一种气体钻井井底流体侵入量的简易算法.pdf

大 庆 石 油 学 院 学 报 J OuRNAI OF DAQI NG P ETROI EUM I NS TI TUTE 第 3 4卷 第 1期 2 0 1 0年 2月 Vo 1 ．3 4 No． 1 Fe b． 2 01 0 一 种气体钻 井井底流体侵入量 的简易算法 常 瑛 ，刘顺利。 ，冯久鸿。 ，毕雪亮 1 ．中国石油大学 北京石油工程学院， 北京 昌平 1 0 2 2 4 9 ； 2 ．大庆石 油学 院 提高 油气采收率教育部重点 实验室， 黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 ； 3 ． 辽河油田分公司 钻采工艺研究院 ， 辽宁 盘锦1 2 4 0 0 0 摘要 在气体钻井过程 中， 地层出水、 出气易引起卡钻 、 井壁失稳等事故．为计算气体钻井流体侵入量 ， 根据质量 守 恒原理 ， 建立流体侵入量计算模型 ， 推导井底流体侵入量表达式 ， 利用井筒 内平均流速计算 流体滞后时间 ， 并根据 流体侵 入量的计算结果给 出相应的钻井方式．计算实例表明， 流体侵入量模型简单 、 直观性强 ， 可 为气体 钻井方式转换 、 减少钻 井事故提供指导． 关键词 l 欠平衡钻井 ； 地层流体 ； 质量守恒定律 ；流体侵入量 中图分类号 TE 2 4 2 ． 6 文献标识码 A 文童编号 1 0 0 01 8 9 1 2 0 1 0 0 1 0 0 6 0一O 3 0 引言 气 体钻井 以其减 少油 气层伤 害 、 有 效评 价油气 藏 、 大 幅度 提高 机械 钻 速 和有 效 控 制漏 失 、 减 少压 差 卡 钻 等优 点在全世 界范 围 内得到越 来越 多 的应用 ， 但 是井 底流 体侵入 限 制气体 钻井 技术 的进 一步发 展 ， 可 导 致岩屑成团、 卡钻、 井壁失稳等事故； 因此井底侵人流体的早期监测和识别很重要．S mi t h J R等提出基于 I P R动态关系计算钻井过程中地层液体侵入量 ] ， 刘伟等基于低速非达西渗流理论预测气体钻井过程中 低渗 透地层 液体 的侵入 量 ] ， 李 爱军 在雾化 泡 沫 液 中加入 一定 量 的示踪 剂 ] ， 通 过测 量进 出 口示 踪剂 浓度计 算地 层 出水量．这些 模 型基 于达 西公 式 ， 根 据 渗流 理论 建 立 计算 模 型 ， 构 造 复 杂 ， 求解 时间 长．笔 者根据 质量 守恒 原理 ， 利 用进 出井 口质量 流量 变化 推导侵 入井 筒 的地 层 流体流 量． 1 计算模 型 1 ． 1 假 设条件 1 2 g 层 液 体与岩 石无 化学 反应 ； 2 新 钻出 的岩屑 直接被 钻井 液 冲离井底 并携 带 出井 口 ； 3 井底 流体侵 入 流量在 钻井 液携带 能力 范 围内． 1 ． 2流体侵 入量 设 在 d ￡ 时间 内以一定 机械 钻速钻 进井 深为 d ， 则 钻 出岩屑 体积 d V 为 d _ _n D Z 1一 q Dd h 一 ． Kn D2 1一 R Pdt， 4 4 r ‘ 式 中 为 地层孑 L 隙度 ； D 为钻 头直 径 ； R 为 机械 钻速． 由式 1 得 岩屑体 积流 量 Q 为 Q 一睾D 1 一 R 【】 ． 岩屑 的质量流 量 M 为 Mc Q ， 收稿 日期 2 0 0 91 O～2 8 ； 审稿人 艾池 ； 编辑 王文礼 作者简介i 常瑛 1 9 6 8 ～ ， 女， 博 士， 研究员 ， 主要从事油气井工程方面的研究 6 O 2 3 第 1 期 常瑛 等 一种气 体钻井井底 流体侵入量的简易算法 式 中 ． p s 为地层 岩石 密 度． 