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充气钻井井底压力影响因素分析 李 勇 *1, 杨儒周2 1. 川庆钻探工程技术研究院, 陕西 西安 710000; 2. 兰州石油机械研究所, 甘肃 兰州 730050 摘 要 阐述了充气欠平衡环空流型的判断方法, 给出了不同流型摩阻压降计算的数学模型, 并考虑 了环空岩屑对井底压力的影响, 采用微分迭代的方法求解井底压力。利用编写好的程序模拟井口回 压、 注气流量和机械钻速对井底压力的影响关系和规律, 得出一些指导充气欠平衡钻井的有益的结 论, 对进一步深化和完善充气欠平衡钻井和井控理论研究以及现场应运具有重要的现实意义。 关键词 充气欠平衡钻井; 多相流; 井口回压; 井底压力 中图分类号 TE242. 6 文献标识码 A 文章编号 1004 5716 2010 07 0056 03 欠平衡钻井是继水平井之后的最具发展前途的钻 井技术之一, 近 10年来国内外的工作者对此展开了广 泛的研究。在欠平衡钻井中使用较多的是充气钻井液, 这种欠平衡钻井方式具有安全、 便于实施和控制、 当量 可调范围较大等特点, 具有广泛的应用前景。充气欠平 衡钻井技术作为一项油气田勘探开发的新技术, 与其它 新型钻井技术一样, 工艺技术是核心。而欠平衡钻井工 艺的核心就是井底压力的研究与控制, 因此, 如何更精 确的计算井底压力, 并对井底压力实施控制是充气欠平 衡钻井成功实施的关键。 充气钻井钻杆内为气液两相流, 环空内为气、 液、 固 三相流, 计算井底压力需要根据不同井段的不同流型选 择不同的计算模型, 采用微分迭代的方法求解。而且注 气流量、 井口回压、 机械钻速等钻进参数都对井底压力 有影响。 1 井底压力计算模型 1. 1 流型判别方法 从 18 世纪至今, 两 三 相流体在管内和环空流动、 静态流变参数已经有大量的计算公式, 但现在大家普遍 认为 1986 年 Hasan 和 Kabir 提出的 HK 模式, 从整体 上看, 同实际情况吻合性好, 偏差较小。HK 模式将流 型分为泡状流、 段塞流、 过度流和环雾流四种。实际充 气钻井的环空流型主要是泡状流和段塞流, 过度流和环 雾流只有在注气量很大或者井喷时才会出现。 泡状流 0. 0051gv 2 sg 1. 7如果 gv 2 sg 74. 4 环状流 vsg 3. 1 gt- g 2 g 0. 25 式中 vsg、 vsl、 vm 气相折算速度、 液相折算速度和混 合物速度; g、 l、 m 气相密度、 液相密度、 混合物密度; 1 液相粘度; 、 vt、 v0 表面张力、 泰勒气泡上升速度、 单个 气泡上升速度。 由以上公式可以看出环空流型的判断比较复杂, 需 要借助计算机程序才能实现。 1. 2 压降计算模型 多相流体在环空井眼中的流动计算非常复杂, 由于 多相流体流动特征参数 流量、 流动速度、 含气率 受状 态方程控制在不同井段有不同的流型 泡状流、 段塞流、 过度流、 环雾流 , 不同井段的不同流型段需采用不同的 计算模型。实践证明, 在正常的充气欠平衡钻井过程 56 西部探矿工程 2010 年第 7 期 *收稿日期 2009 04 07 第一作者简介 李勇 1981 , 男, 助理工程师, 现主要从事钻井技术的研究和应用工作。 中, 主要是泡状流和段塞流, 过度流和环状流只有在注 气量很大或者井喷时才会出现。 泡状流 vsg c0vm vt dp dz f r 2fmv 2 mm D C0 1. 2 段塞流 vsg c0vm vr dp dz f r 2fmv 2 ll D 1- C0 1. 18 过度流 计算同段塞流 C0 1. 0 1. 3 摩阻系数 有关摩阻系数计算公式的选择, Garry A. gregory 和 Maria Fogras 两人做了大量的工作, 他们对具有代 表意义的 12 个计算公式进行了分析和评估, 推荐 Chen 的方程具有很好的准确性, 最大绝对偏差小于 0. 4 , 而且公式简便, 易于使用。 Chen 的方程式如下 1 f - 4lg K / D 3. 7065- 5. 0452lgA Re A K / D 1. 1098 2. 8257 7. 149 Re 0. 8981 1. 4 环空岩屑引起的压力降 以 HK 气液两相流动理论模型为基础, 把充气钻 井循环流动分为钻柱内向下气液两相流动和环空内向 上气、 液、 固三相流动, 由于三相流计算十分复杂, 我们 将岩屑引起的重力压降考虑到液相中, 最终转化为气液 两相流动。 Qc 4 kD2h ml Qcc Qll Qc Ql 式中 Qc、 Ql 钻屑体积流量、 液相体积流量; c、 l、 ml 岩屑密度、 液相密度, 固、 液混合后 的密度; k 机械钻速; Dh 钻头直径。 2 数值求解方法 根据多相流的诸多变量参数都是井深的函数的特 点, 把整个井筒空间沿轴向微分成多个很小的井段, 因 此可假定其内部压力、 温度、 流速、 粘度等参数一致不 变。