氣體鉆井臨界攜水量計算

代鋒李黔梁海波胡學明徐曉蓉張光華

1.西南石油大學 2.川慶鉆探工程公司塔里木工程公司 3.中國石化勝利油田分公司魯明石油開發有限責任公司

氣體鉆井臨界攜水量計算

代鋒1李黔1梁海波1胡學明2徐曉蓉3張光華1

1.西南石油大學 2.川慶鉆探工程公司塔里木工程公司 3.中國石化勝利油田分公司魯明石油開發有限責任公司

代鋒等.氣體鉆井臨界攜水量計算.天然氣工業,2010,30(2):94-96.

地層出水是制約氣體鉆井順利實施的一個瓶頸,準確計算一定注氣量下的臨界攜水量對于氣體鉆井現場安全施工、避免井下復雜至關重要?；谧钚幽軜藴式⒘擞嬎銡怏w鉆井臨界攜水量的數學模型,該模型綜合考慮了地層出水后環空多相流動狀態,利用該模型可確定氣體鉆井注氣量和臨界攜水量的對應關系。計算結果表明:增加注氣量和降低液氣表面張力是提高氣體鉆井臨界攜水量的有效途徑;當增加注氣量不能滿足攜水要求時,必須轉換鉆井方式,通過降低液氣表面張力來提高臨界攜水量;氣體鉆井臨界攜水量計算需兼顧攜帶巖屑和攜水兩個要求,當所需的最小攜水動能等于最小攜帶巖屑動能時,液氣表面張力達到極值,進一步降低液氣表面張力失去意義。實例驗證表明,該研究成果能夠用于指導氣體鉆井現場實踐,為地層出水后氣體鉆井轉換鉆井方式提供了理論依據。

氣體鉆井 地層出水 臨界攜水量 注氣量 最小動能

0 引言

地層出水是影響氣體鉆井順利實施的一大障礙。地層出水后,若處理不當,將影響井眼凈化和井壁穩定,出現井下復雜情況[1-2]。目前有關氣體鉆井地層出水后臨界攜水量的計算,國內還處于探索階段[3],現場主要依靠經驗進行處理,沒有形成明確的定量指導方法。筆者綜合考慮了地層出水后環空多相流動狀態,基于最小動能標準建立了計算氣體鉆井臨界攜水量的數學模型,以期得到氣體鉆井注氣量和臨界攜水量的對應關系,用于指導氣體鉆井現場實踐,為地層出水后鉆井方式的轉換提供理論依據。

1 數學模型

1.1 最小攜水動能的求解

氣體的攜帶能力表達式[4-5]:

式中:Ek為氣體動能,J/m3;ρg為氣體密度,kg/m3;vg為氣體速度,m/s。

在氣體鉆井環空上升流動中,作用在液滴上的力主要有向下的重力和向上的牽引力。當這兩個力相等時,自由下落的液滴速度達到臨界值。學者Turner建立的預測臨界速度的數學模型[6]如下:

式中:vsl為懸浮液滴的臨界速度,m/s;σ為液氣表面張力,N/m;ρL為地層水密度,kg/m3;Cd為阻力系數。

將式(2)帶入式(1),取 Cd=0.44,忽略氣體密度的影響(因ρgνρL),得到:

式中:Ekm為最小攜水動能,J/m3。

攜帶液滴到井口的最小氣體速度(vgm)包括懸浮液滴所需的臨界速度(vsl)和液滴的傳輸速度(vtr),即

傳輸速度取臨界速度的20%,該值考慮了非停滯速度、巖屑形狀引起的阻力系數及臨界韋伯數的影響,即

將式(5)和式(2)帶入式(1),得到:

1.2 實際工況下氣體攜水動能的計算

氣體密度(ρg)、速度(vg)計算如下:

將式(7)和式(8)帶入式(1),得到:

式中:Sg為氣體的相對密度;p為井深 H處的壓力, MPa;T為井深 H處的溫度,K;Qg為注氣量,m3/ min;Ai為環空橫截面積,m2。

上式需要準確計算環空壓力,井深 H處的流動壓力通過下式計算:

其中:

式中:ps為地面環境壓力,MPa;Ts為地面溫度,K;G為地溫梯度,K/m;Ss為巖屑相對密度;So為地層油相對密度;Sw為地層水相對密度;Qo為出油量,m3/h; Qw為出水量,m3/h;Rp為機械鉆速,m/h;db為鉆頭直徑,m;dh為環空水力直徑,m;ε為井眼的平均粗糙度,m;f為井眼摩阻系數;g為重力加速度,m/s2。

2 計算分析

將液氣表面張力和液體的密度值分別帶入式(3)和式(6),結果見表1。

表1 兩種模型下所需的最小攜液動能和最小攜帶巖屑動能[7]對比表 J/m3

1)從表1可看出,采用Turner理論計算的最小攜水動能低于最小攜帶巖屑動能,即只要滿足提供的動能高于最小攜帶巖屑動能,攜水將不存在問題,但根據氣體鉆井現場實施情況來看,地層出水后攜水比攜帶巖屑更棘手。

2)對于地層出油,不管是基于Turner理論還是根據本文結果,最小攜油動能遠低于最小攜水動能和最小攜帶巖屑動能,說明氣體鉆井地層出油較地層出水更易解決,地層出油在井眼凈化方面不是一個突出的問題。

