環空井底壓力和巖屑濃度影響因素分析技術研究

張昕冉

摘 要：井底壓力和井底巖屑濃度對鉆井具有非常重要的意義，它們不僅是鉆井安全的重要控制指標，同時也是進行鉆井水力參數優化的重要依據。根據泡沫欠平衡鉆井水力參數優化要求：優選合適的注氣、注液流量和井口回壓等施工參數，在滿足鉆井攜巖要求的前提下使井底壓力最小。對于利用泡沫鉆井液進行地熱鉆井得情況，由于溫度、流變性等因素的影響，其攜巖返排過程要比常規鉆井復雜的多，因此有必要對泡沫地熱井中環空底部壓力和巖屑濃度進行研究。

關鍵詞：井底壓力;巖屑濃度;泡沫欠平衡鉆井

1 前言

泡沫是由大量氣泡聚集而成的集合體，這種特殊結構使其具有許多不同于常規流體的特點，如低摩阻、低密度、低濾失、強返排和強攜巖能力以及低儲層傷害等，并被廣泛應用于欠平衡鉆井以及易漏、水敏地層的作業中。泡沫性質是研究泡沫在井筒中流動特征的基礎，同時也是設計和優化現場水力參數的重要依據。目前，國內外對于水基泡沫流變性的研究主要在油氣領域，但由于地熱鉆井環境不同于常規油氣鉆井，且目前高溫對泡沫的流變性、攜巖能力的影響尚無成熟的認識，因此對高溫地熱鉆井中泡沫流變性的研究顯得至關重要。泡沫鉆井屬于欠平衡鉆井，根據泡沫欠平衡鉆井水力參數優化要求，優選合適的注氣、注液流量和井口回壓等施工參數，在滿足鉆井攜巖要求的前提下使井底壓力最小。

2 注氣流量與環空底部壓力和巖屑濃度之間的關系

下圖1給出了注氣流量與環空底部壓力和巖屑濃度之間的關系。由圖1可知，注氣流量對環空底部壓力和巖屑濃度具有很大的影響。隨著注氣流量的增加，井底巖屑濃度逐漸減小，且減小的幅度越來越小，而環空井底壓力先減小后增加。這說明增加注氣流量有利于降低井底巖屑濃度，改善井底壓力，但這種效果隨注氣流量的增加而減弱，因此在現場施工時，需根據具體的鉆井要求選擇合適的注氣流量。

3 注液流量對環空底部壓力和巖屑濃度的影響

由圖2可知，注液流量對環空底部壓力和巖屑濃度影響較大。隨著注液流量的增加，環空底部壓力先減小后增大，巖屑濃度逐漸減小，且減小的幅度逐漸減小。這說明，增加注液流量有利于降低井底巖屑濃度，但是注液流量過大或過小都會導致井底壓力的增大，因此需根據具體鉆井要求選擇合適的注液流量，將井底壓力和巖屑濃度控制在一個合理的范圍。

4 環空底部壓力和巖屑濃度與井口回壓的關系

圖3為環空底部壓力和巖屑濃度與井口回壓的關系曲線。由圖3可知，井口回壓對環空底部壓力具有很大的影響，對環空底部巖屑濃度影響不大，且環空底部壓力和巖屑濃度均隨井口回壓的增加而增大。因此在實際鉆井中需要將井口回壓控制在一定范圍內，以免出現井底壓力過大的情況。井口回壓對巖屑濃度影響較小是由于其對環空中壓力的分布影響不大，當注氣、注液流量不變時，泡沫流體的速度變化較小，導致泡沫流體的攜巖能力變化較小，最終表現為井底巖屑濃度隨井口回壓的增加而略微增大。

5 機械鉆速對環空底部壓力和巖屑濃度影響

由圖4可知，機械鉆速對環空底部壓力和巖屑濃度具有顯著的影響，環空底部壓力和巖屑濃度隨著機械鉆速的增加而增大。當注氣流量、注液流量不變時，泡沫流體的攜巖能力一定，增加機械鉆速會導致環空內巖屑濃度增加，進而導致環空底部壓力升高。因此，在鉆井過程需根據實際的排量制定合理的鉆進速度。

6 環空底部壓力和巖屑濃度與巖屑粒徑之間的關系研究

圖5為環空底部壓力和巖屑濃度與巖屑粒徑之間的關系曲線。由圖5可知，巖屑粒徑對環空底部壓力和巖屑濃度具有顯著的影響，環空底部壓力和巖屑濃度隨著巖屑粒徑的增加而增大。分析認為，巖屑的粒徑越大，其在流體中的浮重便越大，在流體中具有更大的沉降速度，進而導致環空中巖屑濃度增大，并進一步增大環空底部壓力。

7 小結

綜合上述分析，環空井底壓力和巖屑濃度影響因素具有以下特點：

（1）隨著注氣流量的增加，井底巖屑濃度逐漸減小，且減小的幅度越來越小，而環空井底壓力先減小后增加。

（2）隨著注液流量的增加，環空底部壓力先減小后增大，巖屑濃度逐漸減小，且減小的幅度逐漸減小。

（3）井口回壓對環空底部壓力具有很大的影響，對環空底部巖屑濃度影響不大，且環空底部壓力和巖屑濃度均隨井口回壓的增加而增大。

（4）機械鉆速對環空底部壓力和巖屑濃度具有顯著的影響，環空底部壓力和巖屑濃度隨著機械鉆速的增加而增大。

（5）巖屑粒徑對環空底部壓力和巖屑濃度具有顯著的影響，環空底部壓力和巖屑濃度隨著巖屑粒徑的增加而增大。

參考文獻：

[1]空氣鉆井攜巖及防燃爆最小注氣量計算方法[J].龐東豪，袁騏驥.天然氣工業. 2009（03）.

[2]節流器內液-固兩相流固體顆粒沖蝕數值模擬[J].李國美，王躍社，孫虎，亢力強，王燕令，何仁洋. 石油學報. 2009（01）.

[3]穩定泡沫鉆水平井井筒穩態流動的解析模型[J].王利國，楊虎，許期聰，蘭祥華，沈青. 天然氣工業. 2008（06）.