热干岩地热井中相变过程中含岩流体的作用机理研究及其效率控制

《Geoenergy Science and Engineering》：Investigation of Rock-Carrying Mechanisms and Efficiency Control of Foamed Fluids during Phase Transitions in Hot Dry Rock Geothermal Wells

　　么洋|王世尧|杨志伟|石江刚|席传明|吴彦先|王敬鹏
中国四川省成都市西南石油大学油气水库地质与开发国家重点实验室，610500

**摘要**
泡沫钻井是应对干热岩（HDR）地热能源开发中遇到的严重漏失和有限钻速（ROP）问题的关键技术。然而，现有研究通常将泡沫简化为稳定的单相流体，未能考虑超高温度井筒条件下的动态气液相变，导致对深部地热井孔隙清洁效率的预测存在较大误差。本研究基于质量、动量和能量守恒原理，开发了一个考虑热力学相变、热传递和多相流动过程的瞬态钻屑传输模型。系统研究了关键参数（包括液体注入速率、气体注入速率、井口回压、钻屑物理性质和钻速）对井筒内钻屑浓度空间分布的影响。该模型使用现场测量数据进行了验证，平均绝对误差为0.854°C，相对误差低于3.6%。结果表明，气液相变对钻屑浓度空间分布具有显著且非线性的影响。此外，基于SHAP方法的定量敏感性分析表明，钻速（ROP）是控制钻屑传输行为的主要因素：当钻速从5米/小时增加到20米/小时时，井底高积聚区的钻屑浓度增加了约295%，超过了泡沫系统的携带能力。相比之下，流体参数主要通过调节井筒内的流动状态来影响钻屑分布；适当优化液体和气体注入速率可分别减少32.36%和28.6%的环空钻屑浓度。因此，准确识别深部井段中的相变主导区域并动态调整注入和生产参数对于降低钻屑床形成的风险至关重要。本研究为高温地热井中泡沫钻井的液压参数优化设计提供了理论依据。

