高溫高壓下鉆井液循環(huán)流動(dòng)摩阻實(shí)驗(yàn)研究

唐波, 吳雪鋒, 趙洪山, 李澤, 肖東*

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院, 東營(yíng) 257017; 2.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)

深層油氣資源成藏過(guò)程復(fù)雜,儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),特別是高溫高壓地層具有壓力窗口窄、地層溫壓梯度變化大等復(fù)雜地質(zhì)特征,高溫高壓使井筒內(nèi)流體性能發(fā)生改變,同時(shí)易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)等井下事故,井控風(fēng)險(xiǎn)提高[1-2]。在深井鉆探過(guò)程中,環(huán)空流體上返時(shí)溫度壓力不斷變化,導(dǎo)致井筒內(nèi)流體流變性、相態(tài)和流場(chǎng)變化復(fù)雜,難以對(duì)高溫高壓下流體性能進(jìn)行定量描述分析,井筒內(nèi)流體循環(huán)摩阻是影響鉆速快慢和安全井控的關(guān)鍵因素[3-5]。

前人在關(guān)于井筒內(nèi)流體流動(dòng)摩阻方面的研究,主要通過(guò)數(shù)值仿真和常溫常壓條件下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,與實(shí)際過(guò)程中的井筒流體的物性特征、環(huán)境存在著較大的差別。孫曉等[6]在管式流變儀上測(cè)試溫度10、20 ℃及壓力10、20 MPa的液態(tài)CO2的管流摩阻,結(jié)合泵注壓力、管徑和管內(nèi)流速,繪制了井筒流動(dòng)摩阻圖版。任波等[7]基于高溫高壓井筒模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置,開(kāi)展高黏度稠油在高溫高壓下流動(dòng)摩阻變化規(guī)律研究。呂曉方等[8]在長(zhǎng)17 m管道內(nèi)、環(huán)壓為15 MPa的裝置上開(kāi)展了CO2水合物漿液流動(dòng)實(shí)驗(yàn),分析了氣液比、含水率等因素對(duì)多相流動(dòng)摩阻的影響。Benjamin等[9]分別對(duì)油基水基進(jìn)行了幅度掃描試驗(yàn)、三區(qū)間觸變性試驗(yàn)、溫度掃描試驗(yàn)以及控制剪切應(yīng)力和剪切速率的低剪切速率流動(dòng)曲線的測(cè)試和分析。易燦等[10]使用M7500型高溫高壓流變儀,測(cè)量了超低滲透聚磺水基鉆井液在高溫高壓下的流變性能。Noah等[11]將巖屑帶回地面進(jìn)行連續(xù)循環(huán),使用恒溫?zé)崛轀y(cè)試裝置,研究納米材料混合油基鉆井液適用于高溫高壓地層。李旺等[12]為描述大落差管道內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程帶來(lái)都附加阻力,基于動(dòng)態(tài)摩阻模型分析大落差管道內(nèi)流動(dòng)摩阻對(duì)流動(dòng)的影響。Luo等[13]利用高溫高壓壓裂液測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試了10～30 MPa和0～100 ℃范圍的稠化壓裂液的流變特性。赫英狀等[14]基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、性能參數(shù)測(cè)試和扶正器與井壁摩阻系數(shù),形成一套扶正器居中的優(yōu)化方法。趙博等[15]基于水平圓管摩阻測(cè)試裝置,測(cè)試了在0～20 MPa、常溫20～95 ℃的液態(tài)CO2的流動(dòng)摩阻。中外研究者針對(duì)流動(dòng)摩阻開(kāi)展了大量研究,但關(guān)于測(cè)試摩阻實(shí)驗(yàn)裝置大多是室內(nèi)試驗(yàn),溫度壓力范圍小,無(wú)法模擬井下實(shí)際工況的流體狀態(tài),因此得到的井筒流體摩阻與實(shí)際過(guò)程中的井筒流體摩阻存在較大差異,且缺乏對(duì)流動(dòng)摩阻定量描述。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀和技術(shù)難題,考慮溫度、壓力、固相顆粒和含氣率對(duì)實(shí)際井筒內(nèi)鉆井液流動(dòng)摩阻的影響?；诟邷馗邏恒@井液循環(huán)流動(dòng)摩阻測(cè)試裝置,開(kāi)展井筒流體流動(dòng)摩阻測(cè)試,在深井筒溫度、壓力等多因素變化條件下,研究鉆井液循環(huán)流動(dòng)摩阻變化規(guī)律,結(jié)合多元回歸方法,繪制摩阻系數(shù)圖版,為特深井鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)控制提供必要的理論基礎(chǔ)。

