羽状水平井欠平衡钻井环空流动特性研究.pdf

第 3 2卷第 3期 2 0 1 0年 6月 西南石油大学学报自然科学版 J o u r n a l o t S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y S c i e n c e T e c h n o l o g y E d i t i o n Vol _ 3 2 No ． 3 J u n ． 2 0 1 0 文章编号 1 6 7 45 0 8 6 2 0 1 0 0 3一 O 1 1 7～ 0 5 羽状水平井欠平衡钻井环空流动特性研究 张 义 ， 鲜保安 ， 周 卫东 ， 孙粉锦 ， 任源锋 1 ． 中国石油勘探开发研究院廊坊分院 ， 河北 廊 坊 0 6 5 0 0 7； 2 ． 中国地质大学工程技术学 院， 北京 海淀 1 0 0 0 8 3； 3 ． 中 国石油大学石油工程学 院， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 ； 4 ． 中国石油渤海钻探 井下作业公 司， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 7 摘要羽状水平井欠平衡钻井技术是近几年来国内外煤层气开发 中普遍采用的一项减少储层伤害、 提高低渗储层 煤层 气采收 率的新技 术。针对该技术 的技 术特 征 ， 建 立 了物理 模 型和数 学模 型 ， 结合 现场 井例 分析 了井筒环 空 内各 流动特性参数的变化规律。结果表明 井底压力随泥浆排量的增加单调递增 ， 同一泥浆排量条件下， 环空注气量越 大 ， 井底压 力值越低 ； 羽状 井 自注气点至井 口的 井筒环 空 内， 水平段 由于静液 压力 占主 导 ， 空隙率 、 混相流体 流速增 长 幅度较小 ， 混相 流体密度 少许 降低 ， 压降损失也较 少； 竖直 井筒环 空 内空隙率及 混相流体 流速 自井底 沿井筒向上初 始 缓慢增大 ， 当环 空压力降低到一定程度后 ， 由于气液 滑脱 效应 ， 而； g - a ,l 增 大， 环 空 内混相流体 密度 变化 规律与之 相反 ， 环空压力 自井底 沿井筒向上呈线性减 小。 关键 词 煤层 气 ； 羽状水平 井； 欠平衡钻 井； 流动特性 ； 环空压 降； 井底 压力 ； 环 空注气量 中图分类号 T E 2 4 2 ． 9 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 8 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 45 0 8 6 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 2 2 引 言 由于我 国的煤储层 大多属 于低 压 、 低 渗 、 低孔 “ 三低 ” 类 型 ， 致使 煤 层气 开 采 难 度增 加 ， 效 果 甚 差 。理论研究及近几年 的开发实践表 明， 当煤 层的渗透率小于 1 mD时， 采用羽状水平井开采煤层 气 ， 单井 日产气量 与直井 水力压裂相 比可提高 3～ 1 0倍 ， 因此羽状水平井钻井技术 已成为 目前煤 层气开发的主要技术之一 ， 尤其是羽状水平井充气 欠平衡钻井技术 一 。该技术采用羽状井 与洞穴 直井相结合的双井筒结构 ， 当羽状井主水平井 眼与 洞穴直井连通 以后 ， 通过直井往 羽状 井水平 井筒环 空内注气 ， 降低羽状井环空内液柱压力 ， 实现其在煤 层中的欠平衡钻进 ， 达到减少储层污染 、 保护煤储层 的目的。完井以后 ， 在羽状井斜井段打水泥塞封堵 ， 采气作业在 直井 中进行 卜∞】 。