气体钻井地层出水环空携液规律研究

2015-12-28文春宇,杨斐,蔡光林等

重庆科技学院学报（自然科学版） 2015年1期

1 环空气体携水机理分析

在气体钻井过程中，如果地层出水，则极易导致携岩规律复杂化、注气量增加、泥包钻头、井壁失稳等井下复杂情况出现。为保证气体钻井顺利进行，必须把地层水携带出井口，使井底无法积累地层水。由于越到井底地层压力越大，气体被压缩的越厉害，在注气量一定的情况下，通过环空截面的气体质量流量一定，因此越到井底，气体的流速越慢，只要保证井底气液两相流流态为环状流或雾状流，井底就不会产生积液。通过现场经验及实验表明，环状流与雾状流是气体携水的有效流型。在井底关节处，当气液两相流的流型由于地层出水量过大转变为搅动流时，地层水不能被顺利地带出井口，这时气体钻井就会失效，必须转化为泡沫钻井［1-2］。

在环空中形成环状流时，部分液体在环空内表面形成液膜，其余液体以液滴的形式弥散在气芯中，气芯与液膜之间存在一个很明显的波浪状凹凸分界面［3］。环空中气体的速度远远大于液膜中液体的速度，在气流的搅动下，波浪状分界面的凸出部分会被气流撕裂进入气芯形成液滴;同时由于气流的搅动作用，气芯内部会产生横向脉动，促使气芯中的液滴进入液膜当中。在平衡状态下，从液膜中分散出去的液滴与液滴进入液膜的量是相等的。随着气体速度的增大，气核中的液滴含量也增大，最终液膜消失，液相完全以液滴的形式分散在气相中，转换成雾状流。

2 环空液滴大小及影响因素

2.1 液滴大小的计算

气体钻井过程中，环空中液滴的尺寸及分布是决定地层水能否有效地被气体携带出井口的重要参数。水滴在重力和气体动力的作用下不断地发生分散、聚并，当水滴尺寸过大时，环空中气体就很难将水滴带出到地面，携水效率大大降低，导致地层水在井底聚集产生积液，同时钻屑在遇到积液后会形成泥团，严重阻碍了气体携岩，导致气体钻井失效;由于气体钻井环空中的气流速度很大，气芯中水滴对井壁的冲击力将随水滴尺寸的增大而增大，因此液滴尺寸与井壁稳定也有关系。

本文采用努基亚玛-塔那萨瓦公式对液滴直径进行计算［4］:

式中:d— 液滴直径，m;ρ1— 液相密度，kg/m3;σ— 气液表面张力，N/m;vg，vt— 分别为气相和液相速度，m/s;Qf，Qg— 分别为气芯区液相流量和气相流量，m3/h;μ1— 液相黏度，mPa·s。

2.2 影响液滴大小的因素

影响液滴大小的因素很多，根据环空中液滴尺寸模型，可以计算出不同气芯雾化条件下的液滴大小，确定影响液滴尺寸的因素。

(1)气液表面张力对液滴大小的影响。气液表面张力对液滴大小的影响见图1，在其他条件相同时，随着气液表面张力的增大，水滴在气流中的稳定性增强，环空气芯中形成的液滴也就越大。环空中的温度以及液体中的化学物质会影响气液表面张力，一般温度越高表面张力反而越低，环空气芯中形成的液滴也就越小。此外，在注气时加入表面活性剂，使地层水表面张力大幅度降低，也能减小水滴大小，提高气体携水效果。

图1 表面张力对液滴大小的影响

(2)气相速度对液滴大小的影响。在环空中气体和液体的相对速度严重影响雾化效率。同时井底的喷雾条件(包括环空面积、喷嘴尺寸、形状、地层出水量)和气体流速也将影响气液的相对速度。气相速度对液滴大小的影响见图2，随着气相速度的增大，气体对环空中液滴的搅动作用越猛烈，产生较大的破碎力，从而使液滴破碎分离变小。

图2 气相速度对液滴大小的影响

(3)液体黏度对液滴大小的影响。液体黏度对液滴大小的影响见图3。环空中液滴尺寸随液体黏度的增大而变大。这是由于黏度对液滴具有稳定作用。而黏度与温度和液体中的化学物质也有关系，一般情况下地层水的黏度随温度的增加而减小;在液体中加入降黏剂一类的化学物质将降低液体的黏度，从而改变环空中液滴尺寸的大小，有利于雾化。