1 主要實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 高溫高壓鉆井液循環(huán)流動(dòng)摩阻測(cè)試裝置

為了測(cè)量高溫高壓環(huán)境下的鉆井液流動(dòng)摩阻,采用自主研制的高溫高壓鉆井液循環(huán)流動(dòng)摩阻測(cè)試裝置。該裝置可真實(shí)模擬地層溫度和壓力,反映鉆井液在井下的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài),通過(guò)傳感器測(cè)量和可視化觀測(cè)所得到的數(shù)據(jù)更加接近井下地層的實(shí)際情況。高溫高壓泥漿循環(huán)模擬裝置主要由泥漿循環(huán)系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要由高溫高壓循環(huán)泵組成,可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)在120 MPa、250 ℃、帶固相顆粒等極端工況下持續(xù)循環(huán)作業(yè);壓力循環(huán)系統(tǒng)由氣體增壓機(jī)、液體增壓泵和增壓管路組成,氣體增壓機(jī)主要用于氣液兩相流實(shí)驗(yàn)中管路增壓,最大增壓為100 MPa,液體增壓機(jī)通過(guò)注液方式增大循環(huán)系統(tǒng)壓力,最大增壓為120 MPa;溫度控制系統(tǒng)通過(guò)Pt100鉑電阻溫度傳感器測(cè)量管路溫度,當(dāng)管路的溫度高于預(yù)定管路溫度時(shí),通過(guò)PID(process identifier)智能儀表切斷電加熱裝置的開(kāi)關(guān),停止加熱,使得管路溫度保持預(yù)設(shè)溫度;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)傳感器和監(jiān)測(cè)軟件,可實(shí)時(shí)記錄循環(huán)管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)。裝置的效果圖、實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 高溫高壓泥漿循環(huán)裝置效果圖和實(shí)物圖Fig.1 Effect drawing and physical drawing of high temperature and high pressure mud circulation device

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

接通裝置電源,打開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件,將配置好的鉆井液從頂部注入管路內(nèi),啟動(dòng)加熱裝置和循環(huán)泵對(duì)管內(nèi)流體進(jìn)行循環(huán)加熱,并在加熱過(guò)程中適當(dāng)泄壓,控制管內(nèi)循環(huán)壓力,當(dāng)升溫指示燈不亮?xí)r,說(shuō)明管道內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)置溫度;使用變頻調(diào)節(jié)器控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速,來(lái)調(diào)控實(shí)驗(yàn)所需流速,記錄當(dāng)前流速下的動(dòng)壓差,隨后停泵記錄靜壓差,根據(jù)實(shí)際情況多次重復(fù)測(cè)量該溫度、壓力體系下的動(dòng)、靜壓差,該組實(shí)驗(yàn)完成后,改變溫度、壓力條件重復(fù)上述操作即可;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,待流體冷卻后,打開(kāi)泄壓閥釋放壓力,在打開(kāi)底部閥門(mén),將流體全部排出,最后用清水反復(fù)沖管道三次,以備下組實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置原理

