氣體鉆井地層出水條件下井筒濕度研究

李海濤　魏　納　李永杰　翟小強　孟英峰　李　皋　陶祖文

（1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川　成都　610500；

2.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京　102206；

3.中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川　德陽　618000）

氣體鉆井地層出水條件下井筒濕度研究

李海濤1魏納1李永杰1翟小強2孟英峰1李皋1陶祖文3

（1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都610500；

2.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；

3.中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川德陽618000）

建立了穩(wěn)態(tài)鉆桿—環(huán)空流動模型，與此同時耦合井筒壓力、溫度分布以及井筒相對濕度模型，通過數(shù)值模擬求解從而得到井筒壓力分布、氣體最大含濕能力、相對濕度分布以及露點條件下的地層臨界出水量和相對濕度。研究結(jié)果表明：當相對濕度高于露點條件下的臨界相對濕度時，雖在井口未見凝液出現(xiàn)，但井底已有凝液出現(xiàn)，隨著地層水在井筒內(nèi)對巖屑和井壁的的不斷作用，最終導致井下復雜情況的發(fā)生。

氣體鉆井濕度壓力出水量數(shù)值模擬

0　引言

氣體鉆井技術(shù)是以氣體為循環(huán)介質(zhì)進行鉆井的新技術(shù)，它與常規(guī)鉆井相比，具有很多的優(yōu)點：提高機械鉆速，保護儲層和防止漏失等［1-2］。在氣體鉆井施工過程中，環(huán)空壓力始終低于地層壓力，能夠及時地發(fā)現(xiàn)和保護好油氣儲層，提高油氣勘探效益。在氣體鉆井鉆遇出水層的過程中，有可能引起攜巖困難、水敏性地層的井壁失穩(wěn)，造成井壁垮塌，進而引發(fā)卡鉆、埋鉆等井下復雜事故，從而給鉆井施工帶來巨大的損失［3］。因此，地層出水是限制氣體鉆井技術(shù)發(fā)展的重大難題之一，西南石油大學欠平衡鉆井研究室通過對返出氣體相對濕度等參數(shù)的隨鉆監(jiān)測，來發(fā)現(xiàn)地層出水情況，但該方法只適用于少量出水層位［4］。2012年趙向陽、孟英峰等人探索了通過監(jiān)測返出氣體相對濕度變化隨鉆識別出水地層的原理［5］。

但是，以上研究均未詳細研究氣體鉆井過程中全井筒的氣體相對濕度分布及其影響因素，并且在氣體鉆井過程中，井口相對濕度達到100%之前，井筒中就可能在一定深度因溫度、壓力等因素的變化而出現(xiàn)氣體攜帶飽和水的能力降低的現(xiàn)象，從而導致析出液態(tài)水的情況出現(xiàn)。針對此類問題，筆者把井筒溫度場和壓力場計算耦合到井筒相對濕度數(shù)學模型中，通過數(shù)值模擬得出全井筒的壓力分布、循環(huán)氣體的最大含濕能力、相對濕度分布及井筒出現(xiàn)液滴析出的井口臨界相對濕度和臨界地層出水量，同時，通過對井口相對濕度的監(jiān)測分析全井筒的相對濕度分布情況，進一步保障氣體鉆井施工過程中的井下安全。

1　鉆柱內(nèi)與環(huán)空內(nèi)壓力的計算

對井筒相對濕度進行研究可知，井筒內(nèi)的溫度分布及壓力分布對井筒濕度均有影響。筆者假設井筒溫度與地層溫度相等，建立井筒壓力分布相關(guān)模型。

由氣體動力學理論，在環(huán)空中取微元段dh，假設微元段的流速不變，根據(jù)能量方程與達西公式可得：式中，dh為微元段的深度，m；dp為微元段的壓差，Pa；ρm為環(huán)空中流體的混合密度，kg/m3；v為環(huán)空中流體的流速，m/s；f為摩阻系數(shù)；Dai為環(huán)空的內(nèi)徑，m；D0為鉆柱的外徑，m。

考慮環(huán)空中流體可能存在氣、液、固三相，混合物的密度ρm［6］為：式中，ρg、ρ1、ρs分別為氣、液、固三相的密度，kg/m3，巖屑密度ρs可根據(jù)錄井資料獲得；βg、β1分別為體積含氣率、體積含液率。

其中：液體的密度ρ1為：

根據(jù)氣體的狀態(tài)方程可知氣體的密度為：式中，氣體密度，kg/m3；Mg為混合氣體的相對分子質(zhì)量；p為氣體的壓力，Pa；T為氣體的溫度，K；R為氣體常數(shù)，8.314J/（mol/K）；Zg采用Hall和Yarborough提出的氣體的偏差因子計算公式計算［7］。體積含氣率為：