图3 液体黏度对液滴大小的影响

(4)气液相对流量对液滴大小的影响。液体与气体相对流量之比对液滴大小的影响见图4。液体流量与气体流量之比，反映了液体在气流中的体积百分数。随着其比值的增大，液滴尺寸迅速增大。当Qf/Qg=0.001时，液滴直径仅为230 μm，而当Qf/Qg=0.005时，液滴直径可达1 210 μm。由此可见，如果气流中液体体积占0.5%，其雾化液滴直径可达1 210 μm。因此，在地层出水量增加时，可以增大气体流量，保持已有的雾化状态。

图4 液体与气体相对流量之比对液滴大小的影响

3 携水量计算模型

在气体携水过程中，大部分液体以液滴的形式存在于气芯中，因此，气芯流体密度不同于单相气体密度，并且，气芯流体与井壁液膜的界面是一个不稳定的凹凸界面。这时，假设液膜与气芯的界面稳定，内外管液膜厚度不相等，气芯中混合物为均质流体［5-7］。对环状流气芯微元段进行受力分析(忽略气相加速度)，其平衡方程为:

与气芯微元段对应的环状流微元段的受力平衡方程为:

表观液速方程可表示为:

其中气芯区的携液量与整个环空总携液量的比值Fe为:

式中:ρgc，ρl— 分别为气芯区流体混合密度和液相密度，kg/m3;S1，S2— 分别为外管内表面和内管外表面上气液界面的湿周，m;τ1，τ2— 分别为外管内表面、内管外表面上气液界面的剪切应力，Pa;Agc—气芯面积，m2;φa—气芯区面积占整个环空截面的比例;f—气液截面摩阻系数，无量纲;ˉv—气芯平均速度，m/s;D— 气芯区水力直径，m;v1，v2— 分别为外管液膜和内管液膜的局部速度，m/s;δ1，δ2—分别为外管液膜和内管液膜厚度，m。

联立式(2)、(3)、(4)、(5)，用迭代法可以求出环空内外管壁上的液膜厚度δ1，δ2。结合环空结构特征(图5)可求得环空环状流的含气率:

通过式(6)求得含气率后可以最终求得总压降以及液膜平均速度vlf=(1-Fe)vst/φ，液膜中液相的质量流量为:

整个环空中的液相质量流量为:

图5 环空环状流截面几何结构

4 环空气体携水实验模拟

气体携水实验所使用的动态模拟实验系统包括:可视化有机玻璃环空实验架、空气压缩机、供液泵、储气罐、压力温度传感器、分离器、数据采集系统、高速摄像机等。整个实验架高18 m，环空内管外径50 mm，外管内径90 mm。

4.1 实验流程

实验系统模拟了气体钻井在地层出水时环空中的气液两相流状态。空气压缩机通过注气管线向模拟钻柱中注入空气。为了模拟地层出水，供水系统通过进水管线向井底注水。气体和液体在井底混合搅动后进入模拟环空，最终被举升至三通，通过排气管线放空，实验流程见图6。

图6 环空气体携水实验流程图

4.2 实验现象及结果分析

气体携水实验现象见图7，井筒环空由下至上依次出现了搅动流、环状流和雾状流。搅动流时气体向上流动连续举升液体，有部分液体下落、聚集，然后又被气体举升，液体主要分布在管壁上并沿着管壁向上流动，这种状态下环空中液膜波动幅度很大。对于环状流，部分液体以液膜的形式黏附于环空管壁向上缓慢推进，液膜厚度从下到上逐渐变薄，其余液体以液滴的形式分散在气相中被带出井口，液滴在气体中运动形状多为椭球状。雾状流时上升的小液滴主要聚集在管子中央部分，当小液滴聚并成大液滴后会向管壁分布，最终会依附在管壁上，当气体的动能不能携带液滴时，液滴将沿管壁下滑。

图7 气体携水实验现象

根据所建的气体环空携水数学模型，利用MATHCAD进行编程，在程序中输入模拟实验的参数，求得理论解，并与实验数据作对比分析(见表1)。

表1 不同注气量条件下的携水量数据

随着注气量的增大，气体的理论携水量和实际携水量都将增大，并且二者之间的误差逐渐减小。这是由于注气量增大后，环空中气体流速加快，气体对液体的搅动作用更加猛烈，气芯中的液滴尺寸变小，这时井筒环空中的流型主要是环状流，更符合所建的模型，计算结果更加准确。气体排量较小时，环空中气液两相流呈现为搅动流，与模型有较大差别。但是在现场钻井过程中，气体钻井的注气量都是很大的，环空中的搅动流流型只会在出水层附近出现，占据整个环空的井深较小，井筒环空中其他地方基本都是环状流，因此符合本文所建模型且误差较小。