泡沫欠平衡鉆地?zé)峋捕嘞嗔魈匦匝芯?/h1>
2013-10-23 07:34曹獻(xiàn)平曠曦域劉英波李海旭
天然氣與石油 2013年4期
曹獻(xiàn)平 曠曦域 劉英波 李海旭
1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油勝利石油管理局孤島采油廠墾利油藏經(jīng)營(yíng)管理區(qū)，山東 東營(yíng) 257231
0 前言
地?zé)豳Y源是蘊(yùn)藏豐富且無污染的清潔能源，主要用途為地?zé)岚l(fā)電、供暖、務(wù)農(nóng)和行醫(yī)等。全世界地?zé)豳Y源總儲(chǔ)量1.45×1022kJ，相當(dāng)于4.948×1015t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)釋放出的能量。隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，地?zé)豳Y源將成為未來緩解能源危機(jī)的一個(gè)重要途徑。
地?zé)徙@井施工的地層巖性主要是火山巖或變質(zhì)巖，具有地層溫度超高、可鉆性極差、裂縫發(fā)育等鉆井難點(diǎn)。井下超高溫對(duì)地?zé)徙@井循環(huán)介質(zhì)要求極為苛刻，而水基泥漿（抗溫<200℃）和油基泥漿（儲(chǔ)層傷害）一般不適合于超高溫地?zé)峋@井［1-2］。采用超高溫泡沫鉆井能有效地解決地?zé)峋@井難題，但將現(xiàn)有泡沫鉆井井筒多相流計(jì)算模型用于地?zé)峋@井其計(jì)算結(jié)果必然相差較大。主要原因在于泡沫在超高溫低壓狀態(tài)下是否會(huì)發(fā)生相變，因此有必要針對(duì)地?zé)峋厥馇闆r，分析泡沫在高溫低壓下的相態(tài)，建立多相流模型，計(jì)算井筒物性參數(shù)，有效地指導(dǎo)地?zé)峋@井施工［1-2］。
1 數(shù)學(xué)模型的建立與求解
1.1 泡沫液相變判別模型
由物理化學(xué)理論可知，單組分水所處溫度越高，飽和蒸汽壓越高，忽略空氣在水中的溶解度，不考慮泡沫鉆井液中化學(xué)添加劑和表面張力對(duì)泡沫液相飽和蒸汽壓的影響，同時(shí)空氣的存在會(huì)增加泡沫液相的飽和蒸汽壓，基于分壓定律理論，得到了井下泡沫流體相變判別模型方程［3-4］。
式中：p總為井筒壓力，Pa； p水蒸氣為水蒸氣分壓，Pa；Z空氣、Z水蒸氣分別為空氣和水蒸氣的偏差因子，無量綱；p*水蒸氣為單組分水的飽和蒸汽壓，Pa； p′水蒸氣為考慮惰性氣體后修正后的飽和蒸汽壓，Pa；R為氣體常數(shù)，J/（kg·K）。
由式（1）可知，當(dāng) p水蒸氣>p′水蒸氣時(shí)，泡沫基液不會(huì)發(fā)生相變；當(dāng)p水蒸氣1.2 地?zé)峋@井井筒多相流模型
為了精確模擬計(jì)算相變后井筒物性參數(shù)分布，需要分別建立泡沫動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型和氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型［5-8］。
1.2.1 泡沫鉆井井筒流動(dòng)控制方程
1.2.1.1 q相連續(xù)性方程
1.2.1.2 q相動(dòng)量平衡方程
1.2.2 氣體鉆井井筒流動(dòng)控制方程
1.2.2.1 連續(xù)性方程
1.2.2.2 動(dòng)量方程
式中：τq為第q相的壓力應(yīng)變張量，Pa；Rpq為相間相互作用力，kg·m/s2；vpq為相間速度，m/s； Fq為外部體積力，kg·m/s2； Flift，q為 q 相所受升力，kg·m/s2； FVm，q為q 相所受虛擬質(zhì)量力，kg·m/s2； ρq、 ρm分別為 q 相和混合物的密度，kg/m3；vq為 q 相的速度，m/s；αq為 q 相所占體積百分?jǐn)?shù)，%；vm為質(zhì)量平均速度，m/s；F 為體積力，kg·m/s2。
1.3 模型的求解
考慮穩(wěn)定流動(dòng)，式（2）～（5）模型中含有對(duì)時(shí)間偏導(dǎo)數(shù)的項(xiàng)為0，對(duì)上述模型采用迭代法求解，得到初始井筒物性參數(shù)和相平衡參數(shù)，采用相變模型判別是否發(fā)生相變。若發(fā)生相變，采用耦合模型再次計(jì)算井筒物性參數(shù)，若沒有發(fā)生相變，則初始井筒物性參數(shù)為最終井筒物性參數(shù)。
2 實(shí)例計(jì)算及分析
肯尼亞OLKARIA地區(qū)地?zé)峋? 000 m，地層溫度最高可達(dá)350℃［4-6］，現(xiàn)場(chǎng)采用的注氣量為75 m3/min，注液量為15～20 L/s。模擬了該氣液75m3/min注氣量下的井筒壓力、井筒相態(tài)、攜巖能力，結(jié)果見圖1。
