充气钻井气液体积流量计算.pdf

大 庆 石 油 学 院 学 报 J OURNAL O F D AQI NG P ET ROL E UM I NS TI T UT E 第 3 3卷 第 3 期 2 0 0 9年 6月 Vo 1 ．3 3 No ．3 J u n ． 2 0 0 9 充气钻井气液体积流量计算 黄 志强 1 ．湖北省 油气钻采 工程重 点实验 室， 湖北 荆州4 3 4 0 2 3 ； 2 ．长江大学 石 油工程学 院， 湖北 荆州4 3 4 0 2 3 摘 要 充气钻井技术的关键在于充气钻井气液体积流量 的合理设计 ．根据充气钻井 环空携 岩关 键点 ， 考虑 气体对 岩屑的举升作用 ， 提出一种充气钻井最优气液体积流量的计算方法 ， 开发充 气钻井水 力参数 设计软 件 ； 结合 吐哈油 田某 井的实际工况 ， 分析钻井液密度、 井 口回压、 机械钻速、 地层产气量 和地层产 液量对 充气钻井 气液体 积流量 的影响规 律． 该方法对于优化充气钻井设计和发挥充气钻井技术优势具有指导意义． 关键词 充气钻井 ；携岩关键点 ；体积流量 ； 参数设计 中图分 类号 TE 2 2 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 01 8 9 1 2 0 0 9 0 3 0 0 7 5 0 5 在充气钻井过程中， 环空流体流动是一种典型的气 、 液、 固多相流动 ， 其流动规律和携岩机理复杂 ， 经 常出现因携岩效果不好而造成钻井生产无法顺利进行的情况 ， 所以开展充气钻井气液体积流量计算方法 研究 ， 确定充气钻井最优气液体积流量， 对于保证环空携岩效果 、 充分发挥充气钻井技术优势意义重大． 在设计充气钻井水力参数时， 通常假定注入的气体不具备悬浮和举升环空岩屑的功能， 要求设计的钻 井液性能和循环参数能单独提供满足充气钻井作业环空岩屑的清洗 、 悬浮和举 升能力[ 1 3 ．在某些特殊情 况下 ， 地层压力较低 ， 充气量较大 ， 考虑气体对岩屑的举升作用 ， 设计最优 的气液体积流量可以保证环空携 岩效果 ， 并优化充气钻井设计．B o y u n G等认 为， 在确定的条件 地质条件 、 井眼尺寸和钻速 下， 存在一个 最佳的液气流量组合， 使用数学模型建立不 同井深 、 不同井 眼尺寸下的压力 图表和携岩能力 图表 ， 并通过 查表可求 出最优气液体积流量[ 4 ] ．笔者在考虑气体对岩屑的举升作用的基础上 ， 确定充气钻井液相体积 流量初值 的计算方法 ； 根据充气钻井井底压力计算基本方程 ， 设计最优气液体积流量的计算流程 ， 开发充 气钻井水力参数设计软件 ， 并结合实例分析钻井液密度、 井 口回压 、 机械钻速、 地层产气量和地层产液量对 充气钻井气液体积流量的影 响规律． 1 环 空携 岩关键 点 充气钻井时 ， 钻井液与气体从钻柱顶端注入 ， 气液混合流体沿钻柱 内向下流动， 通过钻头或喷嘴后在 井底携带岩屑 ， 从环空中向上返出地面， 环空携岩流动为气 、 液 、 固多相流动 ] ．当环空气液混合流体携带 岩屑上返至钻铤顶部等处时 ， 环空面积突然扩大 ， 混合流体流速减小 ， 根据钻井液流体对岩屑颗粒 的拖曳 力可知 ， 拖曳力与钻井液密度和速度平方成正 比， 所 以钻井液流体对岩屑颗粒 的举升力减小 ， 携岩能力降 低．另外 ， 由于气体具有较强的可压缩性 ， 当气体上返到该处时 ， 气体发生较大膨胀 ， 在该 处存 在能量 损 失 ， 影响混合流体携岩能力．工程上一般将这类位置视为携岩关键点， 充气钻井最小液相体积流量就是以 此 点为标 准进 行 确定 的[ 2 ] ． 2 体 积流量初 值 为了保证充气钻井携岩效果 ， 要求最大环空段液体 的平均速度 U a v 是临界浓度速度 。 和不可压缩钻 收稿 日期 2 0 0 9 0 l 一2 l ； 审稿人 李士斌 ； 编辑 任志平 基金项 目 国家油气重大专项项 目 2 O 0 8 Z X 0 5 0 2 1 0 0 6 作者简介 黄志强 1 9 6 4 一 ， 男 ， 硕士 ， 副教授 ， 主要从事油气井钻井完井技术方 面的研究 大庆石油学院学报 第 3 3卷2 0 0 9 年 井液中平均粒径岩屑颗粒的沉降速度 之和口 ] ， 即 一 ． 1 如果不可压缩的钻井液能单独携带岩屑 ， 那么注入钻井液中的气体将增强整个充气液的携带能力． 