泡沫极限兵神

第27卷第4期2010年7月钻井液与完井液DRILLINGFLUID&COMPLETIONFLUID、,01.
27NO.
4July2010文章编号:1001.
5620(2010)04—0004.
03泡沫钻井携岩极限井深模拟与实例研究杨虎(新疆浦田公司勘探开发研究院,新疆克拉玛依)摘要泡沫钻井环空流道中的两相流体随压力和温度的变化,其泡沫质量和流速随井深连续减小,当井深超过一定范围时,循环流体的液体体积系数增大,流型发生突变,由泡沫流转换为气泡分散流,气泡间无干扰,不存在高强度液膜,其悬浮能力、切力和流速值很低,无法实现高机械钻速下的有效携岩.
该井深值被定义为泡沫钻井的"极限井深".
结合新疆油田泡沫钻井沉砂卡钻的实例,从泡沫的悬浮和携带岩屑的机理研究入手,对现场数据进行模拟和分析,充分论证了泡沫存在携岩的"极限井深"的科学性,认为泡沫钻井超过井深4000m后需进行其携岩能力评价,并采取相应的有效措施以提高泡沫携岩能力.
关键词泡沫钻井;携岩能力;极限井深中图分类号:TE242.
8文献标识码:A稳定泡沫是由气泡和液膜组成的特殊的气液两相流体,其中气体为分散相,虽然液体量很小,但是表面活性剂的加入使液膜的表面张力大幅度减小,使气泡处于稳定的液膜包裹之中.
随泡沫质量不同,其流变性和稳定性有所不同,从而导致泡沫流体的悬浮和携岩能力沿环空流道有所变化_1].
从泡沫的悬浮和携带岩屑的机理研究人手,提出了泡沫钻井携岩"极限井深"的概念.
结合新疆油田泡沫钻井沉砂卡钻的实例,对现场数据进行模拟和分析,论证了泡沫存在携岩的"极限井深"的科学性.
1泡沫流体携岩能力分析泡沫流体的悬浮和携岩能力是油气田钻井作业的重要性能.
其悬浮性和携砂能力主要受流变性、泡沫质量和环空流速的影响[1].
1971年,Mitchell给出了不同泡沫质量情况下泡沫的结构状况和黏度、动切力的关系(见图1),且把泡沫流体按其质量差异划分为4个区域.
第一个区域为0~52%,称为泡沫分散区,此时气泡是球形且互相不接触,属于牛顿流型.
第二区域为52%~74%,称为泡沫干扰区,气泡开始干扰与冲突,球体逐步聚集,黏度和动切力增加.
第三区域为74%~96%,气体由球形变成平行六面体,这时流体属于宾汉流体或带屈服值的假塑性流体,是典型的稳定泡沫区.
第四区域为雾区[1-2]021委慧·爸2.
081.
51.
00.
5匿嗵0.
0器赠泡沫质量注:1lb/lO0fl=O.
48Pa.
图1泡沫黏度和屈服值随泡沫质量的变化规律泡沫处于稳定泡沫区时,钻屑或砂粒的体积一般比气泡要大许多倍,砂粒基本上被气泡撑托着.
砂粒要下沉,就迫使气泡变形,或被挤出一条通道时才能发生.
由于砂粒的质量不足以使气泡变形,因此泡沫的悬浮能力是很强的.
根据一些学者实测,砂粒在泡沫中的沉降速度极小,泡沫的悬浮能力比水或冻胶液大10~100倍.
直径为0.
5~0.
8mrn的第一作者简介:杨虎,博士,SPE会员,高级工程师,入选新疆自治区高层次人才库,毕业于中国石油大学(北京),主要从事水平分支井、钻井提速技术、欠平衡钻井和储层保护等技术的研究工作.
地址:新疆克拉玛依市勘探开发研究院工程所;邮政编码834000;电话13909907750/(0990)6869144;E—mail:yanghu@petrochina.
CON.
crl.
第27卷第4期杨虎:泡沫钻井携岩极限井深模拟与实例研究5压裂砂在泡沫质量为70%~80%的泡沫流体中,自然沉降速度仅为0.
3*10~~0.
6*l0~m/s.
因此,砂粒在高质量的泡沫中的沉降速度可忽略不计.
.
泡沫的悬浮能力和携砂能力还取决于泡沫质量,其变化规律如图2所示.
j璺靛-R耀处l雾fI、{泡沫流速0.
635m/s\/\稳定泡沫II气泡分散濂、、抱沫流速=0.
2{;4m/s\'~lli一液体体积系数(1一泡沫质量)图2不同泡沫质量与携岩能力的关系曲线为了保持良好的举升能力,井底泡沫质量应保持在60%以上,低于该值泡沫趋于分散气泡流型,气泡分散后的悬浮能力明显下降,其携岩能力主要取决于液体的性能和流速;井口泡沫质量应保持在84%~97%,超过97%后,泡沫变成雾流,泡沫流体已失去稳定性,携砂能力立刻下降,其携岩能力主要取决于气体流速【】.
].
另外,不同介质的清洗能力和携带能力还取决于环空流速.
国内外诸多学者对石油与天然气钻井的3种清洗介质拟定了最佳流速范围,研究认为空气介质为15m/s,泡沫介质为0.
26~0.
51m/s,钻井液介质为0.
51~1.
53m/s.
2泡沫携岩"极限井深"的定义泡沫钻井环空流道中的两相流体随压力和温度的变化而变化,其泡沫质量和流速随井深的增加连续减小,当井深超过一定范围时,循环流体的液体体积系数增大,流型发生突变,由泡沫流转换为气泡分散流,气泡间无干扰,不存在高强度液膜,其悬浮能力、切力和流速值很低,无法实现高机械钻速下的有效携岩,如图3所示,泡沫区与气泡分散区的过渡点对应井深范围被定义为泡沫携岩"极限井深".
