环空充气钻井工艺设计及参数分析.pdf
石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 3年第 4 1卷第 2期 ●钻 井技术 与装备 环空充气钻井工艺设计及参数分析 窦亮彬 李根生 1 .中国石油大学 北京 沈忠厚 吴春方 刘文旭。 油气资源与探测国家重点实验室2 .中 国石化石油工程技术研究院3 .中国石化国际石油工程有限公司 木 摘要针对传统寄生管充气钻井工具在环空中形成的气相分布不均匀的弊端,设计了一种新 型环形气体均布寄生管充气钻井工具。根据传 热学、热力学和垂直气液 两相管流理论,考虑注入 气体 物性随井筒温度压力变化,对环空充气工艺参数进行优化分析。分析结果表 明,环空压 力随 注气量增大先急剧降低后逐渐升高,注气量通常选择在稍大于临界点处对应 的气体流量;在 静压 控制区环空压力变化幅度明显大于井13回压变化,环空压力变化敏感;在摩擦控制区随井口回压 变化,环空压力变化幅度较小,更加缓和 ,易于调节。 关键词 环 空充气钻井;寄 生管;气液两相流 ;井筒传热 ;环空压力 ;环空温度 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 A d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1- 4 5 7 8 . 2 0 1 3 . 0 2 . 0 0 4 Te c h n o l o g i c a l De s i g n a n d Pa r a me t r i c Ana l y s i s o f Ann ul a r Ae r a t e d Dr i l l i ng Do u Li a n g bi n Li Ge n s h e n g S h e n Zh o n g h o u W u Ch u n f a n g Li u W e n x u 1 . S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fP e t r o l e u m R e s o u r c e a n d P r o s p e c t i n g , C h i n a U n i v e r s i t y ofP e t r o l e u m, B e ij i n g 2 . S I N O P E C R e s e a r c h I n s t i t u t e of P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g 3 . S I N O P E C I n t e r n a t i o n a l P e t r o l e u m S e r v i c e C o r p o r a t i o n Ab s t r a c t Th e g a s ph a s e d i s t rib u t i o n o f t r a d i t i o n a l p a r a s i t i c t u b e a e r a t e d d ril l i n g t o o l i s u n e v e n i n a nn u l u s . Th e r e f o r e,a n e w t y p e o f p a r a s i t i c t u b e a e r a t e d d ril l i n g t o o l wi t h e v e n d i s t rib u t i o n o f a n nu l a r g a s wa s d e s i g n e d. Ac c o r d i ng t o he a t t r a ns f e r t h e o r y,t h e r mo d y n a mi c t h e o ry a n d t h e t he o ry o f v e rti c a l g a s l i q u i d t wo - p h a s e pi pe fl o w,t h e o p t i mi z a t i o n a n a l y s i s o f t h e p a r a me t e r s o f t h e a n n u l a r a e r a t i o n t e c h n o l o g y wa s c o n d u c t e d c o n s i d e r i n g t h e v a ri a t i o n o f i n j e c t i o n g a s p h y s i c a l p r o p e r t y w i t h s h a f t t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e . T h e fi n d i n g s s h o w t h a t a n n u l a r p r e s s u r e fi r s t d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f g a s i n