空气 的质量 流量 为 一 Q ， 4 式中 Q 为进 口空气体积流量 ； p 为泵入 的空气密度． 地 层 流体 侵入 量 M2 为 M 2一 M 1一 M 一 M c ， 5 式 中 M 为井 口的质量 流 量． 地 层侵 入 流体 的平 均密 度 P为 一 M 2 ， P一 Q3 -- Q1 ’ b J 式 中 Q。 为 出 口空 气体 积流 量 ． 根 据流 体密 度 ， 判 断流体 侵 入类 型 若 一0 ． 0 8 9 k g ／ m。 ， 为氢 气 侵入 ； 若 一0 ． 7 1 4 k g ／ m。 ， 为天然 气侵 入 ； 若 一1 ． 2 5 k g ／ m。 ， 为一氧化碳气侵入 ； 若 ≥1 1 0 。k g ／ m。 ， 为液体侵人． 考 虑流 体体 积 系数 ， 井底 流体 侵入 体 积 流量 Q为 Q一／ Q s Q ～Q c B ， 流体为气体 7 1 Q 。 一Q 一Q B 。 ， 流体为液体． 式中 B ， B 分别为气体、 液体的体积因数． 1 ． 3流体 滞后 时 间 由于地 层侵 入 的流体 从井 底 返到 井 口需要 一定 的时 间 ， 所 以存 在滞 后 现象 ， 计 算 滞 后 时 间可 以指 导 现场 钻井 ， 提 前改 变钻 井方 式 ．井 筒 内 的各点 压力 不 同 ， 气 体 流速 也不 相 同 ， 为 简化 计 算 ， 利 用井 筒 内平 均 流速 计算 滞后 时 间． 根据气体状态方程计算井底的气体体积流量 Q2 为 Q 一 ， 8 井 底 的气体 流速 为 7 2 2一 Q ／ A 一 ， 9 井 口处 的气 体流 速 为 1 Q1 ／ A ， 1 0 则 平均 滞后 时 间 t 为 ， 1 1 2十“O1 式 8 ～1 1 中 P 为井 口大 气压 力 ； P 。 为井 底 压力 ； A 为 环空 截 面 积 ； h为 井 深 ； T 为 井 口地 面温 度 ； T z为 井底 温度 ． 1 ． 4钻 井方 式转 换原 则． 根据 地 层流体 侵 入量 转换 钻 井方 式 ， 主要 原则 1 如果 地层 流体 侵 人量 小 于等 于 1 ． 0 r n 。 ／ h时 ， 继 续气 体 钻井 ． 2 如果 地层 流体 侵 入量 大 于 1 ． 0 m。 ／ h并 小 于等 于 3 ．0 m。 ／ h时 ， 则转 为雾 化钻 井 ； 如果 采用 雾化 钻 井 ， 转盘 转矩 大 于 2 0 k N m， 则转 为 泡沫钻 井 ． 3 如果 地层 流 体侵 入量 大 于 3 ． 0 1 T I 。 ／ h ， 则转 为泡 沫钻 井 ； 如 果采 用泡 沫钻 井 ， 转 盘 转矩 大于 2 0 k N m， 则转 为 常规钻 井 液钻 井． 大庆石油学院学报 第 3 4卷2 0 1 0年 2 现场 应用 某 口井用气体钻井 井深为 2 0 0 0 m， 机械钻速为 6 m／ h ， 井 眼直径为 2 1 5 ． 9 mm， 钻杆外径为 1 2 7 ． 0 mm， 空气注入速度 8 0 m。 ／ rai n ， 空气密度为 1 ． 2 9 k g ／ m 。 ， 地温梯度 为 3℃／ 1 0 0 m， 井径扩大率为 l 5 ， 地 层 空隙 度 为 1 O 9 ／ 5 ， 岩 屑 密 度 为 2 ． 7 g ／ c m。 ， 出 口的 质 量 流 量 为 1 7 0 ． 4 2 k g ／ c m。 ， 出 口处 的 体 积 流 量 为 8 0 ． 0 5 3 m。 ／ rai n ， 液体 体积 因数 1 ． 1 3 ， 井底 压力 为 3 ． 5 MP a ， 地 面压 力为 0 ． 1 MP a ， 计 算地 层流 体侵入 量． 根据井 底流体 侵入 量计算 方法 ， 得到 人 口的空气质 量流 量 M 为 1 ． 