该技术 的关键 在于 欠平衡钻井注气工艺参数 的优选 ， 从 而确保 羽状井 在煤储层 中钻进始终保持欠平衡钻井状态 ， 因此研 究环空注气量 、 泥浆排量等对井底压力 、 井底欠压值 的影响以及井筒环空 内各物性参数沿井深的变化规 律 至关 重要 。 1 模型 的建 立与求解 1 ． 1 物理模型简化 由于水平井注气点 以后井筒环空内的流体流动 为液 、 固两相流， 注气点至井 口的井筒环空 内流体流 动为气 、 液、 固混相流体流动， 为 了便于研究和计算 ， 将羽状水平井欠平衡钻井井身结构简化 见图 1 ] 。 H 一羽状井垂深 ， m； 一羽状井垂直井眼与注气直井水平间距 ， m D h 1 羽状井 三开井 眼直径 ， m； D } l2 注气直井二开井眼直径 ， m； D 一羽状井 三开钻杆 柱外径 ， m； D ～注气直井油管内径 ， m。 图 1 通 用算例简 化物理模型 Fi g ． 1 Di a g r a m o f u ni v e r s a l m o de l s f o r c a s e s 收稿 日期2 0 0 9一 O 8一 O 4 基金项 目国家煤层气 “ 9 7 3 ” 项 目 2 0 0 9 C B 2 1 9 6 0 7 ； 国家科技重大专项子课题 2 0 0 8 Z X 0 5 0 3 3 。 作者简 介张 义 1 9 8 3一 ， 男 汉族 ， 湖南 长沙人 ， 硕 士 ， 主要从 事多分支水平 井 、 欠 平衡钻 井及煤层气钻采方 面的研究 。 1 1 8 四南石油大学学报 自然科学版 2 0 1 0钲 1 ． 2 数学模 型 1 ． 2 ． 1 质量守恒相微分方程 景 p ie i 7 ’ p ie iv i 0 1 式中 ￡ 一 时间 ， s ； p 一 流体密度 ， k g ／ m ； e 一 流体体积分数 ， 无因次 ； 一 流体速度 ， m ／ s 。 下标 一 流体类型 ， ig 气体 ， l 泥浆 ， S 煤屑 。 1 ． 2 ． 2 动量守恒相微分方程 景 V p ie iv p ie ig V ‘ e 0 2 其中， 二阶应力张量 T 的表达式为 P P P ] } P P P I ＼ ＼ p z p z p 式 中 g 一 重力加速度 ， g9 ． 8 m ／ s 。 1 ． 2 ． 3 井筒环空压降计算模型 水平井简 p Q P l Q 1 P Q 2 [ 一 盟 3 p 一 环空混相流体密度， k g ／ m ； 一 羽状井水平井筒环空内持液率 ， 无 因次 ； 一 羽状井水平井眼倾斜角 ， 。 。 1 ． 2 ． 4 空隙率计算模型 ， 。 水平井筒环空 E l 厂 Q ， Q 。 ， Q ， ， D 5 竖直井简环空 E g Q ， Q g ， P ， P g ， t z g ， I Z l ， C g ， ， g ， g 6 式 中 E 一 水平井筒环空内空隙率， 无因次 ； E 一 竖直井筒环空内空隙率 ， 无因次； Q 一 环空混相流体排量 ， m ／ rai n ； 一 气体黏度 ， P a s ； 】 一泥浆黏度 ， P a S ； C 一 气体速度分布系数， 无因次 ； 一 气体漂移速度 ， m ／ s 。 1 ． 3 模型求解思路与方法 建立的数学模型是 由一 系列差分方程 、 参数方 程及辅助方程等构成 的高度非线性代数方程组 ， 在 方程组求解过程中， 需要在定解域每一个离散节点 上确定 出 P ， E ， ， P ， ／ x ， P ， ， 。 等流动物 性参数。 