地热井泡沫携岩影响因素敏感性分析研究

2021-09-10张昕冉

油气·石油与天然气科学 2021年7期

张昕冉

摘要：高温地热井在钻井过程中往往使用泡沫钻井液。泡沫是一个可压缩的热力学不稳定体系，钻井过程中受温度的影响泡沫钻井液会发生相态变化，造成井眼中不同位置泡沫具有不同的状态。泡沫在井口是气液混合体系，在井底时有可能完全变为气态。不同状态的泡沫，其流变性质差异很大，泡沫的密度、粘度等性质对的泡沫钻井液携岩能力具有很大的影响。为了更好的服务于高温地热井施工，需要开展泡沫携岩影响因素敏感性分析，主要包括注气流量、注液流量、井口回压、钻杆转速，本文对这些参数对岩屑浓度的影响进行分析研究，以期为泡沫钻井液的设计提供理论指导。

关键词：高温地热井;泡沫携岩;影响因素; 敏感性

1 前言

地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，能够从地壳内科学合理地开发出来的岩石中的热能量、地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。由于地热能热储温度的梯级变化和蕴藏地域的特征分布，其开发利用方式可分为直接利用和地热发电，但由于地热发电技术的复杂性以及较高的投资成本，目前地热能的利用主要以直接利用为主。但随着钻探技术的进步和地热发电技术的逐步成熟，地热发电和梯级利用的占比正逐年增长。在地热资源开发过程中常常使用泡沫钻井液，但是泡沫钻井液的性能受注气流量、注液流量、井口回压、钻杆转速的影响比较大，因此，需要对地热井泡沫携岩影响因素敏感性分析研究[1-2]。

2 泡沫携岩影响基本参数

基本参数取值为：地面温度15℃，地温梯度0.10 ，钻杆和套管的比热容为460 ，导热系数为46 ;地层岩石的比热容为873.3 ，导热系数为2 ;水泥环导热系数0.35 ，比热容840 ;钻杆偏心度为0;注气流量60 ，注液流量1000 ，井口回压1.5 ，钻杆入口处泡沫注入温度25℃，钻杆转速，机械钻速15 ，岩屑密度2300 ，岩屑尺寸6 ，岩屑形状系数0.8;空间步长10m，时间步长30s，循环时间2h。

3 注气流量对岩屑浓度的影响

为了研究注气流量对岩屑浓度分布的影响，分析了注气流量40 、50 、60 、70 和80 情况下循环120 时环空岩屑浓度的分布情况。

随着注气流量的增加，环空岩屑浓度逐渐减小，而且注气流量越大，环空岩屑浓度减小的幅度越小。这说明：增加注气流量在一定程度上能提高泡沫的携岩能力。这是因为，注气流量越大，环空中流体的流速就越高，岩屑颗粒在环空中便具有更高的速度。此外，注气流量的增加还会增大环空中泡沫的特征值，提高泡沫流體的粘度，使泡沫具有更强的携岩能力，有利于降低环空中岩屑的浓度。

4注液流量对岩屑浓度的影响

为了研究注液流量对岩屑浓度分布的影响，分析了注液流量400 、600 、800 、1000 和1200 情况下循环120 时环空岩屑浓度的分布情况。

随着注液流量的增加，环空岩屑浓度逐渐减小，而且注液流量越大，环空岩屑浓度减小的幅度越小，这说明提高注液流量有利于增强泡沫流体的携岩能力。这是因为，注液流量越大，环空中泡沫流体的流速越高，泡沫的携岩能力越强。虽然注液流量的增加会导致泡沫特征值减小，使泡沫流体的粘度降低，但是由流速增加导致的泡沫携岩能力的提升要强于粘度降低导致的泡沫携岩能力的削弱，因此增加注液流量会增强泡沫的携岩能力，有利于降低环空岩屑浓度。

5 井口回压对岩屑浓度的影响

为了研究井口回压对岩屑浓度分布的影响，分析了井口回压1 、1.5 、2 、2.5 和3 情况下循环120 时环空岩屑浓度的分布情况。

随着井口回压的增加，环空岩屑浓度逐渐增大，且环空岩屑浓度减小的幅度逐渐减小，并在环空出口处岩屑浓度的差异最大。这是因为：当注气、注液流量等不变时，随着井口回压的减小，环空中压力逐渐降低，泡沫的特征值增大，进而使泡沫的速度、粘度增大，泡沫流体的携岩能力增强，环空中岩屑浓度降低。

增加井口回压对环空压力的影响大致相当于在原有压力基础上增加一个附加压力，随着压力的增大这一附加压力对泡沫密度、速度和特征值的影响逐渐减小（可由气体状态方程推得该结论），因此不同井口回压下井底岩屑浓度相差不大，且随着深度的减小，岩屑浓度的差异越来越大。

6 钻杆转速对岩屑浓度的影响

为了研究钻杆转速对岩屑浓度分布的影响，分析了转速0 、50 、100 、150 和200 情况下循环120 时环空岩屑浓度的分布情况，结果如图1所示。

由图1可知，钻杆转速对环空岩屑浓度的分布几乎没有影响。这是因为，对于垂直井，钻杆旋转主要通过给流体施加一切向速度来提高流体的携岩能力，当偏心度为0时，计算得到的切向速度远小于轴向速度，因此计算得到的泡沫流速与不考虑钻杆旋转时泡沫流体的速度相比差别很小，导致钻杆转速对环空中岩屑浓度几乎没有影响。

5 结束语

综合上述分析，在选择泡沫钻井液时，泡沫携岩敏感因素注气流量、注液流量、井口回压、钻杆转速对泡沫钻井液的性能影响比较大，主要的研究成果如下：

（1）增加注气流量在一定程度上能提高泡沫的携岩能力。

（2）提高注液流量有利于增强泡沫流体的携岩能力。

（3）不同井口回压下井底岩屑浓度相差不大，且随着深度的减小，岩屑浓度的差异越来越大。