钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究

孙士慧，闫铁，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）

钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究

孙士慧，闫铁，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）

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。

泡沫钻井；钻具旋转；岩屑床厚度；岩屑运移；井眼清洁

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［1，2］，其理论研究也取得了一些有价值的成果［3～5］，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；速度重新分布同时也对井眼清洁产生显著影响［6～11］。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

式中：Vg为气体体积，m3；ng为气体的物质的量，mol；R为气体常数，8.314J／（mol·K）；mg为气体质量，kg；Mg为气体摩尔质量，kg／mol。

在压力p、温度T下，在体积Vw水中可溶解nsol气体，因此自由气体物质的量为ng－nsol。则自由气体的体积为：

式中：Γ为泡沫质量，1；Qg，s为标准状态下气体体积流量，m3／s；ρg，s为标准状态下的气体密度，kg／m3；QL为液体体积流量，m3／s。

1.2 临界压降

泡沫携岩实验结果［12］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：

式中：n为流体流型指数，1。

1.3 真实压降

式中：vf为泡沫的真实速度，m／s；Dhyd为环空的水力直径，m；Deff为环空的有效直径，m；Af为流体流动面积，m2；Lo、Li、Lb分别为井筒、钻具和岩屑床的湿周，m。

1.4 岩屑床厚度的计算

应用上述模型可计算钻具旋转作用下的岩屑床厚度。假设一个岩屑床厚度hs，计算环空几何尺寸及泡沫流速，代入式（15）得到泡沫流体沿井筒的真实压降，将式（15）计算的真实压降与式（7）计算的临界压降进行比较，如果两者差值的绝对值大于规定误差，则改变岩屑床厚度hs，重复上述过程，直至收敛为止。当两个压降满足收敛条件时，即可得到岩屑床的厚度值h。

2 岩屑床厚度模型的实例分析

泡沫流速为0.9m／s，环空偏心度为0.8，应用上述模型，分别得到不同泡沫质量下，水平环空中无量纲岩屑床厚度h／D、岩屑浓度Cc（岩屑浓度为环空中岩屑所占的体积分数。可由岩屑床厚度和井眼尺寸得到，具体算法文献 ［5，13］中均有介绍，因已知岩屑床厚度，岩屑浓度是个很简单的计算，所以没有赘述其计算过程）和摩擦压降Δp随钻具旋转速度的变化图，如图1、2、3所示。

图1 不同泡沫质量及不同钻具旋转速度下的岩屑床厚度变化图

图2 不同泡沫质量及不同钻具旋转速度下的岩屑浓度变化图

从图1、2可以看出，相同泡沫质量下，随着钻具旋转速度的增加，岩屑床厚度降低，岩屑浓度随之降低。钻具旋转速度从0增加至120r／min，泡沫质量为0.7时，岩屑浓度从33.5%降至20%，岩屑浓度相对降低了40.3%，；泡沫质量为0.8时，岩屑浓度从31.1%降至18.7%，岩屑浓度相对降低了39.9%；泡沫质量为0.9时，虽然高泡沫质量下的岩屑浓度很低，钻具旋转仍能降低岩屑浓度。岩屑浓度降低可有利于改善井眼清洁情况。

从图3可以看出，摩擦压降随着钻具旋转速度的增加而降低。泡沫质量为0.7时，钻具旋转速度从0增加到120r／min，压降降低了36.6%，对控制钻井液当量循环密度具有重要意义。钻具旋转可降低摩擦压降主要是因为环空岩屑浓度降低，岩屑浓度降低导致岩屑床的横截面积减少，流体的流动面积增大，减少了流动阻力，从而降低了摩擦压耗。

图3 不同泡沫质量及不同钻具旋转速度下的摩擦压降变化图

3 钻具旋转对岩屑运移影响的数值

当环空中存在岩屑床时，可把岩屑床表面看作是固体边界，岩屑床内无流体流过，井眼形状不再为环空。偏心度为0.8，岩屑床厚度与井眼直径之比为0.3，不同钻具旋转速度下的环空截面轴向速度云图和切向速度云图如图4、5所示。由图4可知，随着钻具旋转速度的增加，环空中泡沫流体轴向速度核发生偏移，钻具旋转速度越高，偏移量越大，但偏移方向与钻具旋转方向相反。

图4 不同钻具旋转速度下的轴向速度云图

由图5可以看出，在近钻具区域中，切向速度与钻具旋转方向相同；在远离钻具的区域中，切向速度与钻具旋转方向相反。近钻具区域是钻具转动引起的初次流动区域，远离钻具的区域是由于钻具旋转形成的泡沫切向流动在岩屑床表面碰撞返回，形成二次回流区域，通过图5可以看出，二次回流区域的面积远大于初次流动区域的面积。环空中轴向速度核偏移是由于钻具旋转形成的泡沫切向流动在岩屑床表面碰撞返回形成的二次回流，钻具转速越大，二次回流就越强，引起的流体轴向速度核的偏移量就越大。由于二次回流方向与钻具旋转方向相反，所以轴向速度核偏移的方向与钻具旋转的方向相反。

图5 钻具旋转速度为120r／min的切向速度云图

轴向速度改变对井筒内岩屑的运移可产生积极影响。由于在水平环空中，岩屑容易在钻具旋转方向相反一侧聚集，因此该侧的岩屑床厚度要高于另一侧。最大轴向速度核向钻具旋转相反方向偏移，将显著提高泡沫流体的携岩效率，有利于破坏岩屑床，促进井眼净化。

4 结论

1）基于亨利定律，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偏心环空岩屑床厚度预测模型；模型计算结果表明，钻具旋转不仅可以显著降低泡沫钻井水平偏心环空中的岩屑浓度，改善井眼清洁情况，而且能明显降低摩擦损耗，有利于钻井液当量循环密度的控制。

2）数值模拟表明，当环空中存在岩屑床时，钻具旋转引起环空切线方向的二次回流，二次回流使泡沫流体轴向速度核偏移方向与旋转方向相反，并且对岩屑床的破坏产生积极的效果，可大大改善井眼清洁状况。

3）钻具旋转对井眼清洁有积极作用，影响压降大小与注气量的大小，泡沫钻井设计中应考虑钻具旋转的影响。

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［12］Chen Z，Miska S.Experimental study on cuttings transport with foam under simulated horizontal downhole conditions［J］.SPE99201，2007.

［13］Zamora M，Lord D L.Practical analysis of drilling mud flow in pipes and annuli［J］.SPE4976，1974.

［编辑］ 黄鹂

The Effect of Drill Tool Rotation on Cuttings Transport Rules of Foam Drilling

SUN Shihui，YAN Tie，BIXueliang，TIAN Changjian (First Author's Address:MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China)

In consideration of the effect of gas dissolution degree on foam state equation，amodelwas established for predicting the cuttings bed thickness in horizontal annulus under the condition of rotation，itwas used for predicting the rotation velocity，eccentricity of drill tool，foam quality and thickness of cuttings beds under flow rate，cuttings concentration and frictional pressure drawdown.The rules of cuttings transportation during rotation was studied by using numerical simulation.The result indicates that the drill tool rotation causes the redistribution of foam fluid，it is favorable to destroy the cuttings beds and effectively reduce the cuttings concentration in the annulus and greatly improve borehole cleaning.

foam drilling;drill tool rotation;cuttings beds height;cutting transport;borehole cleaning

TE242

A

1000-9752（2014）05-0097-05

2013-10-16

国家科技重大专项 （2011ZX05021-006）；国家自然科学基金项目 （51374077）。

孙士慧 （1986-），女，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。