泡沫鉆井液臨界條件研究

段慕白 馮宗偉 張冬明 張 濤 張 斌

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

泡沫鉆井液臨界條件研究

段慕白 馮宗偉 張冬明 張 濤 張 斌

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，泡沫鉆井液的使用對(duì)提高機(jī)械鉆速的效果越發(fā)明顯，但在何種井深條件下使用泡沫鉆井液是鉆井工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。研究在不同井深及壓力條件下，泡沫鉆井的極限壓力和極限井深的確定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)施泡沫鉆井的最大深度為4 500m左右，極限壓力為20MPa。

泡沫鉆井液；泡沫質(zhì)量；泡沫密度；最大井深

泡沫體系中泡沫質(zhì)量是指泡沫體積占整個(gè)體系的體積分?jǐn)?shù)，泡沫質(zhì)量只能在合適的范圍（75%～95%）才能應(yīng)用于鉆井工程中，當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)（泡沫質(zhì)量）過(guò)低時(shí)，泡沫體系不穩(wěn)定從而失去作為鉆井流體的價(jià)值［1-5］。而大多數(shù)的鉆井深度和壓力使得泡沫體系失去穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)是在不同壓力條件和井深條件下分別測(cè)定泡沫質(zhì)量，并確定低于臨界泡沫質(zhì)量（75%）的臨界井筒壓力和對(duì)應(yīng)的鉆井深度。除此之外，地層水侵量的大小同樣會(huì)造成泡沫質(zhì)量的下降［6-7］，通過(guò)測(cè)定不同水侵量對(duì)泡沫質(zhì)量的影響，求得泡沫體系能容納的最大地層水侵入量。

1 泡沫承壓能力分析

液體通?？梢钥醋魇遣豢蓧嚎s的,因此常規(guī)泥漿的液柱壓力可用泥漿密度表征,但由于氣體是可壓縮的,泡沫鉆井液就不能只用地面密度來(lái)代表液柱壓力,需要知道基漿密度和泡沫質(zhì)量(氣體體積分?jǐn)?shù))。 設(shè)泡沫的地面密度為 ρs，基漿密度為ρL，泡沫質(zhì)量為α,基漿(液體)的體積分?jǐn)?shù)為1-α,它們之間的關(guān)系為：

式中：ρg為地面氣體密度,與 ρL相比 ρg(0.001 29kg/L)可忽略不計(jì)，所以上式可簡(jiǎn)化為：

設(shè) ρs=0.70kg/L，ρL=1.03kg/L，則 α=32.04%； 若 ρs=0.70kg/L，ρL=1.10kg/L，則 α=36.36%。這說(shuō)明盡管地面密度相同,但基漿密度可以不同,這對(duì)液柱壓力將產(chǎn)生不同的影響。

下面分析等溫過(guò)程中,在壓力為p(絕對(duì)壓力,MPa)的情況下,單位體積泥漿中氣體壓縮后的體積:

式中：ps—地面壓力，取0.101 3MPa。而此時(shí)的基液體積因不可壓縮仍為1-α,此時(shí)氣體的泡沫質(zhì)量為:

按式（5）求該壓力下的密度:

由式（4）、式（5）可以看出,隨著 p 的增加,αP將減小,而 ρP增加。當(dāng) p→∞,αP→0 時(shí),ρP→ρL,這就是說(shuō)基漿密度對(duì)泡沫的靜液柱壓力影響很大。下面以ρL=1.01kg/L，α=70%為例,計(jì)算不同壓力下的泡沫密度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

靜液柱壓力對(duì)泡沫的密度影響很大,隨著靜液壓力的增加，泡沫密度也隨之增加，當(dāng)壓力小于5MPa時(shí)曲線的斜率較大，即在該壓力范圍內(nèi)泡沫密度隨著靜液壓力的增加漲幅較大。說(shuō)明在該壓力范圍內(nèi)，靜液壓力對(duì)泡沫密度的影響較大。而當(dāng)壓力達(dá)5MPa以后,氣體密度的增加幅度很小。當(dāng)壓力為22MPa時(shí)泡沫密度為0.999 kg/L，已經(jīng)接近水的密度,即為泡沫的極限密度。說(shuō)明當(dāng)壓力大于22MPa時(shí)泡沫已變成了液體，此時(shí)地層已經(jīng)不能再進(jìn)行泡沫鉆進(jìn)了。認(rèn)為實(shí)現(xiàn)泡沫鉆進(jìn)的極限壓力為22MPa。