圖1表明了泡沫鉆井液循環(huán)至井深2 700m段時(shí)發(fā)生了相態(tài)變化，井筒泡沫由泡流轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝鲃?dòng)，其相變位置與泡沫液溫度和壓力有關(guān)。
圖2～3表明了注入氣液比增大，則環(huán)空質(zhì)量數(shù)增大，有利于攜巖的同時(shí)會(huì)造成井筒高溫低壓的情況出現(xiàn)，井筒易發(fā)生相態(tài)變化。因此，注入氣液比是影響相變的關(guān)鍵因素。
圖1 環(huán)空泡沫相變分析
圖2 環(huán)空循環(huán)動(dòng)壓分布
圖3 環(huán)空質(zhì)量數(shù)分布
圖4～5表明了當(dāng)泡沫流體在高溫下發(fā)生相變后，其環(huán)空流速、巖屑濃度發(fā)生了較大突變，但在一定的氣液比條件下仍能保證有效攜巖。因?yàn)榛浩髸?huì)產(chǎn)生一定氣量，加上原始注氣量，其井筒實(shí)際循環(huán)氣量較大，較常規(guī)氣體鉆井汽化后井筒流體密度更大，攜巖比動(dòng)能更強(qiáng)。
圖4 環(huán)空相變后巖屑濃度分布
圖5 環(huán)空相變后混合物密度分布
3 結(jié)論
根據(jù)實(shí)例中肯尼亞OLKARIA地區(qū)地層溫度分布情況分析，當(dāng)注入氣液比較小時(shí)，井筒循環(huán)動(dòng)壓高，泡沫基液理論分壓高，相變井段變短；反之，注入氣液比較大時(shí)，井筒循環(huán)動(dòng)壓低，相變井段相應(yīng)較長(zhǎng)，因此可以根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)節(jié)井口氣液注入量，控制相變井段。地?zé)峋@井時(shí)，在保證井筒溫度不高于發(fā)泡劑抗溫極限基礎(chǔ)上，應(yīng)該適當(dāng)增大注入氣液比，減小甚至盡量避免井下發(fā)生相變，因?yàn)榈責(zé)峋a(chǎn)出主要為水蒸氣，水蒸氣對(duì)巖屑有一定的潤(rùn)濕作用，容易發(fā)生泥包鉆頭，引發(fā)井下復(fù)雜事故。
［1］黃 鑫，董秀成，肖春躍.非常規(guī)油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.天然氣與石油，2012，30（6）：38-41.Huang Xin，Dong Xiucheng，Xiao Chunyue.Present Situation and Development Prospect of Unconventional Oil and Gas Exploration and Development［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（6）：38-41.
［2］蔡義漢.地?zé)嶂苯永茫跰］.天津：天津大學(xué)出版社，2004.122-130.Cai Yihan.Direct Use of Geothermal［M］.Tianjing：Tianjing University Press，2004.122-130.
［3］朱志昂.近代物理化學(xué) （第三版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.327-329.Zhu Zhiang.Modern Physical Chemistry（volume of third edition）［M］.Beijing：Science Press，2004.327-329.
［4］王文勇，龍俊西，劉博偉，等.超高溫地?zé)峋菽@井井筒壓力剖面計(jì)算方法［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（7）：59-60.Wang Wenyong，Long Junxi，Liu Bowei，etal.The Calculation Method of Borehole Pressure Profile in U ltra-high Geothermal Wells While Foam Drilling ［J］.NaturalGas Industry，2012，32（7）：59-60.
［5］王 龍，張子橋，張華偉.肯尼亞OLKAR IA高溫地?zé)峋@井技術(shù)應(yīng)用［J］.國(guó)外油田工程，2010，26（10）：32-35.Wang Long，Zhang Ziqiao，Zhang Huawei.The Application of High Temperature Geothermal Well Drilling Technology in Kenya OLKAR IA［J］.Foreign Oil Field Engineering，2010，26（10）：32-35.
