泡沫欠平衡钻地热井井筒多相流特性研究

曹献平 旷曦域 刘英波 李海旭

1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中国石油胜利石油管理局孤岛采油厂垦利油藏经营管理区，山东 东营 257231

0 前言

地热资源是蕴藏丰富且无污染的清洁能源，主要用途为地热发电、供暖、务农和行医等。全世界地热资源总储量1.45×1022kJ，相当于4.948×1015t标准煤燃烧时释放出的能量。随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭，地热资源将成为未来缓解能源危机的一个重要途径。

地热钻井施工的地层岩性主要是火山岩或变质岩，具有地层温度超高、可钻性极差、裂缝发育等钻井难点。井下超高温对地热钻井循环介质要求极为苛刻，而水基泥浆（抗温<200℃）和油基泥浆（储层伤害）一般不适合于超高温地热井钻井［1-2］。采用超高温泡沫钻井能有效地解决地热井钻井难题，但将现有泡沫钻井井筒多相流计算模型用于地热井钻井其计算结果必然相差较大。主要原因在于泡沫在超高温低压状态下是否会发生相变，因此有必要针对地热井特殊情况，分析泡沫在高温低压下的相态，建立多相流模型，计算井筒物性参数，有效地指导地热井钻井施工［1-2］。

1 数学模型的建立与求解

1.1 泡沫液相变判别模型

由物理化学理论可知，单组分水所处温度越高，饱和蒸汽压越高，忽略空气在水中的溶解度，不考虑泡沫钻井液中化学添加剂和表面张力对泡沫液相饱和蒸汽压的影响，同时空气的存在会增加泡沫液相的饱和蒸汽压，基于分压定律理论，得到了井下泡沫流体相变判别模型方程［3-4］。

式中：p总为井筒压力，Pa； p水蒸气为水蒸气分压，Pa；Z空气、Z水蒸气分别为空气和水蒸气的偏差因子，无量纲；p*水蒸气为单组分水的饱和蒸汽压，Pa； p′水蒸气为考虑惰性气体后修正后的饱和蒸汽压，Pa；R为气体常数，J/（kg·K）。

由式（1）可知，当 p水蒸气>p′水蒸气时，泡沫基液不会发生相变；当p水蒸气

1.2 地热井钻井井筒多相流模型

为了精确模拟计算相变后井筒物性参数分布，需要分别建立泡沫动力学计算模型和气体动力学计算模型［5-8］。

1.2.1 泡沫钻井井筒流动控制方程

1.2.1.1 q相连续性方程

1.2.1.2 q相动量平衡方程

1.2.2 气体钻井井筒流动控制方程

1.2.2.1 连续性方程

1.2.2.2 动量方程

式中：τq为第q相的压力应变张量，Pa；Rpq为相间相互作用力，kg·m/s2；vpq为相间速度，m/s； Fq为外部体积力，kg·m/s2； Flift，q为 q 相所受升力，kg·m/s2； FVm，q为q 相所受虚拟质量力，kg·m/s2； ρq、 ρm分别为 q 相和混合物的密度，kg/m3；vq为 q 相的速度，m/s；αq为 q 相所占体积百分数，%；vm为质量平均速度，m/s；F 为体积力，kg·m/s2。

1.3 模型的求解

考虑稳定流动，式（2）～（5）模型中含有对时间偏导数的项为0，对上述模型采用迭代法求解，得到初始井筒物性参数和相平衡参数，采用相变模型判别是否发生相变。若发生相变，采用耦合模型再次计算井筒物性参数，若没有发生相变，则初始井筒物性参数为最终井筒物性参数。

2 实例计算及分析

肯尼亚OLKARIA地区地热井井深3 000 m，地层温度最高可达350℃［4-6］，现场采用的注气量为75 m3/min，注液量为15～20 L/s。模拟了该气液75m3/min注气量下的井筒压力、井筒相态、携岩能力，结果见图1。

图1表明了泡沫钻井液循环至井深2 700m段时发生了相态变化，井筒泡沫由泡流转变为蒸汽流动，其相变位置与泡沫液温度和压力有关。

图2～3表明了注入气液比增大，则环空质量数增大，有利于携岩的同时会造成井筒高温低压的情况出现，井筒易发生相态变化。因此，注入气液比是影响相变的关键因素。

图1 环空泡沫相变分析

图2 环空循环动压分布

图3 环空质量数分布

图4～5表明了当泡沫流体在高温下发生相变后，其环空流速、岩屑浓度发生了较大突变，但在一定的气液比条件下仍能保证有效携岩。因为基液汽化后会产生一定气量，加上原始注气量，其井筒实际循环气量较大，较常规气体钻井汽化后井筒流体密度更大，携岩比动能更强。

图4 环空相变后岩屑浓度分布

图5 环空相变后混合物密度分布

3 结论

根据实例中肯尼亚OLKARIA地区地层温度分布情况分析，当注入气液比较小时，井筒循环动压高，泡沫基液理论分压高，相变井段变短；反之，注入气液比较大时，井筒循环动压低，相变井段相应较长，因此可以根据实际情况，调节井口气液注入量，控制相变井段。地热井钻井时，在保证井筒温度不高于发泡剂抗温极限基础上，应该适当增大注入气液比，减小甚至尽量避免井下发生相变，因为地热井产出主要为水蒸气，水蒸气对岩屑有一定的润湿作用，容易发生泥包钻头，引发井下复杂事故。

［1］黄 鑫，董秀成，肖春跃.非常规油气勘探开发现状及发展前景［J］.天然气与石油，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］蔡义汉.地热直接利用［M］.天津：天津大学出版社，2004.122-130.Cai Yihan.Direct Use of Geothermal［M］.Tianjing：Tianjing University Press，2004.122-130.

［3］朱志昂.近代物理化学 （第三版）［M］.北京：科学出版社，2004.327-329.Zhu Zhiang.Modern Physical Chemistry（volume of third edition）［M］.Beijing：Science Press，2004.327-329.

［4］王文勇，龙俊西，刘博伟，等.超高温地热井泡沫钻井井筒压力剖面计算方法［J］.天然气工业，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 龙，张子桥，张华伟.肯尼亚OLKAR IA高温地热井钻井技术应用［J］.国外油田工程，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］赖晓晴，楼一珊，屈沅治，等.超高温地热井泡沫钻井流体技术［J］.钻井液与完井液，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］张小宁，李根生，黄中伟，等.泡沫钻井液在井筒中的流动与传热［J］.石油学报，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］魏臣兴，练章华，林铁军，等.气体钻井双稳定器钟摆钻具的模拟仿真分析［J］.天然气与石油，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.