因此， 本文在计算过程中将代数方程组在定 解域上的求解转换为在定解域节点上 的求解 ， 选定 好起始节点和空间步长， 逐步求解定解域内各节点 上的解 ， 直到覆盖整个定解域 ， 即可求得相应问题的 解 ] 竖直井筒 ～ a 出 p P i p 4 2 环 空流动物性参数分析 式 中 p 一 环空混相流体压力 ， MP a ； 一 水平井筒轴 向长度 ， m； z 一 竖直井筒轴向长度 ， m； 一 环空混相流体摩阻系数 ， 无因次； Q 一 环空混相流体 中气体排量 ， m ／ mi n ； Q 一 环空混相流体中泥浆排量 ， m ／ mi n ； Q 一 环空混相流体中煤屑排量 ， m ／ m i n ； 一 环空混相流体速度 ， m ／ s ； 一 气体表观相速度 ， m ／ s ； D 一 水平井筒环空过流断面当量直径 ， m； D 一 竖直井筒环空过流断面当量直径 ， m； A 一 环空过流断面截面积， m ； 以沁水盆地南部某煤层气羽状水平井 为例 ， 利 用所建立的物理模型和数学模型 ， 在不同泥浆排量 及不同环空注气量条件下 ， 对羽状水平井井底压力、 井底欠压值及井筒环空内各物性参数沿井深 的变化 规律进行了计算和分析。 2 ． 1 计算井例基础数据 羽状井垂深 8 0 0 m， 羽状井垂直井眼与注气直井 水平间距 1 5 0 m， 羽 状井 三 开 主水平 井 眼孔 径为 1 5 2 ． 4 m m， 三开钻杆柱 外径为 8 9 mm， 泥浆密度为 1 0 1 5 k g ／ I Y I ， 煤岩密度为 1 4 0 0 k g ／ in ， 标准状态下空 气密度为 1 ． 2 0 5 k i n ， 煤储层孔隙压力梯度为 0 ． 8 9 M P a ／ 1 0 0 I 13 ， 羽状井主水平井眼倾斜角 0 。 ， 井 口压力 取标准大气压。 第 3期 张 义 ， 等 羽状水 平井欠平衡钻井环 空流 动特性研究 1 1 9 2 ． 2 环空流动特性参数变化规律分析 2 ． 2 ． 1 井底压力随环空注气量及泥浆排量变化规律 图 2反映的是在不 同环空注气量 p 条件下 ， 井底压力随泥浆排量的变化规律。从 图中曲线可 以 看 出， 当环空注气量一定时 ， 随着泥浆排量 的增 大 ， 井底压力呈现单调递增变化规律 ， 且 不同注气量条 件下井底压力变化规律一致 ； 在 同一 泥浆排量条件 下 ， 注气量越大 ， 井底压力越低 。 山 茎 ＼ 世 址 泥浆排量／ L ／ s 图 2 井底压 力随环 空注气 量及泥浆排量变化 规律 Fi g ． 2 Re l a t i o ns h i p a m o ng bo t t o m h o l e p r e s s u r e， d i s c h a r g e r a t e o f mu d a n d a n n u l a r g a s - i n j e c t i o n 2 ． 2 ． 2 空隙率沿井深变化规律 图 3反映的是在不 同环空注气量 9 条件下 ， 羽状井注气点至井 口的井筒环空 内空隙率沿井深 的 变化规律。由图中曲线 可以看 出， 水平井筒环空 内 静液压力占绝对主导地位 ， 空隙率变化很小 仅增大 3 ％左右 ； 竖直井筒环空 内初始 时由于静液压力 占 主导地位 ， 空隙率沿井深增大缓慢 ， 但 当井深变化到 距井 口 1 0 0 m左右 时， 随着竖直井 筒环空 内压 力降 低到一定程度 ， 摩阻压力 占主导地位 ， 环空 内气体急 剧膨胀 ， 空隙率急剧增大。不 同环空注气量条件下 ， 空隙率沿井深的变化规律基本一致。 0 2 0 0 口4 0 0 隧 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 空隙率／ 无因次 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 图 3 空隙率沿井深变化规律 Fi g ． 3 Re l a t i o ns h i p b e t we e n v o i d f r a c t i o n a n d we l l d e pt h 2 ． 2 ． 3 混相流体密度沿井深变化规律 图 4显示的是在不 同环空注气量 p 条件下， 羽状井注气点至井 口的井筒环空内混相流体密度沿 井深的变化规律 。