由于鉆井液在井底返出過(guò)程中,井筒流體壓力、溫度隨井深變淺而變低,鉆井液體積變大,流速變快。建立最深底層的溫度和壓力,將鉆井液充滿流體管道并通過(guò)高溫高壓泥漿循環(huán)泵使鉆井液以一定的速度循環(huán)流動(dòng),其循環(huán)流動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針。為了精確反映管道內(nèi)的流速,可通過(guò)其變頻器的頻率對(duì)其流速進(jìn)行標(biāo)定,根據(jù)流速v與頻率f的關(guān)系,擬合出相應(yīng)的關(guān)系式為

v=0.012 4f+0.179

(1)

通過(guò)加熱套升高溫度,觀察溫度傳感器使得管內(nèi)鉆井液達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度,在該溫度壓力下以一定流速循環(huán)時(shí),觀察垂直管段上的壓差傳感器測(cè)出壓差,運(yùn)用流體力學(xué)理論確定循環(huán)摩阻。得到一定流速下,摩阻系數(shù)與溫度、壓力的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,進(jìn)而得到在該鉆井液體系(順北區(qū)塊特深井)下的溫度、壓力對(duì)流動(dòng)摩阻的影響規(guī)律。

根據(jù)已有特深井高溫高壓井筒復(fù)雜流動(dòng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算不同井深的溫度壓力分布,預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度、壓力參數(shù),并將裝置參數(shù)調(diào)至對(duì)應(yīng)井深相應(yīng)的溫度壓力環(huán)境,即可通過(guò)實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度L、實(shí)驗(yàn)段當(dāng)量直徑De、實(shí)驗(yàn)流體密度ρ,通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)段壓差ΔPL與實(shí)驗(yàn)流體速度u,根據(jù)式(2)即可求得不同溫度壓力所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)摩阻系數(shù)[16]。

(2)

式(2)中:ΔPf為流動(dòng)時(shí)的摩擦壓降,Pa;L為進(jìn)行壓降測(cè)量的實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度,m;De為管道當(dāng)量直徑,m;ρ為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)密度,kg/m3;u為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)流速,m/s。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能涵蓋各種工況下的流動(dòng)摩阻工況,共設(shè)計(jì)三類實(shí)驗(yàn),如表1所示,分別為單相流實(shí)驗(yàn)、液固兩相流實(shí)驗(yàn)(模擬巖屑對(duì)流動(dòng)摩阻的影響)、氣液兩相流實(shí)驗(yàn)(模擬地層產(chǎn)氣對(duì)流動(dòng)摩阻的實(shí)驗(yàn))。

表1 實(shí)驗(yàn)方案分組及目的Table 1 Grouping and purpose of experimental protocols

(1)常溫常壓下的摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn),讓其與理論摩阻進(jìn)行比對(duì),以驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量的精度。

(2)保持壓力或溫度不變,設(shè)計(jì)單因素對(duì)流動(dòng)摩阻測(cè)試影響的實(shí)驗(yàn)方案,測(cè)試單因素條件下,溫度及壓力對(duì)流動(dòng)摩阻影響。

(3)為了能回歸出合理的流動(dòng)摩阻與溫壓關(guān)系函數(shù),可預(yù)設(shè)不同井深下的溫度和壓力,測(cè)試出流動(dòng)摩阻與井深的關(guān)系。

(4)通過(guò)改變不同的巖屑濃度與氣液比,測(cè)試液固與氣液兩相流對(duì)流動(dòng)摩阻的影響。

2 常溫常壓鉆井液循環(huán)流動(dòng)摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)及流變性實(shí)驗(yàn)

2.1 鉆井液流變性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試不同溫壓條件下的鉆井液循環(huán)摩阻,需利用目標(biāo)區(qū)塊的鉆井液配方配制實(shí)驗(yàn)流體,根據(jù)本文的需求,調(diào)研了順北區(qū)塊特深井所用鉆井液體系配方。按照實(shí)驗(yàn)配方,配置了該體系的鉆井液,隨后采用了HAAKE MARS III流變儀進(jìn)行鉆井液的流變性測(cè)試,得到了未添加巖屑和添加巖屑兩種狀態(tài)下的剪切速率與切應(yīng)力關(guān)系的流變性能曲線,由圖2可知,該鉆井液的本構(gòu)方程符合冪律模型,根據(jù)線性擬合,n=0.690 9,k=0.036 6,則其本構(gòu)方程[17]為

