高酸性气井钻井过程中的井控机理.pdf

天然气工业 2 0 0 8 年4 月 高酸性气 井钻 井过程 中的井控机理 * 张 智 付建 红 施太和 袁长 帅 史学枝 1 ． “ 油气藏地质及开发工程” 国家重点实验室 西南石油大学 2 ． 中国石 化西南油气分公司 张智等． 高酸性气井钻 井过程 中的井控机理． 天然 气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 4 5 6 5 8 ． 摘 要 川东北高含 硫气 田的 c o 、 H S含 量较 高， 部 分 气井 中的 C O 、 H S已处于超 临界状 态。C O 、 H。 S 在环空流动过程 中离井 口很近的距 离才发生体积突变 ， 极 易诱发井 喷。为此 ， 从分 析超 临界状态 C O 2 、 H s的特殊 相 态特征入手 ， 建 立了相应 的数学模型 ， 编写 了计算机程序 ， 模拟 了高酸性高压气 井环 空温度场、 压 力场、 压缩 因子 和体积膨胀 情况 。从模拟计算结果可 以看 出， 在深井 中， 常规 天然 气的溢流通常有足 够的预警时 间， 而高酸性气体 则在井筒的上部位置发生突然膨胀 ， 引起 的天然气溢 流几 乎没 有预警 时间。在 高酸性 气井钻井过程 中， 需要加强 对环空钻 井液 瞬时流量 的监测 ， 尽早发现溢流 ， 确保 安全钻 井。 主题词 天然气 酸性气体 二氧化碳 硫化氢 井喷 井控 四川盆地 东北 川 东 北 高 酸性 气 田 包 括 罗 家寨 、 渡 口河 、 铁 山 坡、 普光等 区块 C O 、 H S含量较 高 ， 部分气井 中 C 0 和H S 处 于 超 临 界 状 态 _ l 。 。超 临 界 状 态 C 0 、 H S具有 黏度 小 、 扩 散 系 数 大 、 密度 大 、 流 动 性 好 、 良好 的溶解度和传质特性 ， 并且在临界点附近对 温度 和压力尤为敏感。其 自扩散系数、 黏度接近 于 气体 ， 具有近似于气体的流动行为 ， 这将提高超临界 状态 C O 、 H S的运 动速度 和分 离过 程 的传质 速 率 。 超临界状态 C O 、 H S的密度约为液体 的 1 ／ 3 ， 为气 体 的数百倍 。这使得它具有类似液体 的溶解 能力 ， 而 且这种 溶 解 能 力 随着 温度 和压 力 的 变 化 而变 化 。 笔 者试 图从超 临界 状 态 C O 、 H S的 特 殊 相态 特 征 人手， 探讨相态变化诱发井喷的原因。 一 、超临界流体对钻 井安全的影响 在油气勘探开发过程 中， 由于地层 流体压力系 统 的复杂 性 以及 勘探 开发 过 程 中各 种 主 观 和客观 因 素的影响， 钻入气层后 ， 常会发生地层流体侵入井筒 的现象 ， 导 致 井 筒 发生 溢 流 。天然 气 从 井 底 到 井 口 的运移过程中， 由于温度 、 压力的不断减小， 气侵流 体发生相态的变化。H S、 C O 由超 临界状态 转变 为气态的过程极短 ， 体积膨胀剧烈， 导致在极短 的时 间内发生强烈井喷 。 二 、 井筒流动数学模 型 引用 Ha s a n K a b i r 方法来计算气液两相混合 物的压降 ， 其压力梯度方程可写为 警 譬 譬 ， 警 式 中 警 为 总 压 力 梯 度 ， P a ／ m ； 警 为 重 力 压 力 梯 度 ， P a ／ m ； 警 ， 为 摩 阻 压 力 梯 度 ， P a ／ m ； 警 为 加 速 度 压 力 梯 度 ， P a ／ m 。 三、 相态特征数学模型 酸性天然气 P VT计算模型选择 P R E OS ， 形式 如下 Z。一 1一 B Z A 一 2 B 一 3 B Z 一 AB B 一 B。 0 2 上式 中各 参数表示 的物 理 意义 可 以参 考石 油工 业出版社出版的天然气工业标准等 。 四、 计算实例 在井筒 流动数 学模 型和 相态 特征 数 学模 型基 础 上 ， 通过钻井过程传热数学模型就可 以模拟环空的 *本文受到中 国石油天然气集团公 司应用 基础研究项 目 编号 0 6 A1 0 0 1 0 1 和四川 I 省应用基础研究项 目 编号 o 7 J YO 2 9 0 4 3 的资助。