岩屑临界浓度速度是一个附加速度 ， 岩屑按规定的浓度因数在不可压缩钻井液 中分布．因此 ， 临界浓 度速度可表示为 一 3 6 0 0 C,， 2 式 中 为机械钻速； C 为岩屑临界浓度因数 ， 通常取 0 ． 0 4 ． 沉降速度取决于环空实际流动形态．经验数据表明， 当无 因次雷诺 数 1 0 R P l时， 流动为层流 ， 层流状态下岩屑的沉降速度可表示为 一 ． 3 当无因次雷诺数 1 RP 1 0 。时， 流动为过渡流， 过渡流状态下岩屑的沉降速度可表示为 一 o ． 2 7 『 ’ 4 L p l 当无因次雷诺数 1 0 。 Re 2 1 0 时， 流动为紊流 ， 紊流状态下岩屑的沉降速度可表示为 一 1 ． 7 4 『 5 L p l J 式 3 ～5 中 为岩屑平均直径 ； P r 为岩屑密度 ； P 为钻井液密度 ； 为钻井液有效运动黏度 ； g为重 力加速度． 根据最小体积流量理论 ， 确定不可压缩钻井 液的最小 流量 ， 并将 其作 为计 算最优气 液体积 流量的 初值． 3 最优气液体 积流量 在充气钻井设计时， 计算钻井液最小液相体积流量时通常认为气体不具备悬浮和举升岩屑的能力 ， 按 照钻井液单独携岩设计．为了达到和维持充气钻井井底欠平衡状态 ， 注入气液体积流量 比一般较 大， 气体 对携岩的影响不可忽略．为了优化充气钻井水力参数设计 ， 提 出一种最优气液体积流量计算方法． 3 ． 1 井底压力计算方程 在充气钻井过程中， 为了达到或保持井底欠平衡状态 ， 在注入钻井液 的同时也会注入一定体积流量气 体， 确定气体体积流量必须建立井底压力计算微分方程．设在环空 内任意位置压力为 P， 该位置用井 口到 该处的深度 表示 ， 在环空流动 中压力 d 随 而变化， 其关系式Ⅲ为 d P P m g L H ， 6 式 中 JD rT I 为环空混合流体密度 ； f为摩阻因数 ； 为环空混合物平均流速 ； d 为井眼直径 ； d 为钻柱外径． 由于注入井 内的气体具有压缩性 ， 在不 同压力和温度下其体积会发生变化 ， 因此充气钻井井筒压力计 算微分方程为多相流动微分形式 ， 其流体物性参数是井深的函数．设气体的出 E l 压力 为大气压 P ， 在环 空顶部出口， 结合气体状态方程得 Q 一 ， 7 式中 Q 为压力为 P 、 井段平均温度为 条件下的气体体积流量 ； 下标 g表示地面条件． 对式 6 进 行积 分 ， 可得 j ． P b ． h d p f HB ， 8 夕 ⋯’ 第 3 期 黄志强 充气钻井气液体积流量计算 Gm {H I嚣 I} ， ㈤ 式 中 P 为井底压力 ； H 为井深 ； G 为质量流量 ； Q 。 为钻井液体积流量 ； B i 为压力 函数．式 9 中的摩 阻因数 ，是雷诺数 、 水力当量直径和管路绝对粗糙度的函数 ， 可以根据具体流动情况计算求得． 计算井底压力时将环空分成若干段 ， 根据液相体积流量初值和假定气量将式 9 从井 口沿环空向下进 行分段积分到井底 ， 可求得井底压力 ， 对每一个微元井段进行连续的试算和积分过程 ] ． 计算最优气液体积流量步骤 1 假设一环空出口气体体积流量 ， 并估算在 △ 段 内的压力增量 A p ． 2 根据气液两相流流动理论判断流动所属流型 ， 按照各流型所对应 的压力公式计算压力增量 A p 。 ． 3 判断 l A p 一A p 。 I 是否满足精度要求 e ， 若满足 ， 将计算结果与上一段的压力相加 ， 计算转移到下一 段 Ah ， 重复上一段计算模式 ； 若 不满足， 重新估算压力增量 A p ， 重新计算压力增量 A p ， 直至满 足精度 要 求 ． 4 计算 至井底时， 判断计算的井底压力是否满足设计要求．若不满足要求， 重新假设环空出 口的气 体体积流量 ， 根据计算的井底压力情况在初值基础上加上或减去一小值 △ Q ， 按空 间步长 △ 迭代计算过 程重复计算井底压力 ， 直至满足设计要求． 5 根据计算 的气液体积流量 ， 应用充气钻井液相体积流量初值计算方法计算携岩关键点的最小混合 流体体积流量 Q i ， 若携岩关键点的混合流体流量 Q大于携岩所需 的最小混合流体体积流量 Q i ， 在液相 体积流量初值 Q c 的基础上减去一小值 △ Q ， 将 Q c 一△ Q 赋 给液相体积流量初值 ， 重复迭代计算过程 ， 直 到 Q等于或略大于 Q i 为止 为允许误差 ， 根据实际井况确定 ． 