圖2 實(shí)驗(yàn)與理論流速-摩阻曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of experimental and theoretical velocity-friction curves

τ=0.036 6γ0.690 9

(3)

式(3)中:τ為剪切應(yīng)力,Pa;γ為剪切速率,s-1。

2.2 常溫常壓鉆井液循環(huán)流動(dòng)摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)裝置的精確程度,開(kāi)展常溫常壓下的摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論摩阻數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,根據(jù)式(4)可計(jì)算測(cè)試工況下的摩阻系數(shù)。式(4)～式(7)為非牛頓流體流變學(xué)中關(guān)于冪律流體摩阻系數(shù)的理論模型[17-18]。

(4)

a=0.310 4n′0.105

(5)

b=0.249 5n′-0.217

(6)

(7)

式中:λ為理論摩擦阻力系數(shù);Re1為冪律流體的雷諾數(shù);a、b為流性指數(shù)n的函數(shù);K為稠度系數(shù);n為流性指數(shù);D為管道當(dāng)量直徑。

理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的摩阻系數(shù)對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 定壓力時(shí),摩阻系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.3 Curve of friction coefficient changing with temperature at constant pressure

3 不同溫壓下的鉆井液循環(huán)摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 溫度對(duì)摩阻的影響

選用定壓為50 MPa,流速分別為0.8、0.7、0.6 m/s時(shí),摩阻系數(shù)隨溫度的變化情況。

由圖3可知,溫度與流動(dòng)摩阻的關(guān)系,當(dāng)壓力、流速保持不變時(shí),井筒內(nèi)鉆井液流動(dòng)摩阻系數(shù)隨著溫度增大而減小,溫度越高,鉆井液流動(dòng)摩阻系數(shù)越低。這是由于溫度升高,導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)加快、分子間距增大和分子間引力減弱,引起鉆井液黏度降低,流動(dòng)摩阻系數(shù)也相應(yīng)降低。

3.2 壓力對(duì)摩阻的影響

選用定溫為20 MPa,流速分別為0.8、0.7、0.6 m/s時(shí),摩阻系數(shù)隨壓力的變化情況。

由圖4可知,壓力與流動(dòng)摩阻的關(guān)系,當(dāng)溫度、流速保持不變時(shí),井筒內(nèi)鉆井液流動(dòng)摩阻系數(shù)隨著壓力增大而增大,當(dāng)溫度升至100 ℃后,摩阻系數(shù)趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)閴毫υ酱?分子間距變小、分子相互吸引力增強(qiáng)且分子碰撞加劇,分子間相互作用更加活躍,鉆井液黏度增大,導(dǎo)致流動(dòng)摩阻系數(shù)增大,當(dāng)壓力增大到一定值后,分子間壓縮性降低,鉆井液流變性能變化不大,流動(dòng)摩阻系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖4 定溫度時(shí),摩阻系數(shù)隨壓力變化曲線Fig.4 Curve of friction coefficient changing with pressure at fixed temperature

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合鉆井液物性參數(shù)隨溫度壓力變化規(guī)律,采用的擬合方法進(jìn)行分析[19-21],可用式(8)所示的形式進(jìn)行采用多元回歸擬合,從而得出志留系桑塔木組鉆井液在高溫高壓條件下的流動(dòng)摩阻系數(shù)變化關(guān)系式。

λ(P,T)=λ0(P0,T0)exp[a′(T-T0)+

b′(P-P0)0.5-c(T-T0)(P-

P0)-d(T-T0)1.75]

(8)