體積含液率為：式中，Qg為環(huán)空中氣相的體積流量（包括井筒的注氣量Qgo及地層的產(chǎn)氣量Qgoin），m3/s。

式（1）中混合流體流速v為：式中，Aa為環(huán)空面積，m2。Qs為環(huán)空流體中固相的體積流量，m3/s。

把式（1）積分整理后得環(huán)空壓力分布的表達式為：式中，Pannul為環(huán)空壓力，Pa。

同理：根據(jù)環(huán)空壓力分布模型可推導出鉆柱內(nèi)的壓力分布公式為：式中，Di為鉆柱內(nèi)徑，m；Ppipe為鉆柱內(nèi)壓力，Pa。

2井筒內(nèi)濕度計算

對于地層出水造成井下復雜事故的問題，雖然可以在井身設計中，依據(jù)地質(zhì)資料和鄰井資料，盡可能封掉出水層，但是在實際氣體鉆井施工過程中，仍難以完全避開鉆遇含水地層。因此，及時發(fā)現(xiàn)地層出水，采取適當應對措施，仍是避免發(fā)生井下復雜事故的重要技術(shù)手段。筆者根據(jù)含濕氣體的熱力學原理進行氣體鉆井過程中井筒相對濕度計算。

飽和含濕量的計算公式［8］：

式中，ps為氣體中水蒸氣的飽和蒸汽分壓，Pa；p為氣體的總壓力，Pa；d為飽和含濕量，kg/kg。

水蒸氣的飽和蒸汽分壓ps公式［9］：

式中，A=18.591 6；B=3 991.11；C=233.84；T為井筒的溫度，K。

由此可計算出鉆柱內(nèi)的飽和蒸汽壓：

式中，Tp為鉆柱內(nèi)溫度（Tp可由地溫梯度確定），K。

同理：可計算出環(huán)空內(nèi)的飽和蒸汽分壓為：

式中，TM為環(huán)空內(nèi)溫度（TM可由地溫梯度確定），K。

把式（9）、（12）代入式（10）可得鉆柱內(nèi)的最大含濕量為：

把式（8）、（13）代入式（10）可得環(huán)空內(nèi)的最大含濕量為：

式中，pannul、ppipe分別由式（8）、式（9）確定。

3　現(xiàn)場應用實例

A井為重點評價井，設計第三次開鉆鉆進井段為：2 503～3 500 m，第二次開鉆套管下至2 502 m，套管內(nèi)徑為436.5 mm，第三次開鉆鉆頭外徑為431.8 mm，此時的井深為2 588 m，正常施工時注氣量為300 m3/min。鉆井組合為：?431.8 mmPDC鉆頭* 0.41 m+?228 mm轉(zhuǎn)換接頭*0.91 m+?300浮閥* 0.47 m+?203.2 mm鉆鋌*189.52 m+?203 mm震擊器*6.87 m+?206 mm撓性短接*3.18 m+?203.2 mm鉆鋌*38.48 m+?203 mm轉(zhuǎn)換接頭*0.65 m+?139.7 mm加重鉆桿*142.5 m+?139.7 mm鉆桿+?133.35 mm方鉆桿。

如圖1、圖2所示，由于不同的井身結(jié)構(gòu)所需的注氣量不同，分別對3種不同注氣量（150 m3/min、300 m3/min、450 m3/min）下的井筒壓力進行模擬分析，150 m3/min的注氣量一般用于尺寸為165.1 mm的井眼，300 m3/min的注氣量一般用于尺寸為431.8 m3/min的井眼，450 m3/min的注氣量一般用于更高井眼的尺寸及通過增加注氣量來攜帶氣體鉆井過程中井筒滯留的巖屑。在地層未出水和地層出水條件下，從圖1可知，隨著注氣量的增加，立管壓力隨之增加。從圖2可知，地層出水量為1 m3/d時，隨著注氣量的增加，立管壓力隨之增加。對比圖1和圖2可知，當?shù)貙映鏊繛? m3/d時，井筒內(nèi)壓力分布基本不發(fā)生變化，這是由于氣體鉆井實際應用過程中，要求地層不出水或者出水量很小，在此條件下，出水量對井筒壓力影響較小所致。

圖1　地層未出水不同注氣量工況下井筒壓力分布圖

圖2　地層出水量為1 m3/d不同注氣量工況下井筒壓力分布圖

如圖3所示，分析了地層出水量為1 m3/d不同注氣量（150 m3/min、300 m3/min、450 m3/min）下井筒內(nèi)氣體最大含濕能力分布。結(jié)果表明：隨著注氣量的增加，環(huán)空內(nèi)的氣體最大含濕能力在降低。這是由于隨著注氣量的增加，環(huán)空內(nèi)的壓力分布隨之增加，從而使環(huán)空內(nèi)氣體的最大含濕能力降低。

