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充气钻井随钻测量脉冲信号衰减规律

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充气 钻井 测量 脉冲 信号 衰减 规律
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石 油 勘 探 与 开 发2012年4月 233 文章编号: 1000012)02气钻井随钻测量脉冲信号衰减规律 李红涛1,李皋1,孟英峰1,舒刚1,朱宽亮1,2,徐小峰1,2( 1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室; 2. 中国石油冀东油田公司钻采工艺研究院) 基金项目: 国家重点基础研究发展计划( 973)项目“深井复杂地层钻井压力系统模型与规律” ( 2010 摘要: 基于两相流体模型,考虑相界面的动量和能量交换、各相重力及管面黏性剪切力等封闭条件,建立充气钻井随钻测量( 冲信号衰减的数学模型。利用小扰动理论求解数学模型,得到钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数计算模型,模型计算结果与现场试验实测的脉冲信号衰减结果吻合较好。利用该模型计算并分析了钻井液脉冲信号衰减的影响因素,结果表明,持气率、系统压力和脉冲频率是影响钻井液脉冲信号衰减的重要因素。低持气率( 0~ 5%)时钻井液脉冲信号的传播速度随持气率的增加而迅速降低,随着持气率的持续增加,其变化逐渐趋于平缓;而其衰减系数则随着持气率的增加逐渐增大,并在达到最大值之后开始下降。相同持气率时,高系统压力下钻井液脉冲信号具有更快的传播速度;低系统压力下钻井液脉冲信号的衰减系数随持气率增加上升速率更快。钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数随脉冲频率的增加而逐渐增大,并都在脉冲频率大于 100 逐渐趋于一个较高的稳定值。图 5 表 1 参 14 关键词: 钻井液脉冲信号衰减;气液两相流动;数学模型;影响因素 中图分类号: 文献标识码: A WD in i , (1. il 10500, 2. 63000, A of in at of to a to of of is in in In of 0–5%), as as it to be of to it At a of a of to be a 00 0 引言 充气钻井过程中,随钻测量(冲信号在充气钻井液中严重衰减,导致随钻测量工具无法正常工作,限制了充气钻井技术的应用[1关于钻井液脉冲信号衰减规律的研究并不多,文献[3究了钻井液脉冲信号在单相钻井流体内的传播速度和衰减问题;由于气相的可压缩性及气相注入引起的多相流动现象,充气钻井液内脉冲信号的衰减问题更为复杂,关于充气钻井液脉冲信号在气液两相流体内衰减问题 的研究迄今并不多见。 充气钻井液脉冲信号的传播介质是气液两相可压缩流体,故而信号衰减机理十分复杂,具体表现为传播速度的降低和衰减系数的增大。充气液流动过程中,由于气相的可压缩性和气液界面的不断变化,气液两相界面间以及各相与管壁之间存在频繁的动量交换和能量交换[9],使得钻井液脉冲信号的能量降低,这是钻井液脉冲信号衰减的主要原因;另外,气泡自身对钻井液脉冲信号能量的耗散作用[10]以及钻井液脉冲频率变化引起的气泡振动也会造成钻井液脉冲信号的衰 减。本文将两相流体模型用于分析气液两相管流中钻234 石油勘探与开发·石油工程 39 液脉冲信号的衰减,考虑相间动量和能量交换、各相重力及壁面黏性剪切力等封闭条件,建立充气液内钻井液脉冲信号衰减数学模型,并借助该模型系统研究持气率、系统压力和脉冲频率等因素对钻井液脉冲信号衰减的影响。 1 充气钻井液脉冲信号衰减数学模型 本假设 建立数学模型过程中,作如下假设:①流体与流动环境之间无热交换;②气液两相之间无质量交换;③气液两相流体中气相的分布是均匀的;④不考虑钻杆壁的弹性。 本方程 如图1所示,充气液在钻杆内的流动是一维两相流动。基于文献[9]提出的两相流体模型,考虑以上基本假设,由质量守恒和动量守恒原理,得出充气钻井液流动的一维两相流体瞬态模型方程: ()()gg ρ∂∂+=∂∂(1) ()()ll ρ∂∂+=∂∂(2) ()()2∂++=∂∂−− − (3) ()()2∂++=∂∂−− − (4) 钻杆内气液两相混合存在,两相均质流体的分配关系可通过下式进行归一化: += (5) 图 1 钻杆内一维两相流体流动示意图 闭条件 在气液两相流动过程中,可假定气相为理想气体,满足状态方程: (6) 般界面阻力 1]认为,气液两相间的动量交换通常是由虚拟质量力和拖拽力造成的,据此将本研究中表征两相间动量交换的一般界面阻力(达为:l,Ml,d。