式(8)中:λ(P,T)為某溫度T和壓力P下的摩阻系數(shù);λ0(P0,T0)為地面溫度(T0為20 ℃)和壓力(P0為0.1 MPa)下摩阻系數(shù);P為測(cè)點(diǎn)壓力,Pa;T為測(cè)點(diǎn)溫度,K;a′、b′、c、d為待定系數(shù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到。

為了提高回歸分析的精確度,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用多組逼近的方法,對(duì)回歸出的摩阻變化關(guān)系式系數(shù)不斷優(yōu)化,每?jī)山M取平均、整體取平均的方法逼近。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證,回歸關(guān)系式計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值誤差小于15%。考慮到測(cè)量值數(shù)據(jù)范圍較大情況,可以肯定線性回歸關(guān)系式的準(zhǔn)確性。

不同的流速反映了從小井眼到大井眼變化的整個(gè)過(guò)程,其摩阻系數(shù)的回歸法關(guān)系式如式(9)～式(11)所示。

當(dāng)v=0.8 m/s時(shí),有

λ(P,T)=0.031 1exp[-0.058 5(T-T0)+

0.07(P-P0)0.5+

1.796×10-5(T-T0)(P-P0)-

1.254×10-5(T-T0)1.75]

(9)

當(dāng)v=0.7 m/s時(shí),有

λ(P,T)=0.033 1exp[0.007 19(T-T0)+

0.024(P-P0)0.5-

2.962×10-5(T-T0)(P-P0)-

9.855×10-5(T-T0)1.75]

(10)

當(dāng)v=0.6 m/s時(shí),

λ(P,T)=0.035 6exp[0.003 92(T-T0)+

0.044 6(P-P0)0.5-

1.931×10-5(T-T0)(P-P0)-

8.367×10-5(T-T0)1.75]

(11)

為了更形象地展示摩阻系數(shù)與溫壓的關(guān)系,采用了Origin軟件繪制出可利用相應(yīng)的摩阻系數(shù)圖,如圖5所示。

從圖5可以看出,隨著井筒深度的升高,鉆井液溫度和壓力都在升高。在溫度與壓力雙重作用下,鉆井液的流動(dòng)摩阻系數(shù)呈現(xiàn)著隨井筒深度增加而先上升后下降的趨勢(shì),在井底的流動(dòng)摩阻系數(shù)反而相對(duì)較低。

4 兩相流摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1 固液兩相流摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)

鉆井過(guò)程中,環(huán)空鉆井液中包括了鉆頭破碎的巖屑、井壁掉塊等固相。當(dāng)鉆井液攜帶巖屑上移時(shí),不僅要克服巖屑重力,同時(shí)還要克服巖屑與套管、井壁的摩阻,將會(huì)在井底產(chǎn)生一定的附加壓力。通過(guò)測(cè)試不同溫壓下的添加巖屑的鉆井液循環(huán)摩阻,分析巖屑濃度對(duì)摩阻系數(shù)的影響。

根據(jù)機(jī)械鉆速與巖屑濃度的關(guān)系,采用式(12)計(jì)算配置巖屑的量[22]。

(12)

式(12)中:ω為巖屑濃度,%;V1為鉆井液排量,L/s;Dw為鉆頭直徑,mm;ROP為機(jī)械鉆速,m/h。

在此段鉆進(jìn)過(guò)程中的巖屑濃度為0.22%。(此處取鉆井液排量為17 L/s,鉆頭直徑149.2 mm,模擬鉆速3 m/h)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),取實(shí)驗(yàn)中典型的數(shù)據(jù),繪制巖屑及未加巖屑的摩阻系數(shù)對(duì)比關(guān)系,如圖6所示。

圖6 未添加與添加巖屑的鉆井液流動(dòng)摩阻系數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of flow friction coefficients of drilling fluid with and without rock cuttings

