中淺層氮氣鉆井可混空氣量臨界值計算模型及應用

周毅　（大慶鉆探工程公司國際事業部）

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中淺層氮氣鉆井可混空氣量臨界值計算模型及應用

周毅（大慶鉆探工程公司國際事業部）

由于氮氣鉆井需要制氮設備造成鉆井成本高，在不發生燃爆的前提下，應用可混空氣臨界濃度計算模型和編制的計算軟件計算確定了可混入空氣的氣量臨界值，并優化配置了中淺層儲層氮氣鉆井配套設備，減少氮氣設備的使用。通過現場4口井的應用，節約柴油8.8 t，有效降低成本，為氮氣鉆井的經濟應用提供了依據。

中淺層儲層；氮氣鉆井；可混空氣臨界值；計算模型

氣體鉆井具有鉆井速度快，對儲層污染小等優點，可用于提高非產層鉆井速度和保護油氣層。對于儲層應用空氣鉆井，為預防燃爆，可選用氮氣鉆井，氮氣鉆井需要制氮設備，成本比空氣鉆井高，為了減少氮氣設備的使用，可以在不發生燃爆的前提下，混合適量的空氣，對混入氣量臨界值的計算模型進行研究。

1　計算模型

燃燒需要可燃氣體和助燃氣體達到一定的濃度。可燃氣體是從地層出來，鉆井進行中無法控制，助燃氣體是氧氣，可以控制注入氣體中氧氣含量，可燃氣體氧氣燃燒臨界濃度按下式計算：

qn=（10.35-1.68log10P）×10-2×100%（1）式中：P——井底環空壓力，MPa；

qn——氧氣濃度，%。

式（1）是燃燒所需氧氣濃度計算公式，根據井底壓力和氧氣濃度可以確定氮氣鉆井能夠混入空氣的氣量。

2　參數計算

2.1井底壓力計算

由于氣體在井眼中高速流過產生較大的壓耗，不同井深壓力不同，其流速也不同，需要求出氣體在不同井深下的壓力，對于等直徑的環空微元段［1-2］，則：

式中：dP——井底壓力增量；

v——井底氣體流速，m/s；

Dh——井眼直徑，m；

Dp——鉆柱外徑，m；

dZ——井深Z處的壓力增量；

γm——井深Z處混合物重度，N/m3；

f——摩擦系數。

混合物的重度可由下面公式得到：

式中：ws——固體的質量流量，N/s；

wg——氣體的質量流量，N/s；

r——環空中固體、氣體中質量流量比；

ρg——氣體的密度，kg/m3；

T——井底溫度，℃；

T0——標準狀況下溫度，℃；

ρs——巖屑密度，kg/m3；

ρ0——標準狀況下氣體壓力，Pa；

ρg0——標準狀況下氣體密度，kg/m3；

Qg0——標準狀況下氣體注入量，m3/s；

νpe——鉆速，m/s。

將式（3）代入式（2）可得：

式中：A——流道橫截面積，m2。

積分（4）式得：

式中：p上——單元上游壓力，Pa；

p下——單元下游壓力，Pa；

Z——井段長度，m。

2.2可混空氣量臨界值計算

制氮設備產出的氮氣都有一定的含氧量，含氧濃度為qn1，氮氣排量為Qn，可混空氣量為Qa，則：

式（1）帶入式（6）得出可混空氣量臨界值為

式中：Qa——可混空氣量，m3/min；

Qn——氮氣排量，m3/min；

qn1——含氧濃度，%。

根據建立的可混空氣量臨界值數學模型，應用VB6.0（Visual Basic）語言，編制了中淺層氮氣鉆井可混入空氣量臨界值計算軟件。該軟件由參數輸入、計算以及結果輸出3個模塊組成，能夠計算不同井深、井眼尺寸條件下中淺層氮氣鉆井可混入空氣量臨界值。圖1為1500 m井深注入正常壓力不同氮氣排量可混空氣量臨界值計算結果。在確保井下不發生燃爆前提下，通過對中淺層氮氣鉆井可混入空氣量臨界值進行優化，即使用3套膜制氮裝備在60 m3/min排量的基礎上，只需增加22 m3/min空氣排量，達到混合氣體82 m3/min排量便可滿足中淺層氮氣鉆井井底攜巖要求，只需1臺空壓機。

圖1　中淺層氮氣鉆井可混空氣量臨界值計算結果

3　現場應用

利用中淺層氮氣鉆井可混空氣量臨界值數學模型計算結果，采用3套膜制氮裝備、1臺空壓機設備組合方式，以82 m3/min注氣量在 Y195-67、Y199-64、F16-X48、F175-X148共4口井進行了現場應用，比原來減少了2臺空壓機，節約空壓機使用8臺/d，共節省柴油消耗8.8 t，有效地降低鉆井成本。

4　結論

1）應用助燃氣體臨界濃度計算模型和井底壓力計算公式，編制了計算軟件確定氮氣鉆井可混入空氣臨界值，優化了中淺層儲層氮氣鉆井配套設備。

2）采用優化后中淺層儲層氮氣鉆井配套設備進行了4口井現場應用，共節省柴油消耗8.8 t，有效地降低鉆井成本，同時為氮氣鉆井的經濟應用提供依據。

［1］楊毅，齊彬，黃琳，等.氮氣鉆井與篩管完井在中淺油層開采中的利用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，40（10）：5-8.

［2］楊決算.儲層氮氣專打技術在大慶油田的應用［J］.鉆井液與完井液，2012，29（4）：38-40.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.002

2016-07-28

（編輯莊景春）

周毅，工程師，2005年畢業于中國地質大學（武漢），（勘查技術與工程專業），現從事鉆探HSE工作，E-mail：jx_zhouy1@163.com，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區乘風南路10號大慶鉆探工程公司國際事業部，163411。