前言

作为欠平衡钻井系列技术的重要分支，泡沫钻井技术已经成为国内外钻井界关注的热点，而它的工程核心问题就在于井下流动特征参数的预测和施工参数的优化。国内外曾做过一些在泡沫钻井井筒流动规律的研究，但是尚缺乏系统性和完整性。因此，要想解决泡沫钻井过程中存在的井筒流动理论问题，则必须对泡沫钻井流动特征进行系统、深入的研究。针对该研究领域存在的问题和难点，本书开展了以下工作并得到了一些规律性认识：

（1）对泡沫的基本性质、泡沫的携岩能力、泡沫在圆筒和环空中的流动状态进行研究，并推导得出泡沫流体在钻柱和环空中的有效黏度、摩阻系数以及泡沫流体的状态方程。

（2）考虑环空泡沫流体与钻柱泡沫流体及地层之间的双重热传导作用，建立了泡沫流体在井筒内流动的温度分布数学模型。综合运用质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，建立了泡沫流体钻井的数学模型，给出了边界条件和初始条件。与此同时，建立了环空及圆管泡沫流动稳态数学模型的求解方法。

（3）设计一套模拟井筒环空泡沫携砂的可视化实验装置。使用自制的可调可视化泡沫携岩装置，采用河砂、石英砂以及自配泡沫作为实验介质，开展可视化泡沫环空携岩规律的实验研究，探索不同直径的砂粒的携砂率与井斜角的关系：井斜角相同时，砂粒直径越小，携岩效果越好。当砂粒直径小于40目时，携砂率不受井斜角的影响；当砂粒直径大于20目时，携砂率随井斜角的增大而减小。当井斜角为45°时，携砂率最小；当井斜角为90°时，携砂率恢复到最大值。

（4）通过所建立的泡沫钻井流动模型和携岩理论，结合实际井基础参数以及三种不同性能泡沫（不稳定泡沫、稳定泡沫、硬胶泡沫）特性，采用数值模拟方法研究表明：随着井深的增加，泡沫质量参数减小，井底的泡沫质量参数最小。在相同井深，钻柱内泡沫的压力总是大于环空内泡沫的压力，井底的压力最大，要远远小于相同高度水柱的压力，充分体现了泡沫流体钻井可以实现欠平衡作业。在相同井深，钻柱内的泡沫流速总是小于环空内的泡沫流速，随着井深的增加，泡沫流速减小。在泡沫流体钻井过程中，随着井口回压的增大，井口注入压力、井底压力增加。井口回压对其他各参数的影响较大，现场应用时应注意对井口回压的控制，井口回压应该控制在0.1～4 MPa的范围内。

以上研究成果对于完善泡沫钻井井筒流动理论、实现欠平衡钻井优化施工参数以及指导现场应用具有重要的意义。

本书由魏纳、郭柏云、孟英峰、万里平、李皋合作编著，其中魏纳、郭柏云、万里平、李皋编写第1、2章，魏纳、孟英峰编写第3～6章。孙万通、张栗瑞、陈光凌、李鹏杰参与了校核和排版工作。本书在编写过程中还得到了西南石油大学石油与天然气工程学院相关领导的大力支持，在此表示感谢。

编者

2015年10月