6 环空计算结束后计算钻头压 降， 在钻柱 内按空间步长 A h迭代计算 至井 口， 求得的井 口气液体积 流量即为充气钻井最优气液体积流量． 4 气液体 积流量影响 因素 以气液两相流理论和充气钻井最优气液体积流量计算方法为基础， 在 Mi c r o s o f t Wi n d o ws 的环境下 ， 用 D e l p h i 7 ． 0编程语言开发一套充气钻井水力参数设计软件 ， 并用 多 口井现场数据进行实际工况验算． 以某设计井为例 ， 说明钻井液密度、 井 口回压、 机械钻速 、 地层产出流体等因素对充气钻井注入气液体积流 量 的影响规 律 ． 4 ． 1 井况 设计井井深为 3 0 0 0 m， 上层套管下人深度为 2 0 0 0 m， 内径为 3 1 5 ． 3 mm， 钻头直径为 3 1 1 ． 2 mm， 井 径扩大因数为 1 ． 0 1 ， 钻柱结构为 2 2 8 ． 6 mm钻铤 5 0 m z o 3 ． 2 mm钻铤 6 0 m 1 7 7 ． 8 mm 钻铤 1 5 0 m 1 3 9 ． 7 mm钻杆2 7 4 0 r n ， 井底地层压力为 2 9 ． 6 MP a ， 欠压为 3 MP a ． 4 ． 2 钻 井 液密 度 在充气钻井过程中， 在其他条件不变的情况下， 如果钻井液密度增大 ， 则注液量减小 ， 注气量增 大[ 6 ] ， 见 图 1和 图 2 ． 4 ． 3井 口回压 在充气钻井过程中， 在其他条件不变的情况下， 井 口回压增大 ， 井底压力增大 ， 为维持井底欠平衡状态 需注入的气量增大 ， 见图 3 ． 4 ． 4 机械 钻 速 在充气钻井过程中， 机械钻速增大， 岩屑浓度增大 ， 井底压力增大， 为维持井底欠平衡状态需注入 的气 77。 大庆石油学院学报 第 3 3 卷2 0 0 9年 量增大， 见图 4 ． 1 7 1 6 1 5 ‘ 重 1 4 O ． 9 8 1 ． 0 o 1 ． o 2 l 。 0 4 1 ． o 6 1 ．o 8 1 ． 1 O 1 | 1 2 钻井液密度／ g m- 。 图 1 钻井液密度对注气量 的影 响 O l 2 3 4 5 6 井 口回压／ MP a 图 3 井 口回压对注气量 的影响 口 ’ 量 ● 昌 划 O ． 9 8 1 ． o 0 1 ． 0 2 l | O 4 1 ． 0 6 1 ． O 8 l | 1 O 1 ． 1 2 钻井液密度／ g o n 。 。 图 2 钻 井液 密度对注液量 的影响 0 2 4 6 8 1 O 1 2 机械钻速／ m h 图 4 机械 钻速对注气量 的影响 4 ． 5 地层产液■ 在充气钻井过程中， 因井底处于欠平衡状态 ， 地层流体极易产 出， 产 出的地层 流体直接进人环空增大 井底压力， 为维持井底欠平衡状态需注入更大的气量 ， 见图 5 ． 4 ． 6 地层产气量 在充气钻井过程 中， 因井底常处于欠平衡钻井状态 ， 在钻遇气层时， 气体容易侵入环空 ， 进入环空后与 地面注人流体混合增大了环空气体量， 为维持井底压力状态需减小注气量 ， 见图 6 ． a 。 量 ● ＼ 图 5 地层产液 量对 注气量的影响 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 地层产气量／ ma mi n 图 6 地层产 气量对 注气量的影响 由图 1 --6 可以看出， 钻井液密度 、 井 口回压、 机械钻速 、 地层产液量和地层产气量对井底压力有着不 同程度的影响 ， 在充气钻井设计时， 应考虑这些因素对井底压力的影响， 设计合理的气液体积流量 ， 充分保 证井底欠平衡状态 ， 达到欠平衡钻井的效果． 鼹 { g ∞ 鹃 弱 雅 的 i 1 l}i 一 I l lⅢ． u ＼ ． u ＼ 磺 燃 孙 丝 盟 丝 扎虬 鹅 ∞ 弘 ∞ 嬲 弱 加 一 I _u lI I ． u 遗 划 船 “ 他 9 一 J I 墨 ． nⅢ一 ＼ 嚣 加 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 第 3期 黄志强 充气钻井气液体 积流量计 算 5 结论 1 在充气钻井过程中， 为保证环空携岩效果 ， 携岩关键点处流体速度需克服岩屑临界浓度速度与沉 降速度之和． 2 在气液体积流量比较大情况下 ， 应考虑注入气体对岩屑的悬浮 、 举升作用 ， 计算气液混合流体状态 下的最优气液体积流量． 