j e c t i o n r a t e a n d t h e n g r a d u a l l y i n c r e a s e s . T h e g a s fl o w r a t e s l i g h t l y l a r g e r t h a n t h a t a t t h e c r i t i c a l p o i n t i s t a k e n a s t h e g a s i n j e c t i o n r a t e . T h e v a r i a t i o n a m p l i t u d e o f a n n u l a r p r e s s u r e i n t h e s t a t i c c o n t r o l z o ne i s n o t i c e a b l y g r e a t e r t h a n we l l h e a d b a c k p r e s s u r e v a ria t i o n . The a n n u l a r p r e s s u r e b e c o me s s e n s i - t i v e .I n t h e f r i c t i o n c o n t r o l z o ne wi t h t h e v a r i a t i o n o f we l l h e a d b a c k pr e s s u r e,t h e v a ria t i o n a mp l i t ud e o f a n nu l a r pr e s s ur e i s r e l a t i v e l y s ma l l ,g e t t i n g mi l d e r a nd t h us i s e a s i e r t o r e g u l a t e . Ke y wo r d s a n n u l a r a e r a t e d d ril l i n g; p a r a s i t i c t u b e; g a s l i q u i d t wo p h a s e flo w; b o r e ho l e h e a t t r a n s f e r;a n n u l a r pr e s s u r e; a n n u l a r t e mp e r a t u r e 0 引 言 充气钻井工艺是指钻井时将一定量的可压缩气 体通过充气设备注入到液相钻井液中作为循环介质 的工艺。充气钻井时, 气体以气泡状态均匀分散于 钻井液中,从而降低环空当量密度,这样可以降低 井底压差 ,发现和保护储层 ,同时还可以安全钻过 严重水敏性地层及漏失严重的地层 ,避免大量钻井 液漏失 ,降低钻井成本 J 。 充气钻井按充气方式分 为地面注入法 立 管 注入法 和强化充气法 包括寄生管注入法 、同心 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 项 目 “ 深井 复杂地层安全高效钻井基础研究 ” 2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 4 。 一 l 6一 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1 卷第 2期 数会增加 ,即环空中4种流型转换点的位置会整体 上移 J 。注 气工具 几何 尺寸 与套管 内径 相 匹配, 材料采用 P V C材质 密度大于 1 3 0 0 k g / m ,即 使出现意外沉落井底 ,钻进过程 中可以将其破碎 , 不影响正常钻井 ,掉落后上部还继续为常规的寄生 管充气钻井。其性能优势体现在 ①气泡初生的半 径更小;②气泡在环空中的分布更均匀;③携岩效 果更好 ;④单位体积钻井液中含气量更大。 2 井筒流动与传热数学模型 2 . 1 基本假设 ①井筒中的传热为径向稳态传热,井筒周围地 层传热为非稳态传热 ,且不考虑井深方向的纵向传 热 ;②在热量传递过程 中,忽略套管和钻杆热阻 ; ③钻井液与岩屑完全混合 ,只考虑岩屑对重力压降 起作用 ,忽略岩屑对两相流的影响 ,注入气体为天 然气 。 2 . 2 压降模型 2 . 2 . 1 井筒单相流压降计算 根据质量守恒定律和动量定理 ,可推导 出在钻 杆 中钻井液流动压降计算公式为 J 一 警 警一 p g c o sp v P g 1 一 一 式 中d p 微元段压力 ,MP a ; 出微元段长度 ,m; p 钻井液密度 ,k g / m ; 钻井液速度 ,m / s ; 井斜角 , 。 ; .产__摩擦 因数 ,无 因次 ; D 钻杆内径 ,m。 同理可得环空 中钻井液流动压降计算公式为 一 警一 警 9g c o sP P g 2 一 a z 式中D 环空当量直径 ,m。 2 . 2 . 2环空内两相流流动型 态判别及压降计算 两相流流型压降梯度计算参考 H a s a n . K a b i r 模 型 - 6 1 。H a s a n和 K a b i r 利用力学方法对垂直井筒多 相流向上流动问题做了系统研究,给出了井眼多相 流动的流型预测模型和压降预测模型,利用现场和 试验数据验证了理论模型具有非常好的符合性。