该井深值为一个数值范围,随泡沫基液配方、气液注入量及环空尺寸的不同有所变化.
依据文献[4]稳定泡沫钻井流动数学模型,对不同泡沫气液注人量及不同环空尺寸进行泡沫流动参数(包括:环空流速、泡沫质量和环空上返时间)的数值模拟.
通过大量的数据模拟,认为多数情况下,钻至井深4000m后泡沫流体均转化为气泡分散流,此处泡沫携岩流速和悬浮力骤降(接近于0).
雾区泡沫分散图3井筒泡沫流型分布图3泡沫携岩"极限井深"的实例论证风19井为新疆准噶尔盆地西北缘乌夏断裂带的一口重点探井.
该井钻探目的为勘探二叠系佳木河组火山岩体的含油气情况.
风19井设计三开井身结构为:表层套管下至井深494m(封疏松漏层);二开采用311.
2ITI1TI钻头进行常规钻井液钻进,下入西244.
5mm套管至井深3640m(封风城组);三开采用215.
9mm钻头进行泡沫欠平衡钻井,钻至井深44001TI完钻.
风l9井三开实际钻井情况为井深3640~3864ITI采用常规钻井液钻进,机械钻速约为20m/d;井深3864~4248m采用泡沫欠平衡钻进,钻至井深4248.
5m处发生卡钻,进行爆破松扣解卡作业,随后采用常规钻井液进行侧钻,侧钻点为4046~40951TI(井斜2.
).
对该井泡沫钻井现场具体参数进行分析,分别对泡沫质量、环空返速及上返时间进行模拟,分析风19井泡沫钻井卡钻的具体原因如下.
3.
1现场情况判断在该井4200~4248m井段泡沫钻井机械钻速高达15m/h;空气注入流量为47m/min;泡沫基液注入流量为0.
2m/min;泡沫基液黏度为20mPa·S,排砂口返出经常出现段塞,从44min到10min不等,且在第一趟短程起钻测斜后下钻,井底已经有14m的沉砂.
现场处理事故测鱼顶时发现有5.
19m的沉砂,表明泡沫并未将井底岩屑完全带出.
3.
2泡沫质量模拟当泡沫质量小于60%时,泡沫由聚集的气泡6钻井液与完井液2010年7月群转变为游离于液体中的气泡分散流,此时泡沫的携岩能力很小,无法有效携岩.
由图4可知,风19井现场气液注入比为47:0.
20,泡沫质量大于60%时有效携岩的"极限井深"约为42001TI.
O10o02Oo030004000泡沫质量/%O102030405060708090100图4风19井三开钻井环空泡沫质量模拟曲线3.
3泡沫返速模拟泡沫处于气泡游离于液体中的气泡分散流时,其携岩主要依靠泡沫基液的悬浮力、切力及流速.
分析表明,当泡沫基液流速大于0.
5m/s时才能实现基液的有效携岩.
由图5可知,风19井现场气液注入比为47:0.
20,环空约为390012:1以下泡沫返速均低于0.
5m/s,若此处泡沫转变为气泡分散流,则很容易发生携岩不畅的问题.
01Ooo2000班璋k3000柏0o环形空间流~g/(m/min)0l0o200300400500600图5风l9井三开泡沫钻井环空返速模拟曲线3.
4环空岩屑的累积效应泡沫上返时间可问接反映出岩屑在环空的累积效应,见图6.
01O0o2000蟋撒30004000tlminO102O3O405060708090由图6可以看出,风19井现场气液注人比为47:0.
20,泡沫的环空迟到时间为56~84min.
该井泡沫钻进的平均钻速约为10m/h,以泡沫携岩率为90%计算,在上返时问内累积滞留在井筒的岩屑量约为1O~14rn.
然而,该井卡钻后进行爆破松扣侧钻后,进行岩屑对比分析发现,泡沫所钻原井眼(4220~4248m)近301l"1的岩屑没有返出,泡沫钻进至该井段时并未捞取到褐色泥岩和灰色泥岩.
以上4点分析表明:由于携砂能力不足,井筒内岩屑累积未及时返出,导致风19井215.
9mm井眼泡沫钻井卡钻.
为了有效携岩,保证井筒环空泡沫质量维持在60%~97%的泡沫流.
模拟当地面气液注入比为47:0.
20时,泡沫流极限井深为42001TI;当地面气液注入比为70:0.
30时,泡沫流极限井深为39001TI.
无论是采用注人量为47ITI/min还是701TI.
/min,通过调整泡沫基液注入量为0.
15~0.
401TI/min,均存在泡沫流体的携岩极限井深.
4认识及建议风19井泡沫钻井钻至井深4248.
51TI发生卡钻,现场注气量为46~47m3/min,注液量为0.
2ITI/min,环空最低流速为0.
3m/s,机械钻速为10m/h,且此时泡沫的迟到时间约为70min,若洗井时间不足,无法实现有效携岩,沉砂卡钻难以避免.
因此,该井的卡钻原因为沉砂卡钻.
通过风19井泡沫钻井的论证,提出了泡沫钻井"携岩极限井深"的概念,建议在井深40001TI以下井深进行泡沫钻井作业时,进行泡沫携岩能力的论证,并采取相应有效措施提高泡沫携岩能力.
参考文献[1]杨虎.
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图6风19井三开环空泡沫上返时间模拟曲线(收稿日~2009—11-22;1NDF=1003M4;编辑马倩芸)