圖3　地層出水量為1 m3/d不同注氣量工況下井筒內(nèi)氣體最大含濕能力分布圖

如圖4所示，分析了地層出水量為1 m3/d不同注氣量（150 m3/min、300 m3/min、450 m3/min）下井筒內(nèi)氣體相對濕度分布。隨著注氣量的增加，環(huán)空內(nèi)的氣體相對濕度在增加。這是由于隨著注氣量的增加，環(huán)空內(nèi)的壓力分布隨之增加，致使環(huán)空內(nèi)氣體的最大含濕能力降低，最終使環(huán)空內(nèi)的氣體相對濕度增加。

圖4　地層出水量為1 m3/d不同注氣量工況下井筒內(nèi)氣體相對濕度分布圖

如圖5所示，分析了注氣量為300 m3/min不同出水量工況下（1.028 m3/d，1.195 m3/d，1.951 m3/d）井筒內(nèi)氣體相對濕度分布。結(jié)果表明：注氣量為300 m3/min，模型計算的立管壓力為2.75 MPa，現(xiàn)場監(jiān)測到的立管壓力為2.5～3 MPa，模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合。地面檢測到井口相對濕度由47.8%上升到57.9%，可知地層出水，通過模型計算可知此時井底的相對濕度為89.14%，此時地層的出水量為1.028 m3/d，此時環(huán)空氣體為不飽和狀態(tài)，故井底無液滴析出。通過模型計算，當?shù)貙映鏊窟_到1.195 m3/d時，井口相對濕度為64.97%，井底環(huán)空相對濕度達到100%。當?shù)貙映鏊窟_到1.951 m3/d時，井口環(huán)空濕度達到100%，井口開始有液滴析出。通過分析可知，地層出水量為1.195 m3/d是井底環(huán)空析出液滴的臨界出水量，井口相對濕度64.97%是井底環(huán)空析出液滴時臨界相對濕度，即在井口監(jiān)測到的相對濕度高于64.97%時，雖在井口看不到液體水出現(xiàn)，但在井底環(huán)空中已經(jīng)有液滴析出。地層出水量1.951 m3/d是井口有液滴析出的臨界出水量。

圖5　注氣量為300 m3/min不同出水量工況下井筒內(nèi)氣體相對濕度分布圖

在實際氣體鉆井施工過程中，通過模擬計算，確定井筒的壓力分布情況，進而計算出井底環(huán)空析出液滴時地層臨界出水量和井口臨界相對濕度。在氣體鉆井施工過程中，在井口監(jiān)測相對濕度達到井底環(huán)空析出液滴時臨界相對濕度時，停止鉆進，采取地層出水時的應對措施。與以前井口相對濕度達到100%時采取應對措施相比，降低氣體鉆井因地層出水而發(fā)生井下復雜情況的概率，提高了氣體鉆井的安全性。

4　結(jié)論

1）建立了穩(wěn)態(tài)鉆桿—環(huán)空流動模型，與此同時耦合井筒壓力、溫度分布以及井筒相對濕度模型，通過對數(shù)值模擬求解從而得到井筒壓力分布、氣體最大含濕能力、相對濕度分布以及露點條件下的地層臨界出水量和相對濕度。研究可知：隨著井深的增加，環(huán)空內(nèi)的壓力、溫度、相對濕度隨之增加。

2）形成了一套通過井底凝液出現(xiàn)條件下的臨界出水量和井口臨界相對濕度預測模型以及井口凝液出現(xiàn)條件下地層臨界出水量。通過實例分析可知A井井底出現(xiàn)液滴析出時井口臨界相對濕度為64.97%，井底出現(xiàn)液滴析出時地層的臨界出水量為1.19 m3/d，井口有液滴析出時的地層臨界出水量是1.95 m3/d。

3）監(jiān)測井口相對濕度高于井底凝液出現(xiàn)條件下井口臨界相對濕度時，環(huán)空內(nèi)凝液在井筒內(nèi)與巖屑和井壁不斷作用，最終導致井下復雜情況的發(fā)生，可知在井底凝液出現(xiàn)條件下井口臨界相對濕度是判斷氣體鉆井能否繼續(xù)進行安全施工的重要參數(shù)。

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（編輯：李臻）

B

2095-1132（2016）04-0027-04

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.04.007

修訂回稿日期：2016-04-05

李海濤（1989-），碩士研究生，主要研究方向為氣體鉆井安全監(jiān)測。E-mail：73271769@qq.com。