与 其他计算模型相比,在铅直环空中气液两相流动压 力损失计算方法评价精度较高, 满足工程需要 。 环空内气液混合物的泡状流、段塞流及搅拌流 模型范宁摩阻系数采用 C h e rt在 1 9 7 9 年提出的摩 擦因数的显式计算式 ,该计算式适用于所有雷诺数 和表面粗糙度情况。 2 . 3 传热模型 2 . 3 . 1 传热计算模型 传热计算模型选用综合考虑能量守恒 、动量守 恒和质量守恒 ,能对温度 、压力进行耦合计算的模 型 ,笔者选择 H a s a n - K a b i r 模型 。 2 . 3 . 2 两相流传热时对流换热 系数计算模型 两相流不同流型下传热机理不同,对流换热系 数差异较大 ,为了满足钻井现场计算精度 的要求 , 选出不同流型下适用 的对流换热系数关系式也是十 分必要的【 l o l 。美 国俄克拉荷 马州立大学化学工 程 学院研究所证实 ,不同流型对应于适用的对流换热 系数关系式 。在垂直流动过程 中,对于泡流流型, 建议使用 A g g o u r模型 ;对于分散泡流流型,建议 使用 K n o t t 等人的模型;对于段塞流和搅拌流流 型 ,建议使用 R e z k a l l a h a n d S i m s模型 ;对于环状 流流型 ,建议使用 R a v i p u d i a n d G o b o l d模型。 2 . d 天然气物性计算模型 T a k a c s对 早 期 提 出 的 1 3种 方 法 进 行 了 对 比 ,对比结果表 明,D A K法计算精度最高。笔 者采用 D A K法计算天然气压缩因子。天然气黏度 计算模型采用 D e m p s e y _ 1 。 拟合 C a r r 等人发表 的黏 度图版得到的 D e m p s e y模型。 3 模 型求解 3 . 1 边界条件 钻井过程中地表温度和井 口回压是已知的,可 作为数值计算的边界条件。 3 . 2求解 方法 为保证计算结果的准确性 ,计算过程采用各参 数相互耦合 的方法。将井筒等分为若干微元 ,在段 与段间的节点上将数学模型进行离散 ,每个节点的 参数均与温度和压力关联,采用牛顿迭代法计算 , 地表温度和井 口回压已知 ,从井 口微元体开始 ,温 度、 压力及天然气物性等耦合迭代计算。若本网格 内压力收敛, 依次向下计算环空内各网格点压力直 至井底 。 进行气液两相流计算时首先要先判断流型 , 然后计算不同流型下相应的压降和对流换热系数。 4 算例分析 d . 1 计算参数 基本计算参数参考塔 里木油 田某井 的现场数 2 0 1 3年 第4 1卷第 2期 窦亮彬等 环空充气钻井工艺设计及参数分析 据 ,具体列举如下。 井深 5 0 0 0 m; 钻杆内径 1 0 8 . 6 mm; 钻杆外径 1 2 7 . 0 m m; 钻头/ 井简直径 2 1 5 . 9 mm; 喷嘴当量直径 2 1 . 9 m m; 钻井液排量 3 0 L / s ; 注入温度 3 0 o C; 井 口回压 1 MP a 钻井液 比热容 2 9 0 0 J / k g K ; 钻井液导热系数 1 . 7 3 W/ m K ; 地层 比热容 8 3 7 J / k g K ; 地层导热系数 2 . 2 5 W/ m K ; 地表温度 2 O o C; 地温梯度 0 . 0 2 7 2 3 K / m; 循环时间1 0 h ; 注气点井深 8 0 0 m。 4 . 2 环 空压 力 和温 度剖 面 图4为环空注气速度4 k g / s 时钻井井筒压力剖 面。从图可以看出 ,环空压力在注气点以上压力梯 度较小 ,通过调节注气速度、井 口回压及钻井液排 量等可降低井底压力 ,进 而达到控压钻进的 目的。 环空压力和钻杆压力差为喷嘴压降。 井 筒 压 力 /M P a 图 4井筒压力剖面 Fi g . 4 S h a f t pr e s s ur e p r o fil e 图5为环空注气速度 4 k g / s 时井筒和地层温度 剖面,从图可以看出,在井口附近环空流体温度高 于地层,而随井深增加环空流体温度低于地层温度 且偏差变大。环空流体温度最大值出现位置高于井 底。由于两相流体在井 口处速度大,热交换不充 分 ,环空温度在井 口处与地层温度很接近。 4 . 3 注气量和钻井液排量对环空压力的影响 图 6和图 7分别为不同注气量和排量下注气点 8 0 0 1T I 处和井底 的压力 变化 曲线。从 图可以看 出, 随着注气量增大 ,注气点处压力和井底压力先急剧 1 1 宝 \ R 出 坦 2 9 0 31 0 3 3 0 3 5 0 3 7 O 3 9 O 4l 0 4 3 0 井 筒温 度/ K 图 5 井筒温度剖面 F i g . 5 S h aft t e mp e r a t u r e p r o f i l e 侵入速度/ k g S 图 6 注 气量和钻 井液排量对 注气点压 力影 响曲线 F i g . 6 E f f e c t s o f i n j e c t i o n r a t e a n d d r i l l i n g fl u i d d i s p l a c e me n t o n i n j e c t i o n p o i n t p r e s s u r e 侵入透厦/ k g’ s 图7 注气量和钻 井液排量对井底压力影响 曲线 F i g . 