本文作者 还有 中国石油西南油气 田公司输气管理处 自贡输气作业 区的刘健 。 作者简介 张智 ， 1 9 7 6年生 ， 讲师 ； 2 0 0 5 年获原西南石油学院博士学位 ， 主要从事石油工程、 油气 田腐蚀 与防护等教学和科 研工作 。地址 6 1 0 5 0 0 四川省成都市新都区 。电话 1 3 9 8 1 8 2 8 5 6 9 。E - ma i I wi s e z h 1 2 6 ． c o rn 5 6 维普资讯 第2 8 卷第4 期 天然气工业 温度场 、 压力场 、 流体相态特征分布场。为 了进一步 说 明问题 ， 进 行 了 相关 的模 拟 计 算 。模 拟 井 的井 身 结构 见 表 1 。 表 1 模 拟井的井身结构表 计 算井 深 为 5 4 0 0 ～ 5 4 7 0 m， 实 测 稳 定 最 大 压 力为 5 8 。 1 0 MP a ， 测 点 关 井 温度 为 1 3 0℃。气 体 组 分C H4为2 2 ．0 6 ；C O2 为 1 5 ．3 2 ；H2 S 为 6 2 ． 1 7 。钻井液密 度为 1 ． 4 8 g ／ c m。 ； 排量 为 2 5 L ／ s ； 泵压为 1 7 MP a 。井 口温度 约为 5 5℃。钻柱结构 2 1 5 ．9 mmB i t 1 5 6 mmNW DC 9 。1 7 m 1 5 6 mmDC 1 3 0 ．3 0 m 1 2 7 mmHW DP 1 5 6 ． 0 0 m 1 2 7 mmDP5 8 2 3 m 。 在理论模型的基 础上， 编写了高酸性气井压力 控制 软 件 ， 利 用 该 软 件 模 拟 了沿井 深方 向 的环 空 压 力场 、 压缩 因子 、 气体体积的膨胀情况等参数 。 1 压 缩 因子 分布 图 1 给 出了井下环 空不 同井深处 含不 同组分 的 4 种气体的压缩 因子。4 条曲线分别代表 4种不 同组分 的天然气 ①C H 为主的天然气； ②以 H s为主的天 然气； ③以 C O2 为主的天然气； ④模拟井的天然气 。 0 1 o 0 0 舍 2 0 0 0 鬃3 0 0 0 40 0 0 5 o 0 0 压缩因子 0 4 0 8 1 2 l 6 图 1 井 下 不 同 位 置 压 缩 因子 对 比 图 2 气体侵入速度对环空压力的影响 图 2给 出 了井 下 环 空 不 同井 深 处 的压 力 大 小 。 4条 曲线分 别 代表 天 然 气 的 不 同侵 入 速 度 下 环 空 压 力分布。从图 2中可以看出， 随着进入井筒气量 的 增加 ， 环空压力逐渐减小 ， 但是井底压力减小 的幅度 是 比较小的。对于钻井 工程 师， 只要控制好钻井 液 的有效密度就可以预防此类井喷事故的发生 。 3 钻井 液 的温度 分布 0 1 o 0 0 邑2 0 0 0 30 0 0 40 0 0 5o o O 压力 MP a 2 0 4 0 6 0 8 0 图 2 井 下 环 空 不 同位 置 的压 力分 布 图 管内和环空流体的温度分布剖面见图 3 ， 图中红 色 曲线 为 管 内流 体 的 温度 分 布 曲线 ， 蓝 色 曲线 为 环 空流体 的温度分布曲线 ， 黑色曲线 为地层原始温度 分 布 曲线 。从 图 中可 以看 出 ， 随着 管 内 和 环 空 的温 度差异较小 ， 但与地层的原始温度差异较大 。因此 ， 在高酸性气井环空多相流计算时需要考虑流动状态 对温 度分 布 的影 响 。 0 1 o 0 0 20 0 0 E - 30 0 0 4O o o 50 0 0 温度 ℃ 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 图 3 井 下 环 空 不 同位 置 的温 度 分 布 图 4 气体上升过程中沿井深体积变化 图 4给 出 了井 下 环行 空 间不 同井 深 处 ， 含 不 同 组分 的 4种 气体 的体 积膨胀倍 数。从 图 中可 以看 出， 天然气进入井筒后 ， 在井筒 中下部位置几乎不出 现体积膨胀的现象 ， 在距井 口几百米的位置 ， 体积突 然膨胀 。在计算条件下 ， 井 口 H s的体积是井底体 积的 5 0 0 3 0 0 0倍 。