由于混相流体 中液相 、 固相的密 度视为常量 不变 ， 气相 密度 随压力 、 温度 的变化 较 小 ， 且其数量级相对液相 、 固相 密度 而言非常小 ， 因 此混相流体密度沿井深的变化规律与空 隙率的变化 规 律 正好 相反 。 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 混相流体密度／ g ／ c m 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 图 4混 相 流 体 密 度 沿 井 深 变 化 规 律 Fi g． 4 Re l a t i o n s h i p b e t we e n m i s c i bl e flu i d de n s i t y a nd we l l d e pt h 2 ． 2 ． 4混相流体流速沿井深变化规律 图 5为在不同环空注气量 Q 条件下 ， 羽状井 注气点至井 口的井筒环空内混相流体流速沿井深 的 变化规律 。由于混相流体流速的变化主要取决于气 液问的滑脱效应 ， 因此在静液压力 占主导 的井筒环 空内， 混相流体流速增长缓慢 ， 当井深变化到距井 口 1 0 0 Il l 左右时， 摩阻压力 占主导地位 ， 随着空隙率急 剧增大 ， 环空 内混相流体流速也急剧增大。不 同环 空注气量 条件 下 ， 混相 流体 流速 沿井 深变 化 规律 一 致 O 2 0 0 g 4 0 0 ＼ 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 混相 流体 流速／ m／ s 图 5 混相流体流速 沿井深变化规律 Fi g ． 5 Re l a t i o n s h i p b e t we e n m i s c i b l e flu i d v e l o c i t y a n d we l l d e pth 1 2 0 西南石油大学学报 自然科学版 2 0 1 0焦 2 ． 2 ． 5 环空压力随井深变化规律 图 6反映的是在不同环空注气量 Q 条件 下， 羽状井井筒环空内注气点至井 口的环空压力随井深 的变化规律。由图中曲线可以看 出， 在水平井段环 空压力损失较小， 在竖直井筒环空 内沿井筒向上呈 线性递减的变化规律。不 同环空注气量条件下 ， 环 空 压力 随井 深变化 规律 一致 。 0 200 口4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 环空压力／ MP a 2 4 6 图 6 环 空压 力随井深变化规律 Fi g ． 6 Re l a t i o n s h i p b e t we e n we l l de p t h a nd a n n u l a r pr e s s u r e 2 ． 2 ． 6 环空注气量及泥浆排量对井底欠压值的影 响分析 图7为不同泥浆排量 Q 下 ， 井底欠压值随环 空注气量的变化规律。由图中曲线可以看 出， 当泥 浆排量一定时， 井底欠压值 随着环空注气 量的增大 而减小； 在同一环空注气量条件下 ， 泥浆排量越低 ， 井底欠压值越小， 欠压程度越高 ； 对于不同的泥浆排 量， 存在不同的环空注气量取值范围， 使得钻进过程 中井底欠压值控制在 一0 ． 6～一 0 ． 2 MP a ， 从而满足 减少储层污染 、 保护储层 的现场钻井工艺要求。 一 O 1 日一 o ． 3 宝 智 5 L 馏 一 O ． 7 0 ． 9 环 空注 气量 ／ m。 ／ mi n 1 4 1 6 l 8 2 0 2 2 2 4 2 6 图 7 井底欠压值与环空注气量、 泥浆排量关系曲线 Fi g ． 