 井深与井口回压成线性关系。另外环空水力直 径对最优井口回压也有明显的影响， 但对于的直井