**引言**
干热岩（DHR）地热资源具有高储热容量和广泛分布特点，是推动未来能源转型、提高能源效率和改善环境条件的战略性重要可再生能源（D. Li等人，2024；Liu等人，2021；Suo等人，2025；L. Zhang等人，2019）。据估计，中国大陆的DHR资源潜力约为2.52×102?焦耳。即使假设较低的采收率为2%，其可开发能源潜力仍超过中国当前年能源消费量的5300倍，凸显了其巨大的战略开发价值（Liu等人，2023；Xi等人，2020；Zhao等人，2015）。因此，DHR资源的成功利用标志着地热能源开发的关键突破（Li等人，2025；You等人，2025）。
DHR地层通常由结晶花岗岩、火成岩和变质岩组成，这些岩石具有硬度高、磨蚀性强和可钻性差的特点。在某些地区，发育良好的裂缝进一步增加了钻井操作的复杂性和风险（Yijin，2015）。DHR井通常具有很大的深度和极高的地热梯度。例如，西藏羊八井的ZK4002井底温度达到330°C，肯尼亚OLKARIA地区的OW904井温度超过350°C。在中国青海省贡河盆地，DR3井在2735米和3705米深度处的井底温度分别为168°C和236°C，地热梯度高达6.8°C/100米。这些数据突显了DHR钻井作业中遇到的极端高温条件（Jiang等人，2025；Yang等人，2019）。在这种恶劣的热环境下，钻井面临多重挑战，包括由于岩石硬度高而导致的钻速缓慢、裂缝区引起的流体损失风险增加以及传统钻井液系统的热稳定性不足（Firoze Akhtar等人，2018；S. Zhang等人，2019）。
在DHR钻井过程中，传统钻井方法因高岩石硬度、高温和发育良好的裂缝等极端条件而面临严峻挑战。这些条件通常导致钻速缓慢、严重的井下流体损失以及钻井液的热稳定性不足——特别是在超高温度环境下，现有钻井液系统无法满足操作要求。目前，大多数传统的基于水和油的钻井液的热稳定性极限低于260°C，不适合井筒温度可能超过350°C的DHR钻井作业（Vaziri等人，2020；Yin等人，2025）。相比之下，泡沫钻井技术由于独特的优势，在高温低压条件下表现出色。它不仅有效减少了流体损失，还显著提高了钻井效率。由于其卓越的热稳定性，泡沫钻井液可以在宽温度范围内保持稳定。工程应用已经证明了热稳定性超过300°C的泡沫钻井液的可行性，即使在高达350°C的极端井底温度下也能保持良好的再发泡能力和流动稳定性（Liu，2017；Liu等人，2022）。
然而，泡沫流体在高温和低压的耦合条件下容易发生复杂的相变过程（Li等人，2011；Zhang等人，2023；Zhao等人，2024）。随着钻井深度的增加，井下温度的快速上升导致泡沫膨胀、表面活性剂分子的吸附能力下降以及水分蒸发加剧，从而加速了气体通过液膜的渗透（Ni等人，2010；Yan和Xu，2019）。当泡沫基液的理论饱和蒸气压超过局部饱和蒸气压时，液相会迅速蒸发，使泡沫介质转变为气相。相反，当泡沫上升至井壁上较冷区域时，基液饱和蒸气压低于局部饱和蒸气压，气相中的表面活性剂和水分子会重新凝结，形成新的泡沫结构（Gowida等人，2024）。因此，在DHR钻井过程中，井筒内的流体在泡沫相和气相之间发生动态转换，表现出复杂的多相流动特性。
早期关于基于泡沫的钻屑传输的研究主要依赖于实验室实验来阐明其物理机制。Beyer和Machado的开创性实验研究系统研究了泡沫质量、表面流速、环空几何形状以及钻屑大小和密度对传输效率和最小携带速度的影响，从而建立了经验和半经验预测关联（Beyer等人，1972；Machado和Ikoku，1982）。后续研究关注了泡沫流变特性的作用，特别是屈服应力和有效粘度对颗粒悬浮和稳定传输的控制效应（Ozbayoglu等人，2002）。Ofei进一步表明，在低流量条件下，增加泡沫屈服应力可以增强钻屑床的稳定性，从而抑制颗粒沉降和床层形成（Ofei，2016）。此外，井筒几何形状、环空偏心率和钻柱旋转也被证明会显著改变环空流动结构和钻屑的空间分布，尤其是在斜井和水平井中（Abbas等人，2022；Busch和Johansen，2020；Ozbayoglu等人，2003；Yu等人，2024）。Sinha报告称，高温通过液体排量和气泡聚合作用加速了泡沫降解，从而削弱了其携带钻屑的能力（Sinha，2020）。总体而言，这些实验和现象学研究建立了泡沫辅助钻屑传输的基本物理理解。
随着计算能力的提高，数值建模方法越来越多地被引入，以克服实验研究在参数可控性和尺度扩展方面的局限性。Wang和Zakeri利用CFD–DEM耦合框架解决了泡沫与颗粒之间的微观相互作用机制，揭示了气泡-颗粒耦合对颗粒悬浮和迁移行为的影响（Wang等人，2023；Zakeri，未注明日期）。同时，在气体钻井和欠平衡钻井领域，数值研究通过解析环空流动结构和颗粒轨迹系统分析了气固两相传输特性。这些研究为高滑移速度下的低密度载体系统中的钻屑传输机制提供了宝贵见解（Epelle和Gerogiorgis，2018；Krakowska和Madejski，2019）。然而，现有数值研究通常存在两个主要局限：（i）关注微观颗粒动力学，导致计算成本高且难以扩展到现场规模应用；（ii）对泡沫流变演化、热效应和瞬态多相耦合的简化处理，限制了模型在复杂高温井下条件下的适用性。
从工程角度来看，钻屑传输效率直接影响气体钻井和欠平衡钻井系统的操作安全和性能。由于气体介质的密度低且对压力和温度变化敏感，其传输机制与基于液体的系统有根本不同。在稳定垂直流动条件下，Angel和Gray开发了定义钻屑提升所需最小环流速度的经典理论模型（Angel，1957；Gray，1958）。后续研究进一步表明，传输效率和流动状态转换受局部压力梯度、井斜率、相组成和颗粒性质的共同影响（Bin等人，2011；Liu等人，2005；Mahon，2022；Wei等人，2020；Xiaofeng等人，2013）。在高度偏斜和水平井中，重力沉降容易促进钻屑床的形成，从而减少有效流动面积、增加压力损失并提高卡管风险（Purwandari等人，未注明日期；Ytrehus等人，未注明日期）。尽管取得了显著进展，但同时考虑泡沫流变演化、热降解机制和复杂井筒几何形状下的瞬态钻屑传输的综合性多物理场数值框架仍然缺乏——特别是对于现场规模的高温泡沫钻井应用。
尽管已有大量关于单相泡沫或纯气体钻井系统中钻屑传输的研究，现有模型在高温DHR钻井遇到的复杂耦合条件下仍面临重大挑战。具体而言，大多数数值模型将泡沫视为稳定的单相流体或忽略动态气液相变过程，采用平均热物理性质。这种简化假设阻碍了传统模型定量捕捉相变引起的急剧流体体积膨胀和随之而来的流速非线性加速。在井底的极端高温条件下，忽略相变效应可能导致对环空钻屑携带能力的严重低估，从而在液压参数设计中引入较大偏差。因此，开发一个明确耦合热力学相变机制并基于现场数据进行定量验证的瞬态钻屑传输模型对于克服现有预测方法的准确性限制和确保钻井安全至关重要。
基于固液和气固两相流动理论，本研究开发了一个数学模型，描述了相变条件下井筒中泡沫钻井液的瞬态钻屑传输行为。该模型系统分析了泡沫流体的钻屑传输性能，结合了流体流动、颗粒传输和相变条件下的热传递。控制方程采用交错网格方案和Gauss-Seidel迭代方法进行离散化和求解。研究重点研究了关键参数（包括液体注入速率、气体注入速率、环空回压、钻屑直径、钻屑密度和钻速）对环空钻屑浓度的影响，并详细分析了相变对泡沫传输效率的影响机制。结果揭示了地热井中泡沫辅助钻屑传输的基本特征，为优化泡沫钻井参数和提高地热资源提取效率提供了科学依据。在实际工程应用中，合理调整钻井参数可以显著提高孔隙清洁度，确保安全和高效的钻井作业。