7 Re l a t i o n s h i p s a mo n g b o t t o m h o l e u nd e r p r e s s u r e ． a n n u l a r g a s - i n j e c t i o n a n d d i s c h a r g e r a t e o f mu d 3 结论与认识 1 羽状水平井欠平衡钻井技术可以实现减少 储层污染 、 保护煤储层 、 提高煤层气单井产量等 目 的， 目前 已成为国内外 中、 高煤阶煤层气开发的主要 技 术之 一 。 2 环空注气量一定时， 井底压力 随着泥浆排 量的增大而单调递增 ； 在同一泥浆排量条件下 ， 注气 量越大 ， 井底压力值越低。 3 羽状井注气点至井 口的水平井筒环空内由 于静液压力 占绝对主导 ， 气液间无明显滑脱 ， 空隙率 及混相流体流速增长幅度较低 ， 混相流体密度降低 较少 ， 压降损失也较少 ； 竖直井筒环空内空隙率 自井 底沿井简向上初始增长缓慢， 相应的， 环空混相流体 密度减小缓慢 ， 流速增长也缓慢 ； 但当环空压力降低 到一定程度后 ， 由于气体体积膨胀 ， 气液滑脱效应增 强 ， 环空空隙率迅速增大 ， 混相流体密度随之迅速减 小 ， 混相流体流速迅速增大 ， 竖直井筒环空 内混相流 体压力 自井底沿井简向上呈线性减小 的变化规律。 4 泥浆排量一定 时， 井底欠压值随环空注气 量的增大而单调递减； 在同一环空注气量条件下 ， 泥 浆排量越低 ， 井底欠压值越小 ， 欠 压程度越高； 对于 不 同的泥浆排量 ， 存在对应 的环空注气量合理取值 范围 ， 使得羽状水平井在储层 中钻进始终满足保护 储层 的欠平衡钻井工艺要求 。 参考文献 [ 1 ] 孙万禄． 我国煤层气 资源开发前 景及对策 [ J ] ． 天然气 工 业 ， 1 9 9 9， 1 9 5 15 ． [ 2 ] 黄雅达． 中国煤层气资源 的开发与利用[ J ] ． 中国矿业 ， 2 0 0 1， 1 0 1 2 22 5 ． [ 3 ] 冯三利 ， 叶建平． 中国煤层 气勘探 开发 技术研 究进 展 [ J ] ． 中国煤 田地质 ， 2 0 0 3 ， 1 5 6 1 9 2 4 ． [ 4 ] 陈永武 ， 胡爱梅． 中国煤层气产业形成和发展面临的机 遇与挑战 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 0 ， 2 0 4 1 9 2 3 ． [ 5 ] 刘洪林 ， 土红岩 ， 宁宁 ， 等． 中国煤层气资源及中长期发 展趋势预测 [ J ] ． 中国能源 ， 2 0 0 5 ， 2 7 7 2 1 2 6 ． [ 6 ] 蔚远江 ， 杨起 ， 刘大锰 ， 等． 我 国煤层气储层研究 现状及 发展趋势[ J ] ． 地质科技情报， 2 0 0 1 ， 2 0 1 5 6 6 0 ． [ 7 ] 薄冬梅， 赵永军， 姜林， 等． 煤层气储层渗透性研究进展 [ J ] ． 西南石油大学学报 自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 0 6 3 1 3 4 第 3期 张 义 ， 等 爿 习 状水平井欠平衡钻 井环空流动特性研究 1 2 1 [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] 杨陆武 ， 孙茂远 ， 胡爱梅 ， 等． 适 合中国煤层气藏特点 的 开发技术[ J ] ． 石油学报， 2 0 0 2 ， 2 3 4 ， 4 6 5 0 ． 吴晋 军 ， 刘敬 ， 王金 安． 煤层气 开发新 技术试 验研 究 与 探索[ J ] ． 西安石油大学学报 自然科学版， 2 0 0 9， 2 4 5 4 34 5． 刘国璧 ， 张惠蓉． 煤层气勘探开发和增产技术[ J ] ． 新 握石 油地 质 ， 1 9 9 4 ， 1 5 1 8 7 9 0 ． 石书灿 ， 李玉魁 ， 倪小 明． 