3 钻井液密度 、 井 口回压、 机械钻速 、 地层产出流体等影响充气钻井井底压力与最优气液体积流量的 计算 ， 充气钻井设计过程中应综合考虑这些因素的影响． 参考文献 ． E 1 ] 曾义金 ， 樊洪海译．空气和气体钻井手册 [ M] ．北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 6 2 0 4 2 1 4 ． I- 2 ] 赵业荣 ， 盂英峰．气体钻井 理论与实践F M] ．北京 石油 工业 出版社 ， 2 0 0 7 2 5 ． r 3 ] 余晟 ， 李黔 ， 康雪林．充气欠平衡钻井 环空气液固三相流动力学分析[ J ] ．钻采 工艺， 2 0 0 7 ， 3 0 2 [ 4 ] 胥思平译．欠平衡钻井气体体积 流量 的计算 [ M] ．北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 6 4 7 ． [ 5 ] 付在国 ， 孙应红 ， 李勇．充气钻井井筒压力分布规律研究 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KAr同位素测年研究与成藏年代探讨[ J ] ．地学前缘 ， 2 0 0 4 ， 1 1 4 6 3 6 6 4 7 ． Ha s e l d i n e R S， S a ms o n I M，C o n f o r t C．D a t i n g d i a g e n e s i s i n a p e t r o l e u m b a s i n a n e w f l u i d i n c l u s i o n me t h o d r J ] ．Na t u r e ， 1 9 8 4 ， 3 0 7 3 5 4 3 5 7 ． Bu r r u s s R ，Ce r o n e K R，H a r r i s P M ． Ti mi n g o f h y d r o c a r bo n m igr a t i o ne v i d e n c e d f r o m f l u i d i n c l u s i o n s i n c a l c i t e c e m e nt s，t e c t o n c i s a n d b u r i a l h i s t o r y [ C ] ／ ／S c h n e i d e ma n n N，Ha r r i s P M．C a r b o n a t e c e me n t s ．Yu l s a S o c E c o n P a l e o n t o l Mi n e r a l ，1 9 8 5 2 7 7 2 8 9 ． E a d i n g t o n P J ．Fl u i d h i s t o r y a n a l y s i s n e w c o n c e p t f o r p r o s p e c t e v a l u a t i o n [ J ] ．Th e AP E A J o u r n a l ，1 9 9 1 ， 3 1 2 O 2 2 9 4 ． P a g e l M，Wa l g e n wi t z F， Du b e s s y J ．F l u i d i n c l u s i o n s i n o i l a n d g a s b e a r i n g s e d i me n t a r y f o r ma t i o n s r C ] ／ ／ B u r r u s J ．T h e r ma l mo d e l i n g i n s e d i me n t a r y b a s i n s ． Ho us t o nGu l f Pu b l i s h i n g Co m．，1 9 85 5 6 5 5 83 ． 陈容林．沉积岩矿物包裹体测试方法及其在石油地质 的应用r c ] ／ ／ 石油地质实验测试技术新发展．北京 地质出版社 ，1 9 9 7 ． 麦碧娴 ， 汪本善．泌阳凹陷下第三系流体包裹体特征及其应用一流体包裹体研究r J ] ．地球化学 ， 1 9 9 1 4 3 3 1 3 4 1 ． 施继锡 ， 李本超 ， 傅家谟 ， 等．有机包裹体及其与油气的关系[ J ] ．中国科学’ B辑 ， 1 9 8 7 3 3 1 8 3 2 5 ． 7 9 ]] ] ]] ]O 1 口