虚拟质量力(Ml,征气液界面相对加速运动造成的动量交换,其本构方程为: l,nd vm g g (7) 其中 g ⎛⎞⎛⎞∂∂=+ −+⎜⎟⎜⎟∂ ∂∂∂⎝⎠⎝⎠(7)式中于不同的流型,相界面的相对加速运动强度不同。基于文献[12]给出的各种流型下研究中充气钻井泡状流条件下−(8) Ml,采用1]提出的数学模型计算: Dl,d l g r (9) 其中 − 不同流型下(9)式中拖拽力系数(算模型不同[12],对于泡状流可取: () ()()29/71g σα⎡ ⎤−+ −⎢ ⎥=⎢ ⎥−⎢ ⎥⎣ ⎦(10) 面的剪切应力 气液两相流中,气相均匀分布在液相中或与管壁之间有液膜阻隔,故可忽略气相与壁面间的剪切应力。液相与壁面间的剪切应力为[13]: l l ⎞=⎜⎟⎝⎠(11) 2 模型的求解及验证 学模型的求解 在等熵流动条件下,有p/∂ρp/∂ρl,将该条件和上述封闭条件代入(1)—(4)式,重写2012年4月 李红涛 等:充气钻井随钻测量脉冲信号衰减规律 235 两相流体模型的控制方程,并定义过渡矩阵变量ζ=(αg,p,νg,νl)T,则矩阵形式为: +=∂∂ζζ(12) 根据小扰动理论,小扰动发生后,过渡矩阵变量ζ可表示为ζ=ζ0+δζi(ωt−,其同样满足控制方程,将其带入(12)式,忽略二阶小量,可得关于δζ的一阶线性齐次方程组,根据一阶线性齐次方程组有解的条件,且低马赫数下ω−,ω−,可得关于波数 αραρω ω αραρω ωααρω α ω−−−=−−(13) 其中 ()g g ω αρ=+ − +vm g l 1 −()ll ω αρ=− − + −()()29/=− ()()29/=+ 该方程是一个复系数一元二次方程,求解可得到两个根,两个根对应的实部和虚部相等,表示钻井液脉冲信号向一维流动的上游和下游传播。根据这两个根可求出钻井液脉冲信号的传播速度(c)和衰减系数(η): Re (14) (15) 其中,Re k,Im 学模型的验证 为验证本文提出的钻井液脉冲信号衰减模型的准确性,选取某油田据波的指数形式,假设初始位置(的脉冲信号振幅为任意位置(钻井液脉冲信号的振幅(表示为: 0()0= (16) 定义 (17) 将(16)式耦合到已有的欠平衡钻井多相流计算软件中进行钻井液脉冲信号衰减的数值计算。计算结果与实测数据见表1。 表 1 模型计算的 注气量/()实测信噪比 0 10∶1 2∶1 0 6 1∶1 表1可以看出,实测脉冲信号的衰减结果与计算结果较为吻合:当注气量由0增至6 m3/测信噪比显著降低,随着注气量的继续增加,实测信噪比继续降低,但降低幅度逐渐减小,计算的该钻井液脉冲信号衰减模型具有一定的准确性。 3 钻井液脉冲信号衰减的影响因素 利用本文建立的充气钻井液脉冲信号衰减模型分析持气率、系统压力和脉冲频率对钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数的影响。计算过程采用井液密度等基础参数,由于充气钻井钻杆内持气率不会高于50%,故数值计算的持气率范围可取0~ 50%。 气率的影响 研究表明,持气率是造成钻井液脉冲信号衰减的重要因素之一。图2为不同持气率下钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数变化结果。由图2可见,在系统压力不变的条件下,低持气率(0~ 5%)时钻井液脉冲信号的传播速度随持气率的增加而迅速降低;随着持气率的持续增加,传播速度曲线逐渐变得平缓。原因在于:当液相内气泡较少时,混合相的压缩性显著增强,使得传播速度明显降低;随着持气率继续增加,混合相的压缩性变化不大,传播速度下降趋势变慢,并逐渐趋于平缓。由图2还可看出,随着持气率的增加,钻井液脉冲信号的衰减系数逐渐增大,并在达到最大值之后开始下降。原因在于:随着持气率的增加,相间的动量和能量交换增强,钻井液脉冲信号的能量急剧衰减;随持气率的继续增加,气液两相流型发生变化,引起虚拟质量力系数的降低,衰减系数也随之降低。 236 石油勘探与开发·石油工程 39 2 不同持气率下钻井液脉冲信号的传播速度和衰减系数 统压力的影响 研究表明,系统压力也会影响钻井液脉冲信号的衰减。图3给出了系统压力对钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数的影响,可见,低持气率(0~ 5%)时,低系统压力下钻井液脉冲信号的传播速度随持气率的增加下降更快;相同持气率时,高系统压力下钻井液脉冲信号具有更快的传播速度,其原因在于,随着系统压力的增加,气相密度增加,气液两相的不可压缩性增强。由图3还可看出,持气率低于10%时,随着持气率的增加,低系统压力下钻井液脉冲信号衰减系数迅速上升,高系统压力下钻井液脉冲信号衰减系数上升速率相对缓慢;随着持气率的持续增加,低系统压力下钻井液脉冲信号衰减系数的上升速率开始放缓,而高系统压力下钻井液脉冲信号的衰减系数则快速上升,并与低系统压力的衰减曲线相交,在达到峰值后开始下降。