由圖6可知,向鉆井液添加0.22%的巖屑后,鉆井液的摩阻系數(shù)有所增大,但是和未添加巖屑的鉆井液摩阻系數(shù)相比,增長(zhǎng)幅度并不大,這是因?yàn)殂@井液中添加巖屑引起鉆井液密度增加,流動(dòng)摩阻增大,但考慮到巖屑在井底被反射流加速,使得鉆井液中的巖屑顆粒速度加快,從而導(dǎo)致流動(dòng)摩阻變化不大,所以在這種情況下可不考慮巖屑對(duì)鉆井液摩阻系數(shù)的影響。

4.2 氣液兩相流摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)

通過(guò)測(cè)試不同溫壓、氣液比含量鉆井液循環(huán)摩阻,分析地層產(chǎn)氣對(duì)摩阻系數(shù)的影響。

如圖7所示,對(duì)比單相流摩阻循環(huán)摩阻和氣液兩相流摩阻循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果。結(jié)果顯示:在溫度、壓力一定時(shí),氣液兩相流中的摩阻系數(shù)隨著含氣率的增加而上升,同時(shí)當(dāng)含氣率一定時(shí),其流動(dòng)摩阻系數(shù)隨流速下降而增大。當(dāng)溫度為20 ℃、壓力為10 MPa、流速為0.8 m/s時(shí),含氣率從0增加到35.7%, 其摩阻系數(shù)從0.036 09增加到0.081 41,氣液兩相流中,氣液界面所形成的界面張力對(duì)摩阻系數(shù)有明顯的影響,造成鉆井液密度降低,但循環(huán)壓力會(huì)增大,使得循環(huán)流動(dòng)摩阻增大,可見(jiàn)含氣率對(duì)鉆井液流動(dòng)摩阻影響很大,在鉆井過(guò)程要及時(shí)預(yù)防氣體侵入,以免造成復(fù)雜井下事故。

圖7 不同含氣率條件下鉆井液摩阻系數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of drilling fluid friction coefficient under different gas content conditions

4.3 實(shí)例分析

采用順北2井進(jìn)行分析說(shuō)明,如圖8所示,在不考慮氣體侵入情況,環(huán)空壓力在井底達(dá)到最大值為99.33 MPa,而靜液柱壓力最大值為95.36 MPa,環(huán)空摩阻壓降最大值為3.97 MPa;考慮氣侵情況,環(huán)空壓力在井底達(dá)到最大值為97.12 MPa,而靜液柱壓力最大值為91.29 MPa,環(huán)空摩阻壓降最大值為5.83 MPa?？梢钥闯鲭S著含氣量增加,環(huán)空摩阻逐漸增大。

圖8 不考慮與考慮氣體侵入的壓力對(duì)比Fig.8 Pressure comparison without considering and considering gas intrusion

5 結(jié)論

(1)單相流摩阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,隨著溫度的增加,流動(dòng)形態(tài)會(huì)發(fā)生改變和分子間距增加,造成黏滯阻力降低,流動(dòng)摩阻系數(shù)降低;隨著壓力的增加,井筒內(nèi)流體的分子間碰撞加劇,流動(dòng)摩阻逐漸增加,隨后壓力繼續(xù)增大,井筒內(nèi)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,摩阻系數(shù)開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

(2)添加巖屑的鉆井液摩阻系數(shù)增加,但與未添加巖屑顆粒的鉆井液摩阻系數(shù)相比變化幅度不大;隨著含氣率增大,鉆井液密度減小,但井控循環(huán)壓力會(huì)變大,使得流動(dòng)摩阻增大。

(3)通過(guò)回歸分析的方法,計(jì)算得到了不同流速下的溫度、壓力流動(dòng)摩阻系數(shù)版圖,能更準(zhǔn)確建立摩阻與溫壓的定量關(guān)系,與實(shí)際情況吻合度高。本文的研究方法能為特深井鉆井提速、安全風(fēng)險(xiǎn)控制提供必要的理論基礎(chǔ)。