［6］賴曉晴，樓一珊，屈沅治，等.超高溫地?zé)峋菽@井流體技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2009，26（2）：38-40.Lai Xiaoqing，Lou Yishan，Qu Yuanzhi，et al.The Foam Drilling Fluid Technology in Vltra-high Temperature Geothermal Wells［J］.Drilling and Completion Fluids，2009，26（2）：38-40.
［7］張小寧，李根生，黃中偉，等.泡沫鉆井液在井筒中的流動(dòng)與傳熱［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，31（1）：131-137.Zhang Xiaoning，Li Gensheng，Huang Zhongwei，et al.The Wellbore Flow and Heat Transfer of Foam Drilling Fluid ［J］.Petroleum Technology，2010，31（1）：131-137.
［8］魏臣興，練章華，林鐵軍，等.氣體鉆井雙穩(wěn)定器鐘擺鉆具的模擬仿真分析［J］.天然氣與石油，2012，30（5）：75-77.W eiChenxing，Lian Zhanghua，Lin Tiejun，etal.Analog Simulation Analysis on Gas Drilling Double Stabilizer Pendulum DrillAssembly ［J］.NaturalGasand Oil，2012，30（5）：75-77.
猜你喜歡
蒸汽壓片玉米在肉牛養(yǎng)殖生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展現(xiàn)代畜牧獸醫(yī)(2022年1期)2022-12-07 深水油氣井全生命周期環(huán)空圈閉壓力預(yù)測(cè)模型*石油機(jī)械(2022年4期)2022-04-13 基于熱傳遞作用的環(huán)空圈閉壓力預(yù)測(cè)與分析 普通玉米、糯玉米和蒸汽壓片玉米對(duì)生長(zhǎng)豬能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率的影響豬業(yè)科學(xué)(2021年3期)2021-05-21 高壓氣井突發(fā)環(huán)空壓力異常應(yīng)對(duì)措施鉆采工藝(2020年5期)2020-03-09 基于環(huán)空帶壓臨界值確定高溫高壓氣井臨界產(chǎn)量* 昆2加深井超高溫聚胺有機(jī)鹽鉆井液技術(shù)鉆井液與完井液(2019年4期)2019-10-10 蒸汽壓片玉米加工工藝及其在肉牛生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展中國(guó)畜牧雜志(2019年3期)2019-01-11 合成鋰皂石用作超高溫水基鉆井液增黏劑實(shí)驗(yàn)研究鉆井液與完井液(2018年5期)2018-02-13 炎熱的夏天兒童時(shí)代·快樂苗苗(2016年2期)2016-10-22
曹獻(xiàn)平 曠曦域 劉英波 李海旭
1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油勝利石油管理局孤島采油廠墾利油藏經(jīng)營(yíng)管理區(qū)，山東 東營(yíng) 257231
0 前言
地?zé)豳Y源是蘊(yùn)藏豐富且無污染的清潔能源，主要用途為地?zé)岚l(fā)電、供暖、務(wù)農(nóng)和行醫(yī)等。全世界地?zé)豳Y源總儲(chǔ)量1.45×1022kJ，相當(dāng)于4.948×1015t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)釋放出的能量。隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，地?zé)豳Y源將成為未來緩解能源危機(jī)的一個(gè)重要途徑。
地?zé)徙@井施工的地層巖性主要是火山巖或變質(zhì)巖，具有地層溫度超高、可鉆性極差、裂縫發(fā)育等鉆井難點(diǎn)。井下超高溫對(duì)地?zé)徙@井循環(huán)介質(zhì)要求極為苛刻，而水基泥漿（抗溫<200℃）和油基泥漿（儲(chǔ)層傷害）一般不適合于超高溫地?zé)峋@井［1-2］。采用超高溫泡沫鉆井能有效地解決地?zé)峋@井難題，但將現(xiàn)有泡沫鉆井井筒多相流計(jì)算模型用于地?zé)峋@井其計(jì)算結(jié)果必然相差較大。主要原因在于泡沫在超高溫低壓狀態(tài)下是否會(huì)發(fā)生相變，因此有必要針對(duì)地?zé)峋厥馇闆r，分析泡沫在高溫低壓下的相態(tài)，建立多相流模型，計(jì)算井筒物性參數(shù)，有效地指導(dǎo)地?zé)峋@井施工［1-2］。
