段慕白 冯宗伟 张冬明 张 涛 张 斌

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)

泡沫钻井液临界条件研究

段慕白 冯宗伟 张冬明 张 涛 张 斌

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)

随着钻井技术的发展，泡沫钻井液的使用对提高机械钻速的效果越发明显，但在何种井深条件下使用泡沫钻井液是钻井工程的重点和难点。研究在不同井深及压力条件下，泡沫钻井的极限压力和极限井深的确定。实验结果表明，实施泡沫钻井的最大深度为4 500m左右，极限压力为20MPa。

泡沫钻井液；泡沫质量；泡沫密度；最大井深

泡沫体系中泡沫质量是指泡沫体积占整个体系的体积分数，泡沫质量只能在合适的范围（75%～95%）才能应用于钻井工程中，当泡沫体积分数（泡沫质量）过低时，泡沫体系不稳定从而失去作为钻井流体的价值［1-5］。而大多数的钻井深度和压力使得泡沫体系失去稳定性。本实验是在不同压力条件和井深条件下分别测定泡沫质量，并确定低于临界泡沫质量（75%）的临界井筒压力和对应的钻井深度。除此之外，地层水侵量的大小同样会造成泡沫质量的下降［6-7］，通过测定不同水侵量对泡沫质量的影响，求得泡沫体系能容纳的最大地层水侵入量。

1 泡沫承压能力分析

液体通常可以看作是不可压缩的,因此常规泥浆的液柱压力可用泥浆密度表征,但由于气体是可压缩的,泡沫钻井液就不能只用地面密度来代表液柱压力,需要知道基浆密度和泡沫质量(气体体积分数)。 设泡沫的地面密度为 ρs，基浆密度为ρL，泡沫质量为α,基浆(液体)的体积分数为1-α,它们之间的关系为：

式中：ρg为地面气体密度,与 ρL相比 ρg(0.001 29kg/L)可忽略不计，所以上式可简化为：

设 ρs=0.70kg/L，ρL=1.03kg/L，则 α=32.04%； 若 ρs=0.70kg/L，ρL=1.10kg/L，则 α=36.36%。这说明尽管地面密度相同,但基浆密度可以不同,这对液柱压力将产生不同的影响。

下面分析等温过程中,在压力为p(绝对压力,MPa)的情况下,单位体积泥浆中气体压缩后的体积:

式中：ps—地面压力，取0.101 3MPa。而此时的基液体积因不可压缩仍为1-α,此时气体的泡沫质量为:

按式（5）求该压力下的密度:

由式（4）、式（5）可以看出,随着 p 的增加,αP将减小,而 ρP增加。当 p→∞,αP→0 时,ρP→ρL,这就是说基浆密度对泡沫的静液柱压力影响很大。下面以ρL=1.01kg/L，α=70%为例,计算不同压力下的泡沫密度，计算结果见表1。

静液柱压力对泡沫的密度影响很大,随着静液压力的增加，泡沫密度也随之增加，当压力小于5MPa时曲线的斜率较大，即在该压力范围内泡沫密度随着静液压力的增加涨幅较大。说明在该压力范围内，静液压力对泡沫密度的影响较大。而当压力达5MPa以后,气体密度的增加幅度很小。当压力为22MPa时泡沫密度为0.999 kg/L，已经接近水的密度,即为泡沫的极限密度。说明当压力大于22MPa时泡沫已变成了液体，此时地层已经不能再进行泡沫钻进了。认为实现泡沫钻进的极限压力为22MPa。

表1 井筒压力对泡沫密度的影响

2 泡沫能承受的最大井深分析

由于液柱压力随井深增加而增大,因此泡沫的密度也随井深增加而增大,计算泡沫钻井液的静液柱压力,需要进行积分,首先分析等温过程:

用分离变量法加上边界条件求解可得:

下面再考虑温度的影响,由于泡沫在井中循环时,温度的分布是未知的,国外采用的是地温T=Ts+KH/100,则:

以 ρs=0.6kg/L，ρL=1.01kg/L 为例,按式（6）、（7）分别计算不同泡沫质量（70%、80%和90%）的泡沫在井深为500、1 000、1 500、…、4 500、5 000m 处的当量钻井液密度及静液压力，而利用式（8）计算非等温条件下在上述条件下泡沫的密度。非等温条件和等温条件下泡沫密度见表2、表3和表4。

在等温条件下随着井深的增加，作为钻井液的泡沫的密度越来越大，而当泡沫质量为70%时，井深达到2 500m时泡沫密度为1 kg/L；对于泡沫质量为80%的泡沫，当井深到达4 500m时，其密度为1.000 4 kg/L；对于泡沫质量为90%时，当井深为5 000m时其密度（1.000 8 kg/L）才超过1。由此可见三种不同泡沫质量的泡沫能适应的最大钻井井深各不相同，很明显泡沫质量越高该泡沫能实现泡沫钻井的极限深度也就越大。

表2 泡沫质量为70%时井深与静液压力及泡沫密度之间的关系

表3 泡沫质量为80%时井深与静液压力及泡沫密度之间的关系

表4 泡沫质量为90%时井深与静液压力及泡沫密度之间的关系

3 结 论

以泡沫质量70%为例，取泡沫极限密度为0.999kg/L，则在泡沫钻井过程中能容许的最大压力为22MPa，当超过此压力时，泡沫钻井液的密度开始趋于液体密度，从而失去了实施泡沫钻进的意义。

三种泡沫质量的泡沫能适应的最大钻井深度范围：泡沫质量为70%的泡沫钻井深度为2 000～2 500m，8泡沫质量为0%的泡沫钻井深度为4 000～4 500m，泡沫质量为90%的泡沫钻井深度为4 500～5 000m。所以，在一定范围内（75%～95%）泡沫质量越大越有利于泡沫钻井工艺的实施。

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[2]Kitsios,Efstat hios,Quaresma,et al.Underbalanced Drilling Through Oil Production Zones with Stable Foam in Oman[G].SPE27525,1994.

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The Analysis of Use Condition of Foam Drilling Fluid

DUAN Mubai FENG Zongwei ZHANG Dongming ZHANG Tao ZHANG Bin
(State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University，Chengdu 610500)

With the development of drilling technology,the effect to the use of foam drilling fluid to improve the drilling rate is more obvious.Therefore,it becomes more and more important in the drilling engineering.But how to determine what kind of deep well under the conditions of the use of foam drilling fluid is the emphasis and difficulty of drilling engineering.This paper aims at exterminating the largest depth and pressure during the implementation of foam drilling.The largest depth and pressure can be measured by changing the drilling pressure and drilling hole depth.Experimental results represent that during the foam drilling,the largest depth is 4500m,extreme pressure is 20MPa.

foam drilling fluid；foam quality；foam density；maximum hole depth

TE258

A

1673-1980(2012)05-0059-03

2012-03-02

国家自然科学基金青年基金项目(51104124)

段慕白(1984-)，男，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为裂缝精细描述及压力波动裂缝变形仿真模拟。