定向井氣體鉆井注氣量影響因素分析

李 寧 付躍華 余大洲 王 帥 于懷彬 范永濤

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北 062550)

1 引言

定向井技術目前在國內外已經屬于成熟技術，可以通過改變井眼軌跡跨越過永久性公共設施，同時也可以最大化儲層接觸面積提高油氣產量，定向井技術能夠克服諸多施工過程中遇到的問題，為石油資源開采實現巨大經濟效益。氣體鉆井技術具有提速、防斜、防漏以及保護儲層等優勢，所以將氣體鉆井技術和定向井技術結合對解決低壓低滲低孔油氣藏有著重要意義，采用定向井氣體鉆井技術能夠及時發現油氣藏，并提高單井產量。為此我們需要展開對定向井氣體鉆井技術的研究。

2 定向井氣體鉆井技術國內外現狀

國外開展定向井氣體鉆井技術較早，現場應用也更加成熟，美國、加拿大在這方面一直處于世界領先位置，2004年起美國開始大規模開展水平井進行頁巖氣開發，到2010年，水平井數量已經超越直井數量，預計未來到2018年水平井占比將達到70%，其中氣體鉆井將占到30%。

國內在定向井氣體鉆井技術也正在不斷的探索和發展中，并取得了一定的成果，但是與國際先進水平相比還是存在較大差距。廣安002-H8井是國內首次應用電磁波隨鉆測量地質導向系統檢測井眼軌跡，從而實現氣體介質情況下信號的傳輸和井眼軌跡的隨鉆檢測，最終創下了國內水平井井深最深、水平位移最大、水平段最長的三項記錄。

氣體鉆井定向井技術在給石油行業帶來巨大利益的同時，也存在一些關鍵問題有待解決，例如最小注氣量問題，地層出水、地層垮塌復雜應對，井筒攜巖問題，井眼軌跡控等問題。

3 氣體鉆井條件下不同井段巖屑運移復雜性

氣體鉆井條件下不同井段的運移有著不同的特點，在直井段中巖屑主要表現為舉升運移，在斜井段和水平段則不同于直井段，由于巖屑運移方向和氣體流動方向不在一條直線上，所以在斜井段和水平段巖屑運移呈現多種復雜形態，主要表現為懸浮、滑移、蠕移。

由于氣體鉆井過程中所產生的巖屑體積與設計的注氣量體積之比是極小的，首先氣體巖屑運移空間為狹長的環空管道，巖屑堆積堵塞問題發生在局部位置。在易發生堆積處首先是巖屑濃度增大，造成該位置壓力升高，氣體流動隨之不暢，進而導致此處巖屑濃度繼續升高，最終導致堵塞。

3.1 井斜以及巖屑直徑對注氣量的影響

由圖1可知水平段的最小注氣量明顯大于斜井段注氣量，而斜井段的最小注氣量又明顯大于直井段。這是因為相比直井段，水平段內會發生巖屑堆積、滯留等復雜情況，為了滿足攜巖需求必須加大注氣量。而在斜井段中巖屑除了被舉升之外，還有部分巖屑會貼上井壁滑移，需要相比直井段略微加大注氣量以克服巖屑滑移摩擦造成的阻力，從而將巖屑攜帶出井筒。在氣體鉆井過程中隨著巖屑直徑不增大，最小注氣量也會隨之增加。

圖1 巖屑直徑、井斜與最小注氣量關系

3.2 井眼粗糙度對不同井斜注氣量的影響

由圖2可知隨著井眼粗糙度的增大以及井斜角的增大，氣體鉆定向井的最小注氣量也在隨之增大，這是由于井眼粗糙度已經井斜都會造成井壁摩擦增大導致的。從圖2中我們可以看到隨著粗糙度的減小，斜井段最小注氣量對井斜角的敏感度降低，也就是井斜角越大，斜井段最小注氣量隨著井眼粗糙度的減小增幅越小。在井眼粗糙度一定的情況下，隨著井斜的增加，斜井段最小注氣量的增長趨勢隨之減緩。在井斜一定的情況下，隨著粗糙度的增加，斜井段的最小注氣量增長速率增大。這是由于井壁粗糙度對井壁摩擦系數影響大于井斜角對井壁摩擦系數影響導致的。

圖2 井眼粗糙度、井斜與最小注氣量關系

3.3 迎風面積以及巖屑內摩擦系數對注氣量的影響

由圖3可知，隨著巖屑內摩擦系數的增加，水平段氣體鉆井最小注氣量也隨之增加。在摩擦系數一定的情況下，隨著巖屑堆積迎風面積系數的減少，水平段的最小注氣量也隨之增加，且增長速率也隨之增長。這是因為巖屑內摩擦系數越大，讓巖屑啟動的臨界外載力也就越大，所以為了滿足攜巖要求，需要加大注氣量。由圖4可以看出隨著迎風面積的減小，巖屑堆積的空隙率越來越小，巖屑間的互相作用力越來越大，除了用于克服摩擦阻力的外載之外，需要克服巖屑顆粒間的相互作用的外載也越來越大，為了滿足攜巖，最小注氣量的增加速率加大。同時可以看出隨著迎風面積的增加，氣體鉆水平井水平段的最小注氣量減小，但是幅度越來越小。另外在迎風面積一定的情況下，隨著巖屑內摩擦系數的增加，氣體鉆水平段所需最小注氣量隨之增加，但是增長速率不變，同樣，因為迎風面積系數越大，巖屑堆積空隙率也就越大，巖屑顆粒間的相互作用力越小，所以最小注氣量也就越小。在迎風面積系數一定的情況下，最小注氣量的增加主要有巖屑內摩擦系數決定，由摩擦定律可知，巖屑運移的臨界外載與巖屑內摩擦系數成線性關系，所以最小注氣量的增加速率不變。

圖3 水平段最小注氣量在不同迎風面積下與巖屑內摩擦系數關系

圖4 水平段最小注氣量在不同巖屑內摩擦系數下與迎風面積關系

4 結論

本文對氣體鉆定向井不同井段最小注氣量的影響因素著手分析得出以下結論：

(1)研究結果表明，相比直井段，氣體鉆定向井斜井段最小注氣量的增幅不大，而水平段最小注氣量則有大幅增加。隨著巖屑直徑的不斷增大，氣體攜巖所需要克服的阻力增加所以氣體鉆定向井所需最小注氣量也隨著巖屑直徑的增大而增大。

(2)氣體鉆井斜井段中隨著粗糙度和井斜角的增大，最小注氣量也隨之增大。但是井眼粗糙度減小，最小注氣量對井斜角的敏感度降低。在粗糙度一定的情況下隨著井斜角的增大，最小注氣量的增長速率降低。在井斜角一定的情況下隨著粗糙度的增大，最小注氣量也隨之增大。

(3)氣體鉆井水平段時，隨著巖屑內摩擦系數的增加，最小注氣量也隨之增大。隨著迎風面積系數的增加，最小注氣量隨之減小。在巖屑內摩擦系數一定的情況下，隨著迎風面積系數的的增加，最小注氣量的減小速率降低。在迎風面積系數一定的情況下，隨著巖屑內摩擦系數的增加，最小注氣量的增大速率保持不變。