7 E f f e c t s o f i n j e c t i o n r a t e a n d d r i l l i n g fl u i d d i s p l a c e me n t o n b o t t o mh o l e p r e s s u r e 降低后逐渐升高。压力变化区间可以分为 2个部 分急剧降低区域为静压控制区,逐渐升高区域为 摩阻控制区。在静压控制区内,静液柱压力是影响 井底压力的主导因素,注气量的变化对井底压力的 1 1 2 2 3 3 4 4 5 g\ 醛术 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 2期 影响非常敏感 ;而在摩阻控制区内,摩擦阻力产生 的压降对井底压力的作用 占主导地位 ,注气量的增 加对井底压力的影响是相对稳定的区域。因此可将 2个控制 区从拐点处划 分开 ,拐 点处为最低 压力 值 ,注气量一般为 2~ 3 k g / s 。 在进行充气钻井工程设计时 ,一般要求尽量将 注气量控制在摩阻控制区内,这样井底压力受注气 量的影响不是特别敏感 ,有利于维持井底压 力稳 定 。但是由于摩阻控制 区内要求的注气量较大 ,为 了既能满足充气钻井时井筒流动状态能在摩阻控制 区内工作 ,又能避免注入 的气量不出现太大浪费 , 在充气钻井工程设计时 ,注气量通常选择在稍大于 临界点处对应的气体流量为最优注气量 ,笔者认为 选择 4 k g / s 较为合适。 从图 6和图 7中可知 ,随钻井液排量增大 ,相 应的注气处压力和井底压力也升高,且最佳注气量 也变大 ;随排量增大,井底压力的升高幅度明显大 于注气点处压力 的升高幅度 ,这是 因为排量增 大, 注气点以下流速变大 ,摩擦压降也相应变大 。 4 . 4井口回压对环空压力的影响 分析可知,注气量对环空压力分为 2个 区域 , 分别选择注气量为 1 k g / s 的静压控制区、2 k g / s 的 临界点和 4 k g / s 的摩阻控制 区进行研究 。 图 8和图 9分别为不同注气量下井 口回压对注 气点压力和井底压力的影响曲线 。 井 13 回压/ MP a 图 8 井 口回压对注气点压力的影响 曲线 F i g . 8 E f f e c t s o f w e l l h e a d b a c k p r e s s u r e o n i n j e c t i o n p o i n t p r e s s u r e u n d e r d i f f e r e n t i n j e c t i o n r a t e s 井口回压/ MP a 图9 井I2 回压对井底压力的影响曲线 F i g . 9 E f f e c t s o f we l l h e a d b a c k p r e s s u r e o n b o t t o mh o l e p r e s s u r e u n d e r d i f f e r e n t i n j e c t i o n r a t e s 从图可以看出,在静压控制区,井 口回压变化 时环空压力变化敏感 ,环空压力增 幅明显大于井 口 回压增幅 ;在摩擦控制 区,随井 口回压升高注气点 压力和井底压力升高 ,但增幅小于井 口回压增 幅, 井底压力变化较平缓 ;在临界点处 随井 口回压升高 环空压力急剧升高后升高趋势变缓 ,井 口回压变化 时环空压力变化最敏感。对比分析结果表明,摩擦 控制区注气量的增加对井底压力 的影响相对稳定 , 注气量最好控制在摩擦压降区。 选择注气量为 4 k g / s时井 口回压影 响因素分 析。图1 0为井 口回压对注气点压力的影响曲线。 从图可 以看 出 ,随井 口回压 升高,注气点压力 升 高 ,但注气点压力增幅小于井 口回压增幅,且排量 对环空压力影响随井 口回压升高而减弱。其原因 是 ,在注气两相流区随井 口回压升高 ,两相流流速 变小,摩擦压降显著变小,虽然重力压降也有所升 高, 但其升高幅度小于摩擦压降降低幅度,故环空 压力增幅小于井 口回压增幅。 西 \ 出 井 13回压/ MP a 图 1 0井 口回压对 注气点压 力的影响 曲线 F i g . 1 0 Ef f e c t s o f w e l l h e a d b a c k p r e s s u r e o n i n j e c t i o n p o i n t p r e s s u r e 5 结论与建议 1 设计了一种新型 的寄生管充气 工具 ,相 同的气量从 同一深度处不同的注气孔注人环空 ,在 环空周向上形成均匀 的气泡分布,可以起到控制流 型发展 ,单位体积钻井液 内含气量更大 ,携岩效果 更好等作用。 2 对环空注气工艺参数进行优化分析,结 果表明,环空压力随注气量增大先急剧降低后逐渐 升高 ,注气量不同,环空压力所处 的控制区域稳定 性不同,为了维持环空压力稳定,注气量通常选择 在稍大于临界点处对应的气体流量,即尽量将注气 量控制在摩阻控制区内。 