表1 井筒壓力對(duì)泡沫密度的影響

2 泡沫能承受的最大井深分析

由于液柱壓力隨井深增加而增大,因此泡沫的密度也隨井深增加而增大,計(jì)算泡沫鉆井液的靜液柱壓力,需要進(jìn)行積分,首先分析等溫過(guò)程:

用分離變量法加上邊界條件求解可得:

下面再考慮溫度的影響,由于泡沫在井中循環(huán)時(shí),溫度的分布是未知的,國(guó)外采用的是地溫T=Ts+KH/100,則:

以 ρs=0.6kg/L，ρL=1.01kg/L 為例,按式（6）、（7）分別計(jì)算不同泡沫質(zhì)量（70%、80%和90%）的泡沫在井深為500、1 000、1 500、…、4 500、5 000m 處的當(dāng)量鉆井液密度及靜液壓力，而利用式（8）計(jì)算非等溫條件下在上述條件下泡沫的密度。非等溫條件和等溫條件下泡沫密度見(jiàn)表2、表3和表4。

在等溫條件下隨著井深的增加，作為鉆井液的泡沫的密度越來(lái)越大，而當(dāng)泡沫質(zhì)量為70%時(shí)，井深達(dá)到2 500m時(shí)泡沫密度為1 kg/L；對(duì)于泡沫質(zhì)量為80%的泡沫，當(dāng)井深到達(dá)4 500m時(shí)，其密度為1.000 4 kg/L；對(duì)于泡沫質(zhì)量為90%時(shí)，當(dāng)井深為5 000m時(shí)其密度（1.000 8 kg/L）才超過(guò)1。由此可見(jiàn)三種不同泡沫質(zhì)量的泡沫能適應(yīng)的最大鉆井井深各不相同，很明顯泡沫質(zhì)量越高該泡沫能實(shí)現(xiàn)泡沫鉆井的極限深度也就越大。

表2 泡沫質(zhì)量為70%時(shí)井深與靜液壓力及泡沫密度之間的關(guān)系

表3 泡沫質(zhì)量為80%時(shí)井深與靜液壓力及泡沫密度之間的關(guān)系

表4 泡沫質(zhì)量為90%時(shí)井深與靜液壓力及泡沫密度之間的關(guān)系

3 結(jié) 論

以泡沫質(zhì)量70%為例，取泡沫極限密度為0.999kg/L，則在泡沫鉆井過(guò)程中能容許的最大壓力為22MPa，當(dāng)超過(guò)此壓力時(shí)，泡沫鉆井液的密度開(kāi)始趨于液體密度，從而失去了實(shí)施泡沫鉆進(jìn)的意義。

三種泡沫質(zhì)量的泡沫能適應(yīng)的最大鉆井深度范圍：泡沫質(zhì)量為70%的泡沫鉆井深度為2 000～2 500m，8泡沫質(zhì)量為0%的泡沫鉆井深度為4 000～4 500m，泡沫質(zhì)量為90%的泡沫鉆井深度為4 500～5 000m。所以，在一定范圍內(nèi)（75%～95%）泡沫質(zhì)量越大越有利于泡沫鉆井工藝的實(shí)施。

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The Analysis of Use Condition of Foam Drilling Fluid

DUAN Mubai FENG Zongwei ZHANG Dongming ZHANG Tao ZHANG Bin
(State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University，Chengdu 610500)

With the development of drilling technology,the effect to the use of foam drilling fluid to improve the drilling rate is more obvious.Therefore,it becomes more and more important in the drilling engineering.But how to determine what kind of deep well under the conditions of the use of foam drilling fluid is the emphasis and difficulty of drilling engineering.This paper aims at exterminating the largest depth and pressure during the implementation of foam drilling.The largest depth and pressure can be measured by changing the drilling pressure and drilling hole depth.Experimental results represent that during the foam drilling,the largest depth is 4500m,extreme pressure is 20MPa.

foam drilling fluid；foam quality；foam density；maximum hole depth

TE258

A

1673-1980(2012)05-0059-03

2012-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51104124)

段慕白(1984-)，男，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榱芽p精細(xì)描述及壓力波動(dòng)裂縫變形仿真模擬。