**部分摘录**
**泡沫钻井钻屑传输模型**
在深部地热井的高温和低压环境中，泡沫流体容易发生气液相变，伴随流体结构、物理性质和多相流动特性的显著变化。随着井深的增加，温度升高导致泡沫膨胀、水分蒸发加剧以及液体膜中的气体渗透增加，从而导致液相逐渐蒸发。当泡沫返回到较冷的井上区域时……泡沫流体和混合气体阶段都采用了统一的离散化策略进行处理，泡沫和岩屑的连续性和动量方程遵循一致的计算程序。所有数值算法均由作者使用MATLAB平台独立开发。为了示例说明，本研究基于上述数学模型和数值解决方法，开发了一个能够考虑相变效应的井筒温度和压力瞬态响应模拟器。以一口DHR地热井作为案例研究，结合其井筒结构数据、各种热物理性质以及其他基本物理参数（详见表1、表2、表3）（Rop等人，2018；Yang等人，2013；Yin等人，2023），对影响泡沫携岩能力的敏感因素进行了系统分析。

为了研究泡沫钻井过程中关键参数对岩屑传输和分布的影响，分析了在不同气体注入速率、环空反压、岩屑颗粒大小、岩屑密度和机械钻速条件下，井筒底部和环空处岩屑浓度的变化及其背后的机制。结果展示在图14至图19中，并进行了详细讨论。所使用的基线参数列在文中。

基于固液和气固两相流动的理论，本研究建立了一个考虑相变效应的泡沫流体在井筒中传输岩屑的瞬态数学模型。控制方程采用高斯-赛德尔方法进行数值求解。结合典型的地热井条件和现场测量数据，研究了关键操作参数和相变行为对泡沫钻井过程中岩屑传输性能的影响。

**作者贡献声明**
- 杨某某：撰写、审稿与编辑、资源准备、形式分析。
- 王世尧：撰写初稿、软件开发、方法论设计。
- 熊传明：资源协调。
- 吴彦贤：资金获取。
- 杨志伟：验证与监督。
- 史江刚：数据管理。
- 王晶莹：验证工作。

**未引用参考文献**
- Li等人，2024；Purwandari等人，2022；Wang等人，2024；Yang等人，2013；Zhang等人，2019。

**资助**
本研究工作得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号52174008）和西南石油大学油气储层地质与开发国家重点实验室开放基金（项目编号PLN202403）的支持。资助方对研究的设计、数据收集、分析、解释或手稿撰写没有参与。

**利益冲突声明**
作者（Mou Yang、Shiyao Wang、Zhiwei Yang、Jiangang Shi、Chuanming Xi、Yanxian Wu、Jingpeng Wang）声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。所有作者确认与本研究无关的其他竞争性利益均不存在。

**致谢**
本研究工作得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号52174008）和西南石油大学油气储层地质与开发国家重点实验室开放基金（项目编号PLN202403）的支持。