3 环空压力随井 口回压和钻井液排量增大 而升高,在静压控制区环空压力变化幅度明显大于 井 口回压变化 ,环空压力变化敏感 ;在摩阻控制区 2 0 1 3年第4 1卷第2期 窦亮彬等环空充气钻井工艺设计及参数分析 随井 口回压变化 ,环空压力变化幅度较小 ,更加缓 和 ,易于调节。 4 该项研究成 果对其他方式 的环空注气工 艺参数设计优化也具有指导与参考价值 。 参考文献 [ 1 ] 夏宏南 ,韩先柱 ,朱忠喜 .充气钻井井筒流动稳定 性研究 [ J ].石油天然气学报, 2 0 0 9, 3 1 6 1 2 3 1 2 6. 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O i l and G a s J o u r n a l ,1 9 8 9 ,8 7 2 0 4 3 4 6 . 吴晗,吴晓东,张庆生,等.普光气田高含硫天 然气粘度计算模型优选与评价 [ J ].石油天然气 学报 ,2 0 1 1 ,3 3 7 1 5 71 6 0 . 第一作者简介窦亮彬 ,生于 1 9 8 6年 ,中国石油大学 北京在读博士研究生 ,研究方 向为油气井流体力学与 井筒多相流。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平区。电话 0 1 0 8 9 7 3 3 9 8 8 。 E ma i l 7 7 1 2 9 d o u 1 6 3 . c o n。 通信作者李根生,教授 ,博士生导师,Em a i l l i g s c u p . e d u . c n 。 收稿 日期 2 0 1 21 01 8 本 文编辑南丽华 上接第 l 3页 发动机频繁 出现 回火和火花塞积碳 ,尽管碳排放减 少 2 0 . 1 9 %,但 因工 期延误导 致综合 费用增加 8. 6 3% 。 2 小载荷或发 动机转速 突增时 ,发 动机 的 后燃会加剧,进、排气门长时间被高温气体包围而 易变形 ,造成气门下陷,导致密封损坏 ,缸 内高温 高压燃气进入进气管而炸坏 中冷器。同时 ,气缸 内 出现后燃会使燃烧不完全 ,导致火花塞积碳严重而 过分损耗点火能量 ,使发动机不能正常点火。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 韩祥鹏,张宏博,颜慧,等 .钻井用柴油/ 天然气 双燃料发动机的研究 [ J ].内燃机与动力装置, 2 0 1 1 ,1 2 1 1 1 7 2 O . 许立华 ,宋颖 .钻井行业能源消耗统计分析报告 编写探索 [ J ].论文集粹 ,2 0 0 8 ,2 4 1 0 5 3 3 35 . 邱中建,赵文智,胡素云,等 .我国天然气资源潜 力及其在未来低碳经济发展中的重要地位 [ J ].中 国工程科学,2 0 1 1 ,1 3 6 8 l一 8 6 . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 孙成香,李全武,郑圣彬,等 .钻井平台用天然气 发动机的设计开发 [ J ].铁道机车车辆,2 0 1 1 ,3 1 增刊 1 8 1 8 2,9 1 . Ya k h o t V, Or s z a g S A . Re n o r ma l i z a t i o n g r o u p a n a l y s i s o f t u r b u l e n c e .I .B a s i c T h e o r y 『 J ]. J o u rna l o f S c i e n t i fi c C o m p u t i n g , 1 9 8 6 , 1 1 3 5 1 . 解茂昭.内燃机计算燃烧学 [ M].大连大连理 工大学出版社,2 0 0 5 9 . Z i mo n t V, P o l i f k e W , B e t t e l i n i M , e t a 1 . An e ffi c i e n t c o mp ut a t i o n al mo d e l for p r e mi xe d t ur b u l e nt c o mbu s t i o n a t h i g h Re y n o l d s n umb e r s ba s e d o n a t u r b ul e n t fla me s p e e d c l o s u r e [ C ]∥ I n t e r n a t i o n al G a s T u r b i n e a n d A e r o e n g i n e C o n g r e s s a n d E x h i b i t i o n, O r l a n d o, F L, E T A T SU N I S ,1 9 9 8 ,1 2 0 3 5 2 65 3 2 . 第一作者简介张永学,副教授 ,生于 1 9 7 7 年 , 2 0 0 5 年毕业于清华大学热能工程系,现从事水力机械及燃烧等 相关领域的研究工作。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平区。电 话 0 1 0 8 9 7 3 3 1 4 6 。Em a i l z h y x c u p . e d u . c n 。 收稿 日期2 0 1 21 0 2 3 本文编辑赵连禄