煤层气竖直压裂井 与多分 支 水平 井生产特 征 [ J ] ． 西 南 石 油大 学学 报 自然 科学 版 ， 2 0 0 9 ， 3 1 1 4 85 l _ 郑毅 ， 黄洪春． 中国煤 层气 钻井 完井技 术发 展现 状及 发展方 向[ J ] ． 石 油学 报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 3 8 1 8 5 ． 张亚蒲， 杨正明， 鲜保安． 煤层气增产技术[ J ] ． 特种油 气藏 ， 2 0 0 6 ， 1 3 1 9 5 9 8 ． 韩宝 山． 欠平衡钻井技术 与煤 层气开发 [ J ] ． 煤 田地质 与勘探 ， 2 0 0 2 ， 3 0 4 6 1 6 2 ． 潘军 ， 杨陆武 ， 孟英 峰． ／人平衡 钻井技术在煤层气 勘探 开发 中的应用 [ J ] ． 探 矿工程 ， 2 0 0 1 4 91 2 ． 刘绘新 ， 孟 英峰． 注气欠 平衡 钻水平 井的新 技术 I J ] ． 石油勘探 与开发 ， 2 0 0 5 ， 3 2 1 1 0 01 0 2 ． 鲜保安 ， 高德利 ， 李安 启 ， 等． 煤层 气定 向羽 状水 平井 开采机理与应用分析[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 1 1 4 一l l 6． 龚志敏， 段乃中． 岚 M1 1煤层气多分支水平井充气 钻井技术[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 6 ， 2 8 1 1 51 8 ． [ 1 9 ] [ 2 0 ] [ 2 1 ] [ 2 2 ] [ 2 3 ] [ 2 4 ] [ 2 5 ] [ 2 6 ] [ 2 7 ] [ 2 8 ] [ 2 9 ] 鲍清英 ， 鲜保 安． 我 国煤 层气 多分支井 钻井 技术 可行 性研 究[ J ] ． 天然气 工业 ， 2 0 0 4 ， 2 4 5 5 45 6 ． 江山 ， 王新海 ， 张晓红． 定 向羽状 分支水 平井开发煤层 气现状及 发展趋势 [ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 4 ， 2 7 2 4 6 ． 鲜保安， 高德利， 王一兵， 等． 多分支水平井在煤层气 开发中的应用机理分析[ J ] ． 煤田地质与勘探， 2 0 0 5 ， 3 3 6 3 43 7 ． 黄洪春 ， 卢 明， 申瑞 臣． 煤层气定 向羽状 水平 井钻井技 术研究 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 4 ， 2 4 5 7 6～7 8 ． 鲜保 安 ， 高德利 ， 陈彩红． 煤层气 高效开发技术[ J ] ． 特 种油气藏 ， 2 0 0 4， 1 1 4 6 36 7 ． 张义 ． 煤层气羽状水平井充气欠平衡钻 井环空流动特 性研究 [ D] ． 山东 东营 中国石 油大学 ， 2 0 0 8 ． 石在虹 ． 倾斜管 多相 流研究 及分 层 配汽器研 制 [ D] ． 北京 中科 院力 学研究所 ， 2 0 0 3 ． 胥思平． 欠 平衡 钻井 理论模 型及 其应 用研究 [ D] ． 山 东 东营 中国石油大学 ， 2 0 0 6 ． 张义， 鲜保安， 周卫东． 煤层气欠平衡钻井环空注气丁 艺优化 [ J ] ． 石油勘探 与开发 ， 2 0 0 9 ， 3 6 3 3 9 8 4 0 2 ． 罗 世应 ． 欠 平 衡钻 井 理论 研 究及 数 模 [ D] ． 四J I I 南 充 西南石 油学院 ， 1 9 9 9 ． 赵大鹏． 天然气欠平衡钻井技术及其在 蜀南 气 田的应 用研究 [ D] ． 四川 南 充 西南石油学 院 ， 2 0 0 5 ． 编辑 宋艾玲