处于井底附近 的 C O 和 Hz s 没 有 相态 变 化 ， 体 积 膨胀 很 小 ， 气 侵 早 期 不 易发 现 ， 0 2 0 0 邑4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 气体体积膨胀的倍数 1 0 o 0 20 o 0 30 o o 4 0 0 0 50 0 0 图 4 井下不 同位置气体体积 的膨胀倍数 图 5 7 维普资讯 天然气工业 2 0 0 8 年 4 月 而在 离井 口很 近 的井段 ， 超 临界 状态 C O z 和 Hz S发 生相变 ， 体积瞬间急剧膨胀， 易造成井涌或井喷。在 深 井 中 ， C H 溢 流 通 常 有 足够 的 预 警 时 间 ， 而 H。 S 和 C O 则在井筒的更上部位置发生突然膨胀 ， 引起 的天然气溢流几乎没有预警 时间。有资料 比较在一 口 6 0 9 8 r n的井 中 由于 接单 根 抽 汲进 入 井 底 的 7 ． 9 L CH 与 H。 S的不 同 溢 流情 况 。当进 入 井 底 的 是 C H 时 ， 由于 高压 ， 出 口管 流速 和泥浆 池钻 井液 量 增 加 而给 出大约 1 h的预警 时 间 ， 因为 C H 是 在 上 升 到井筒 的 大 部 中约 开始 膨 胀 的 。然 而 H S进 入 井 底时 ， 没有任何这种压力升高的显示， 而且在气井开 始喷出 以前 给出 了非 常少 的预警 时 间 只有 几分 钟 。因此 ， 可 用来关 闭 防喷器 的时 间就很少 了 。 五 、 结 论 高酸 性气井 H。 S 、 C 0。 可能处 于超 临界状 态 ， 在 环空 流 动 过 程 中 ， 在 离 井 口很 近 的距 离才 发 生体 积 突变 ， 极易诱发井喷。高酸性高压气井钻井过程中， 需要加 强环空 钻井 液瞬 时流量监 测 ， 尽 早发 现溢流 。 参 考 文 献 [ 1 ]张智， 施太和． 高酸性气井超临界态 C O 、 H。 S的相态变 化诱发钻采事故探讨[ J ] ． 钻采 工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 0 1 9 4 9 5 ， 1 O4． [ 2 ]DE NNI S B E L I V E AU．P h a s e b e h a v i o r i mp a c t s o f s u p e r c o mp r e s s i b l e f l u i d o n p r e s s u r e t r a n s i e n t a n a l y s e s [ J ] ． SPE 28 4 23， 1 99 4 ． [ 3 ]S KI NN E R L ．C O2 b l o w o u t s a n e me r g i n g p r o b l e m[ J ] ． W or l d Oi l ， 2 00 3 1 ． E 4 3 AD AMS N ．Un d e r g r o u n d b l o w o u t s wh a t y o u n e e d t o k n o w[ J ] ．wo r l d Oi l ， 2 0 0 4 1 ． [ 5 ]P AL S K AL L E ．Tr e n d s e x t r a c t e d f r o m 8 0 0 g u l f g o a s t b l o wo u t s d u r i n g [ J ] ．S P E 3 9 3 5 4 ， 1 9 9 8 ． [ 6 ]NE AL AD AMS ．Ha n d l i n g a s h a l l o w g a s b l o wo u t i n S o u t h e a s t Te x a s [ J ] ．Wo r l d O i l ，1 9 9 9 4 ． E 7 ]KAR S TE N P RUE S S ．Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f C O 2 l e a k a ge f r o m a g e o l o gi c di s p o s a l r e s e r v oi r i nc l ud i ng t r a ns i t i o n s f r o m s u p e r - t o s u b s c r i t i c a l c o n d i t i o n s a n d b o i l i n g o f l i q u i d C O2 [ J ] ．S P E 8 6 0 9 8 ， 2 0 0 4 ． [ 8 ]Z HO NG MI NG CHE N ，R UD O L G J ， N OV OT NY ．Ac c u r a t e p r e di c t i on we l l bo r e t r an s i e nt t e mp a r a t u r e pr o f i l e u n d e r mu l t i p e t e mp a r a t u r e g r a d i e n t s [ J ] ／ ／ F i n i t e D i f f e r e e e Appr o a c h an d Ca s e H i s t o r y， SPE 8 45 83 ． [ 9 ]刘建锋 ， 彭军 ， 贾松 ， 等． 油气藏 流动单元研究进展及认识 r J ] ． 西南石油学院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 5 1 9 - 2 2 ． [ 1 O ]刘 志斌 ， 邓勇 ， 凡哲元． 混合遗传算法在气田产量 构成 优 化模 型中的应用[ J ] ． 西南 石油 学院学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 3 1 _ 4 ． 收稿 日期2 0 0 8 0 1 1 3 编辑钟水清 石 ＼ _． 、 0 写 - 、 s ＼ 石 石 、 I - 、螗 - 、 二 石 鲁写＼ ＼ ． 0 希 石 盎 奢 我 国自主设计建造 的首艘液化天然气运输船交付使用 2 0 0 8年 4 月 3日， 由我国 自主设计 、 自行建造 的第一艘液化天 然气 L NG 运输船正式 交付船东 。作 为一种清洁 、 高效的 能源， L N G已成为本 世纪初缓解 能源供需矛盾 ， 优化 能源结构 的开发利用重点 。L NG运输船需 能保证在零 下 1 6 3℃低温 下， 把 天然气“ 压 ” 成液态 ， 使其体积缩小到 1 ／ 6 o 0 。加上超长距 离运输液化 天然气 的能力 ， L N G船成 为国际上公认 的高技术 、 高 附加值 、 高可靠性 的产品 。这 艘 L NG船 造价 高达 1 ． 6亿美 元 ， 船 长 2 9 2米 、 宽 4 3 ． 3 5米 、 型 深 2 6 ． 2 5米 ， 整 个船 装 载量 为 1 4 ． 7 2 1 万立 方米 ， 全部汽化以后容量将达 9 0 0 0 万立方米 ， 相 当于上海 全市居 民 1 个月 的天然气使用量 。L NG船 的建造理 念 跟常规船完全不一样 ， 其保温条件 、 运送条件非常特殊 。L NG船 要适应从常 温到零下 1 6 3℃的温度剧变 ， 内部有一套复杂 的 系统 。我国 自主研发 的 L NG船运用保温瓶原理 ， 为货舱设计 了半米厚 的隔热“ 内胆” ， 由内藏珍珠岩 的 5 ． 5万 个绝缘木箱垒 成 两 层 。打 造最 关 键 的绝 缘 层 内壁 ， 0 ． 7毫 米 厚 度 的 合 金 钢板 必 须 一 小 块 一 小 块 地 拼 接 ， 全 船 焊 缝 长 达 1 2 0公 里 ， 工 人 在 焊 接 时不能有一滴汗水沾上“ 钢衣” ， 否则 ， 保 温内壁就有 可能 出现 纰漏 ， 要 花 1 0 0 0个工时来 修复。绝 缘箱 、 殷瓦管 、 泵塔是 L NG 船的三大重要核心部件 ， 制造难度大 、 精 度要求高 。在 引进 、 消化专利 技术 的基 础上 ， 一些核心部 件实现初 步国产化 ， 取得 了 首批创新成果 。据介绍 ， 此艘首制船 的建造周期为 2 7个月 ， 比 日韩船厂首制船缩短了 3 个月 。 5 8 谭蓉蓉摘编 自环球 能源 网 维普资讯