这是因为:系统压力的增加会加大壁面黏性剪切力,降低气液界面变化频率、减弱相界面的动量交换,这两个作用会产生相反的影响。当系统压力增加造成的壁面剪切力增量等同于相界面动量交换的强度改变量时,两个系统压力下脉冲信号的衰减系数相等,两条曲线相交于一点(见图3)。当持气率 图 3 系统压力对钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数的影响 低于合相的压缩性对压力敏感,系统压力增加引起的相界面动量交换的强度改变量要大于所产生的壁面剪切力增量,因而高系统压力下钻井液脉冲信号的衰减系数更低。 冲频率的影响 脉冲频率也是引起钻井液脉冲信号衰减的一个重要因素。这是因为钻井液脉冲频率的变化会造成气液两相流体中气泡的振动,使相间的接触面积和相间动量、能量交换强度增大,从而引起钻井液脉冲信号能量的衰减,当脉冲频率达到气泡的共振频率时,这种影响尤其明显。相关研究表明,在低频率下,相间有足够的时间进行动量和能量交换,使相间接近机械和热力学平衡状态,动量和能量交换效率较高;而在高频率下,相间来不及进行动量和能量交换,钻井液脉冲信号的传播速度和衰减系数就已趋于稳定[14]。图4和图5分别为脉冲频率图可见,在低频(小于100 围内,钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数随脉冲频率的增加而逐渐增大;当脉冲频率达到100 井液脉冲信号传播速度和衰减系数都趋于一个较高的稳定值, 4 脉冲频率对钻井液脉冲信号传播速度的影响 图 5 脉冲频率对钻井液脉冲衰减系数的影响 2012年4月 李红涛 等:充气钻井随钻测量脉冲信号衰减规律 237 存在严重的衰减。故z,z,12~ 24 地面接收到可解码的证定向钻进的基本前提。钻井液脉冲信号的衰减系数直接关系到地面能否收到可解码的信号,对定向钻井具有更重要的工程意义。通过以上分析可以看出,在保证井底欠平衡条件下,通过优化持气率、泵压和脉冲频率设计实现钻井液脉冲遥测具有一定的可行性。 4 结论 本文建立了充气液内钻井液脉冲信号衰减的数学模型,并通过小扰动线性化原理求解了钻井液脉冲信号的传播速度和衰减系数计算模型。模型的计算结果与现场充气钻井究表明,钻井液脉冲信号的衰减对持气率、系统压力和脉冲频率等参数较为敏感,通过这些参数的优化设计,可以有效降低钻井液脉冲信号的衰减,提高随钻测量信号的传输效率。在保证欠平衡条件下,适当降低充气量和脉冲频率、提高泵压,有助于减轻充气钻井符号注释: αg——持气率,%;ρg——气相密度,kg/g——气相流动速度,m/s;t——流动时间,s;x——流动距离,m; αl——持液率,%;ρl——液相密度,kg/m3;液相流动速度,m/s;一般界面阻力,N/m3;p——气液两相流体的压力,气相与壁面间的剪切应力,N/Γ液相与壁面间的剪切应力,N/——井斜角,——钻杆内径,m;气相的压力,g——气体摩尔质量,kg/于空气,6 kg/——气体常数,();T——温度,K;Ml,虚拟质量力,N/l,d——拖拽力,N/虚拟质量力强度系数,无量纲;虚拟质量力加速度,m/D——拖拽力系数,无量纲;气液两相速度差,m/s;气泡直径,m;g——重力加速度,m/——表面张力,N/m;υl——液相的运动黏度,m2/s; 声波在气相中的传播速度,m/s;声波在液相中的传播速度,m/s;ζ——过渡矩阵变量;A,B,C——系数矩阵;ζ0——ζ的初始值;δ——钻井液脉冲信号的扰动量,无量纲;ω——钻井液脉冲信号的扰动频率,Hz;k——波数,m−1;H,E,F,f1,过渡变量;c——钻井液脉冲信号的传播速度,m/s;η——钻井液脉冲信号的衰减系数,dB/m;初始位置处钻井液距脉冲发射点的距离,m;任意位置处钻井液距脉冲发射点的距离,m;任意位置处脉冲信号的振幅,0——初始位置处脉冲信号的振幅,任意位置处脉冲信号振幅与初始位置处脉冲信号振幅的比值,%。 参考文献: [1] 刘绘新, 孟英峰. 注气欠平衡钻水平井新技术[J]. 石油勘探与开发, 2005, 32(1): 100to by ]. 2005, 32(1): 100[2] 史怀忠, 李根生, 王学杰, 等. 水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术[J]. 石油勘探与开发, 2010, 37(1): 111 et of by ]. 2010, 37(1): 111[3] D. of on ]. 2002, 24(5): 421[4] 刘修善, 苏义脑. 钻井液脉冲信号的传输特性分析[J]. 石油钻采工艺, 2000, 22(4): 8i’on of ]. 2000, 22(4): 8[5] J, T. 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