1 數(shù)學(xué)模型的建立與求解
1.1 泡沫液相變判別模型
由物理化學(xué)理論可知，單組分水所處溫度越高，飽和蒸汽壓越高，忽略空氣在水中的溶解度，不考慮泡沫鉆井液中化學(xué)添加劑和表面張力對(duì)泡沫液相飽和蒸汽壓的影響，同時(shí)空氣的存在會(huì)增加泡沫液相的飽和蒸汽壓，基于分壓定律理論，得到了井下泡沫流體相變判別模型方程［3-4］。
式中：p總為井筒壓力，Pa； p水蒸氣為水蒸氣分壓，Pa；Z空氣、Z水蒸氣分別為空氣和水蒸氣的偏差因子，無量綱；p*水蒸氣為單組分水的飽和蒸汽壓，Pa； p′水蒸氣為考慮惰性氣體后修正后的飽和蒸汽壓，Pa；R為氣體常數(shù)，J/（kg·K）。
由式（1）可知，當(dāng) p水蒸氣>p′水蒸氣時(shí)，泡沫基液不會(huì)發(fā)生相變；當(dāng)p水蒸氣 為了精確模擬計(jì)算相變后井筒物性參數(shù)分布，需要分別建立泡沫動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型和氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型［5-8］。 1.2.1 泡沫鉆井井筒流動(dòng)控制方程 1.2.1.1 q相連續(xù)性方程 1.2.1.2 q相動(dòng)量平衡方程 1.2.2 氣體鉆井井筒流動(dòng)控制方程 1.2.2.1 連續(xù)性方程 1.2.2.2 動(dòng)量方程 式中：τq為第q相的壓力應(yīng)變張量，Pa；Rpq為相間相互作用力，kg·m/s2；vpq為相間速度，m/s； Fq為外部體積力，kg·m/s2； Flift，q為 q 相所受升力，kg·m/s2； FVm，q為q 相所受虛擬質(zhì)量力，kg·m/s2； ρq、 ρm分別為 q 相和混合物的密度，kg/m3；vq為 q 相的速度，m/s；αq為 q 相所占體積百分?jǐn)?shù)，%；vm為質(zhì)量平均速度，m/s；F 為體積力，kg·m/s2。 考慮穩(wěn)定流動(dòng)，式（2）～（5）模型中含有對(duì)時(shí)間偏導(dǎo)數(shù)的項(xiàng)為0，對(duì)上述模型采用迭代法求解，得到初始井筒物性參數(shù)和相平衡參數(shù)，采用相變模型判別是否發(fā)生相變。若發(fā)生相變，采用耦合模型再次計(jì)算井筒物性參數(shù)，若沒有發(fā)生相變，則初始井筒物性參數(shù)為最終井筒物性參數(shù)。 肯尼亞OLKARIA地區(qū)地?zé)峋? 000 m，地層溫度最高可達(dá)350℃［4-6］，現(xiàn)場(chǎng)采用的注氣量為75 m3/min，注液量為15～20 L/s。模擬了該氣液75m3/min注氣量下的井筒壓力、井筒相態(tài)、攜巖能力，結(jié)果見圖1。 圖1表明了泡沫鉆井液循環(huán)至井深2 700m段時(shí)發(fā)生了相態(tài)變化，井筒泡沫由泡流轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝鲃?dòng)，其相變位置與泡沫液溫度和壓力有關(guān)。 圖2～3表明了注入氣液比增大，則環(huán)空質(zhì)量數(shù)增大，有利于攜巖的同時(shí)會(huì)造成井筒高溫低壓的情況出現(xiàn)，井筒易發(fā)生相態(tài)變化。因此，注入氣液比是影響相變的關(guān)鍵因素。 圖1 環(huán)空泡沫相變分析 圖2 環(huán)空循環(huán)動(dòng)壓分布 圖3 環(huán)空質(zhì)量數(shù)分布 圖4～5表明了當(dāng)泡沫流體在高溫下發(fā)生相變后，其環(huán)空流速、巖屑濃度發(fā)生了較大突變，但在一定的氣液比條件下仍能保證有效攜巖。因?yàn)榛浩髸?huì)產(chǎn)生一定氣量，加上原始注氣量，其井筒實(shí)際循環(huán)氣量較大，較常規(guī)氣體鉆井汽化后井筒流體密度更大，攜巖比動(dòng)能更強(qiáng)。 圖4 環(huán)空相變后巖屑濃度分布 圖5 環(huán)空相變后混合物密度分布 根據(jù)實(shí)例中肯尼亞OLKARIA地區(qū)地層溫度分布情況分析，當(dāng)注入氣液比較小時(shí)，井筒循環(huán)動(dòng)壓高，泡沫基液理論分壓高，相變井段變短；反之，注入氣液比較大時(shí)，井筒循環(huán)動(dòng)壓低，相變井段相應(yīng)較長(zhǎng)，因此可以根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)節(jié)井口氣液注入量，控制相變井段。地?zé)峋@井時(shí)，在保證井筒溫度不高于發(fā)泡劑抗溫極限基礎(chǔ)上，應(yīng)該適當(dāng)增大注入氣液比，減小甚至盡量避免井下發(fā)生相變，因?yàn)榈責(zé)峋a(chǎn)出主要為水蒸氣，水蒸氣對(duì)巖屑有一定的潤(rùn)濕作用，容易發(fā)生泥包鉆頭，引發(fā)井下復(fù)雜事故。 ［1］黃 鑫，董秀成，肖春躍.非常規(guī)油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.天然氣與石油，2012，30（6）：38-41.Huang Xin，Dong Xiucheng，Xiao Chunyue.Present Situation and Development Prospect of Unconventional Oil and Gas Exploration and Development［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（6）：38-41. ［2］蔡義漢.地?zé)嶂苯永茫跰］.天津：天津大學(xué)出版社，2004.122-130.Cai Yihan.Direct Use of Geothermal［M］.Tianjing：Tianjing University Press，2004.122-130. ［3］朱志昂.近代物理化學(xué) （第三版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.327-329.Zhu Zhiang.Modern Physical Chemistry（volume of third edition）［M］.Beijing：Science Press，2004.327-329. ［4］王文勇，龍俊西，劉博偉，等.超高溫地?zé)峋菽@井井筒壓力剖面計(jì)算方法［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（7）：59-60.Wang Wenyong，Long Junxi，Liu Bowei，etal.The Calculation Method of Borehole Pressure Profile in U ltra-high Geothermal Wells While Foam Drilling ［J］.NaturalGas Industry，2012，32（7）：59-60. ［5］王 龍，張子橋，張華偉.肯尼亞OLKAR IA高溫地?zé)峋@井技術(shù)應(yīng)用［J］.國(guó)外油田工程，2010，26（10）：32-35.Wang Long，Zhang Ziqiao，Zhang Huawei.The Application of High Temperature Geothermal Well Drilling Technology in Kenya OLKAR IA［J］.Foreign Oil Field Engineering，2010，26（10）：32-35. ［6］賴曉晴，樓一珊，屈沅治，等.超高溫地?zé)峋菽@井流體技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2009，26（2）：38-40.Lai Xiaoqing，Lou Yishan，Qu Yuanzhi，et al.The Foam Drilling Fluid Technology in Vltra-high Temperature Geothermal Wells［J］.Drilling and Completion Fluids，2009，26（2）：38-40. ［7］張小寧，李根生，黃中偉，等.泡沫鉆井液在井筒中的流動(dòng)與傳熱［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，31（1）：131-137.Zhang Xiaoning，Li Gensheng，Huang Zhongwei，et al.The Wellbore Flow and Heat Transfer of Foam Drilling Fluid ［J］.Petroleum Technology，2010，31（1）：131-137. ［8］魏臣興，練章華，林鐵軍，等.氣體鉆井雙穩(wěn)定器鐘擺鉆具的模擬仿真分析［J］.天然氣與石油，2012，30（5）：75-77.W eiChenxing，Lian Zhanghua，Lin Tiejun，etal.Analog Simulation Analysis on Gas Drilling Double Stabilizer Pendulum DrillAssembly ［J］.NaturalGasand Oil，2012，30（5）：75-77.1.2 地?zé)峋@井井筒多相流模型
1.3 模型的求解
2 實(shí)例計(jì)算及分析
3 結(jié)論
猜你喜歡
現(xiàn)代畜牧獸醫(yī)(2022年1期)2022-12-07
石油機(jī)械(2022年4期)2022-04-13
豬業(yè)科學(xué)(2021年3期)2021-05-21
鉆采工藝(2020年5期)2020-03-09
鉆井液與完井液(2019年4期)2019-10-10
中國(guó)畜牧雜志(2019年3期)2019-01-11
鉆井液與完井液(2018年5期)2018-02-13
兒童時(shí)代·快樂苗苗(2016年2期)2016-10-22