7 2 k g ／ s ， 环空 截面 积 A 为 0 ． 0 2 3 9 m ， 钻出岩屑体积流量 Q 为 3 ． 7 8 7 1 0 m。 ／ mi n ， 钻出岩屑质量流量 M 为 0 ． 1 7 k g ／ s ， 地层流体侵入密 度为 1 ． 0 7 5 1 0 。 k g ／ m。 ．结果滞后时间为 2 3 ． 4 3 s ， 井底流体侵人量为 3 ． 5 9 m。 ／ h ． 根 据钻井 方式 转换 原 则 ， 转 换 为泡 沫钻 井 方式最 佳．对 该 井取 深度 为 1 0 0 0 m 开始 监测 ， 滞 后 时问 、 出 口流量 、 流体 密度 和流体侵 入 量计算 结 果 见表 1 ．由表 1可 以看 出， 随 着气 体 钻 井 深度 的增加 ， 滞后 时 间 、 出 口体 积流 量逐渐 增加 ， 流体 密度逐 渐减小 ， 流体侵 入量 逐渐增 加． 表 1 某 井 气 体 钻 井 参 数计 算 结 果 时间／ rai n 井深／ m 出口流量／ 流体密度／ 滞后时间 m {．ra in- 1 1n k g ．m m L K gm J 流体侵入量／ m3h～ 1 0 0 0 1 0 0 2 l O 4 1O0 6 l O 0 8 l 01 0 1 ． 5 4 l 0 1 ． 4 6 1 0 1 ． 3 9 l 1 ． 2 6 1 O 0 1 ．1 6 l 0 0 1 ． 0 9 1 O 3 结论 1 根据 质量守 恒原理 ， 建立 流体侵 入量 计算 模 型．该 模 型简 单 、 直 观性 强 ， 能够 判 断 液体 侵 入类 型 ， 方 便现场 应用 ． 2 应用该模 型 可计算 地层流体 侵入 量 ， 为气体钻 井方式 转换 提供依 据 ， 还 可 以用来进 行实 时监测 ， 减 少钻井事故， 降低钻井成本． 参考文献 [ 1 ] S mi t h J R，E d w a r d s J R．A n e w c o mp r e h e n s i v e me c h a n i s t i c roo d e l f o r u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g i mp r o v e s we l l b o r e p r e s s u r e p r e d i c t i o n s I t ] ．S P E 7 4 4 2 6 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 刘伟 ， 李黔 ， 王治平 ， 等．低渗透地层气体钻井液体侵入数值分析[ J ] ．天然气 1 业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 4 6 2 6 4 ． [ 3 ] 赵业荣 ， 盂英峰 ， 雷桐 ， 等．气体 钻井理论与实践[ M] ．北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 7 6 8 ～6 9 ． [ 4 ] 李爱军．空气钻井井眼稳定问题初探[ J ] ．西部钻探丁程 ． i 9 9 4 ， 6 1 1 卜一 1 4 ． [ 5 ] 吴仕荣 ， 邓传光， 周开吉．空气钻井地层出水 限定值的探讨[ J ] ．钻采工艺 ， 2 0 0 6 ， 2 9 5 7 8 ． [ 6 3 韩永刚 ， 刘德伦 ， 李平 ． 等。四J I J 地区气体钻井配套录井技术[ J ] ．天然气工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 】 3 ] 一3 3 ． 加 们 ∞ ∞