3)式(6)表明地層出水時,降低液氣表面張力,進而降低攜水所需的最小動能以滿足井眼凈化是一種有效途徑。但鉆井現場液氣表面張力僅能降低到某個水平,并不能無限制的降低?，F場只要提供的最小攜水動能和最小攜帶巖屑動能相等,即可按照最小攜帶巖屑動能標準進行臨界攜水量計算。

3 應用實例

3.1 基本參數

某井鉆至井深2970m,下?244.5mm技術套管固井。2970～3600m井段,由于地層可鉆性差、研磨性強、機械鉆速低、蹩跳鉆嚴重以及地層傾角大、井斜無法控制等因素,采用空氣鉆井。鉆具組合為:?215.9mm鉆頭+?165mm箭形單流閥+?158mm鉆鋌×2+?214mm扶正器+?158mm鉆鋌×13+?127mm鉆桿×若干+?127mm鉆桿(18°)×300m+?165mm下旋塞+?165mm箭形單流閥+?165mm下旋塞+?133.4mm六棱方鉆桿。地面環境溫度為20℃;地溫梯度為2.2℃/100m,井口回壓為0.1MPa,地層水相對密度為1.04,巖屑相對密度為2.6,該井段平均機械鉆速為4.72m/h,設計注氣量為70m3/min。

3.2 計算結果及分析

計算結果表明,模擬計算井深3600m、當地層不出水時,需最小注氣量為67.06m3/min,與設計注氣量70m3/min相吻合(見圖1);增加注氣量和降低液氣表面張力是提高氣體鉆井臨界攜水量的有效途徑,與理論分析結論一致。當地層出水量較大以致通過增加注氣量無法正常攜水時,必須轉換鉆井方式,通過向氣流中連續泵入含有一定表面活性物質的霧化液,充分乳化地層水,降低地層水的表面張力,提高臨界攜水量,即空氣鉆井轉化為霧化鉆井。如圖1所示,當注氣量為76.31m3/min時,臨界攜水量為3m3/h。通過加入表面活性劑降低表面張力至0.04N/m,同樣采用76.31m/min的注氣量,能攜帶的臨界攜水量提高至6.3m3/h,提高幅度超過100%,顯著地提高了臨界攜水能力。

圖1 氣體鉆井注氣量與臨界攜水量關系曲線圖

4 結論

1)基于最小動能標準建立了計算氣體鉆井臨界攜水量的數學模型,模型考慮了地層出水后環空多相流動狀態,計算結果更符合現場實際。

2)氣體鉆井地層出油較出水更易解決,地層出油在井眼凈化方面不是一個突出問題。

3)增加注氣量和降低液氣表面張力,是提高氣體鉆井臨界攜水量的有效途徑;當增加注氣量不能有效攜水時,必須轉換鉆井方式,通過降低液氣表面張力來提高臨界攜水量。

[1]趙業榮.氣體鉆井理論與實踐[M].北京:石油工業出版社,2007.

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[7]GUO B,GHALAMBOR A.Gas volume requirements for underbalanced drilling:deviated holes[M].Tulsa:Penn Well,2002.

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.025

Dai Feng,born in1984,is studying for a Ph.D degree,being engaged in research of oil and gas well engineering.

Add:No.18,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan610500,P.R.China

Mobile:+86-15882402816 E-mail:swpu_dai@163.com

Calculation of critical w ater-carrying capacity of gas in air drilling

Dai Feng1,Li Qian1,Liang Haibo1,Hu Xueming2,Xu Xiaorong3,Zhang Guanghua1
(1.Graduate School of Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500,China;2.Tarim Engineering Company,CN PC Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,Ku’erle,Xinjiang841000,China;3. L uming Petroleum Development Co.,L td.,Sinopec S hengli Oilf ield Company,Dongying,S handong257000,China)

Formation water production is one of the bottlenecks restricting the smooth operation in gas/air drilling.Therefore,to accurately calculate the critical water-carrying capacity under a certain gas-injection rate is essential for safe operation and prevention of complicated downhole accidents.Based on Guo’s minimum kinetic energy theory,a mathematical model was set up for calculating thecritical water-carrying capacity of gas in air/gas drilling.Taking into account the flow state of multi-phase fluids in the annular space after formation water influx,this model can determine the corresponding relation between air/gas injection rate and critical water-carrying capacity of air/gas.The calculation results demonstrate that a.to increase air/gas injection rate and to lower down liquid-gas interfacial tension are effective means to improve the critical water-carrying capacity of air/gas,b.when the increased air/gas injection can not meet the requirement of the liquid removal,the modes of drilling have to be transferred and the critical water-carrying volume will be enhanced by reducing the liquid-gas interfacial tension,c.the calculation of critical water-carrying capacity takes into consideration both water influx and debris carrying capacity,but when the required minimum kinetic energy of both are equivalent to each other,and the liquid-gas interfacial tension reaches the extreme value,there is no need to lower down the liquid-gas interfacial tension.Many cases of study prove that this model provides a theoretical basis for the guidance of gas drilling on fields and the switch of the drilling methods when the formation water influx occurs in air/gas drilling.

gas drilling,formation water production,interface water carrying capacity of gas,gas injection rate,minimum kinetic energy

book=1,ebook=102

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.025

2009-09-11 編輯 鐘水清)

中國石油天然氣集團公司重大應用基礎研究項目(編號:07A20402)。

代鋒,1984年生,碩士研究生;從事油氣井工程研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區西南石油大學研究生部。電話:15882402816。E-mail:swpu_dai@163.com

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.94-96,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)