首先根据井口施加的套管回压值对其上部的微分 井段进行静液柱压力和环空摩阻进行计算, 然后根据上 部微分井段静液柱压力和环空摩阻的计算结果, 再对临 近的下部微分井段进行同样的计算, 这样至上而下迭代 计算出的液柱压力和环空摩阻的和就是该微分井段对 应井深处的压力。该过程循环往复, 直到计算深度为井 眼深度, 整个计算过程结束。最后一个微分井段计算所 得的压力就是井底压力。 3 计算实例分析 基本数据 基本原始数据和条件为 井深 3000m; 钻 头直径 215. 9mm; 钻 杆直径 0. 127m; 钻井液流 量 20L/ s; 钻井液稠度系数 0. 2cp; 流性指数 0. 8; 机械转速 60r/ min; 钻井液密度 1. 04g/ cm3; 井口温度 20 ; 注入 气相空气, 气体粘度为 0. 000183Pa s。 图 1 含气率分布曲线 在环空流动过程中, 井深增加, 压力增大, 气相被压 缩, 含气率降低, 多相流体密度增加; 在高注气速率下含 气率较高, 多相流体密度则较低, 压力较低; 在低注气速 率下, 各处的含气率较低, 多相流体密度则较高, 压力较 大。由图 1 我们可以看出, 截面含气率变化趋势都是从 井口到井底逐渐减小, 在井口处最大, 且在距井口较近 的井段含气率变化率很大, 随着井深增加, 截面含气率 变化的幅度越来越不明显。 图 2 井口回压对井底压力的影响 从图 2 可以看出, 在其他条件不变的情况下, 当注 57 2010 年第 7期 西部探矿工程 气流量一定时, 随着井口回压的增加, 井底压力逐渐增 大。当井口回压较小时, 井底压力随着回压的增加而平 稳增加。同时注气量越大, 回压越小, 井底压力也较小, 但变化较剧烈。出现上述情况的原因是 井口回压增加 使得环空内的气体压缩程度增加, 气液两相流发生流型 转化的程度减小, 在靠近井口处两相流动一般处于段塞 流 当注气流量较大时处于过度流 , 在离井口较远处两 相流动处于泡状流, 回压越大, 则段塞流向泡状流转变 的越快, 含气率减小, 流体密度增加, 从而导致井底压力 随回压增大。 图 3 注气流量对井底压力的影响 从图 3 可以看出, 在其它条件不变的情况下, 当回 压一定时, 随着注气流量的增加, 井底压力逐步降低。 但是回压越低, 井底压力随注气流量增加而降低的幅度 越大; 回压越高, 井底压力随注气流量增加而降低的幅 度越小。出现这种现象的原因是 注气流量增加, 使得 环空内的气体总量增加, 含气率变大, 环空内的段塞流 或过度流 井段段长增加, 泡状流段长减小, 流体静液 柱压力减小从而导致井底压力减小。但是, 当注气流量 很小时, 全环空内几乎都处于泡状流状态, 其井底压力 也会比没有注气时的井底压力要小一些, 这是因为此时 气体在环空内占据了一定的空间从而使得井筒混合物 流体的密度降低, 井筒静液柱压力降低, 从而导致井底 压力减小。 图 4 为考虑岩屑影响的井底压力与不考虑岩屑影 响的井底压力计算的增量, 从图中可以看出, 井底压力 增量随着机械钻速的增加而增大, 利用程序计算不同机 械钻速产生的岩屑引起的井底静液压力增量。分析可 知, 随着机械钻速的增加, 井筒内岩屑含量上升, 造成井 底压力增量增大, 最高可达 1. 3MPa。因此, 对于深层 充气钻井, 负压值范围设计较小的井来说, 环空岩屑引 起的井底压力增量严重影响井底负压值的大小, 容易造 成过平衡钻井, 失去负压控制的意义。 岩屑在井筒内对井底压力的影响, 同样受钻井液密 图 4 岩屑引起的井底压力增量 度的影响, 井底压力随钻井液密度降低而增大。因此, 对于钻井液密度较低的充气欠平衡钻井, 环空岩屑对井 底压力的影响应予以考虑。 4 总结 1 充气多相流欠平衡钻井中, 由于环空多相流体 中的气体具有可压缩性, 因而井口回压将影响环空流体 流型的转化程度, 即给井口回压一个增值, 将导致环空 含气率、 混合物密度变大。 2 充气多相流欠平衡钻井的井底压力不仅可以通 过调节气体的注入速率来控制, 还可以通过井口回压或 地面节流装置进行控制。在欠平衡钻井中, 控制一定的 井口回压不但能调节控制井底压力, 而且可避免多相流 体到达井口地面时因过大膨胀而出现过高的流速冲蚀 井口装置和过高的摩阻压降。 3 环空岩屑也是影响充气欠平衡钻井井底压力的 重要因素, 在设计和钻进过程中, 要考虑机械钻速对井 底压力的影响。 4 对于异常高压条件进行欠平衡钻井, 要求降低 地面气体注入速率, 增大井口回压, 这样井底压力就不 需要通过提高钻井液的密度来进行控制。 参考文献 [1] 曾义金, 樊洪海. 空气和气体钻井手册[ M]. 北京 中国石 化出版社, 2006. [2] 周英操, 翟洪军. 欠平衡钻井技术与应用[ M] . 北京 石油 工业出版社, 2003. [3] 刘永贵、 宋广顺. 深井欠平衡环空岩屑对井底压力影响的 研究[ J] . 天然气工业, 2005. [4] 周开吉. 欠平衡钻井多相流循环系统分析[ J] . 天然气工 业, 1998. [5] 施连群, 赵德云. 充气钻井提高钻井速度试验研究[ J]. 西 部探矿工程, 2008. 58 西部探矿工程 2010 年第 7 期