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第 3 2卷 第 2期 2 0 1 0年 3月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LL I NG PR0DUCTI ON TECHN0L 0GY V0 1 . 3 2 No. 2 Ma r .2 01 0 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 0 0 2 0 0 4 60 5 含硫天然气气侵方式研究 袁 智 汪 海阁 葛云 华 熊 娟 1 . 中国石 油集 团钻井工程技 术研 究院, 北京1 0 0 1 9 5 ; 2 . 中国石 油勘探开发研 究院, 北京 1 0 0 0 8 3 摘要随着国内油气藏勘探开发的不断深入, 高含硫油气藏的安全钻井问题 日益突出。气侵是含硫气井钻进过程中最常 发生的现象之一, 与钻井安全息息相关。从含硫天然气井钻井过程中气体侵入方式入手, 将气侵方式进行分类, 分别探讨了各 种侵入的机理、 发生工况及其相互联 系, 并提 出直接侵入方式下含硫天然气侵从定性研究到定量化研究的思路和方法, 指出了 该领域研 究的重点和难点 , 为早 日实现现场施工 中气侵 量的预测及采取相应的井控措施提供 了依据。 关键词含硫天然气;气侵方式; 定量化 中图分类号T E 2 8 文献标识码A Re s e a r c h o n mo de s o f s o u r n a t ur a l g a s c u t Y U A N Z h WA NG H a i g e . G E Y u n h u a . X 1 0 N G J u a n , 1 . C N PCDr i l l i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e , B e ij i n g1 0 0 1 9 5 , C h i n a ; 2 . R e s e a r c hI n s t i t u t eo fP e t r o u mE x p l o r a t i o n&De v e l o p me n t , B e ij i n g1 0 0 0 8 3 , C h / n a Ab s t r a c t W i t h t h e a d v a n c e me n t o f c a r b o n a t e r e s e r v o i r e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t i n C h i n a . t h e i s s u e o f s a f e t y d r i l l i n g i n h i g h s u l f u r c a r b o n a t e r e s e r v o i r h a s a t t r a c t e d mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n. Ga s c u t i s o n e o f t h e mo s t c o mmo n p h e n o me n a i n d r i l l i n g s o u r n a t u r a l g a s we l l s , a n d i t i s c l o s e l y r e l ate d t o s a f e t y d r i l l i n g . Be g i n n i n g f r o m t h e mo d e s o f g a s c u t d u r i n g t h e p r o c e s s o f d r i l l i n g S O U l“ n a tur a l g a s we l l s , t h i s p a p e r c l a s s i fie s the mo d e s an d d i s c u s s e s the p r i n c i p l e , the o c c u r r e n c e c o n d i t i o n a n d i n t e e l ati o n o f e a c h mo d e . An d t h e n , t h e r e s e a r c h t h i n k i n g a n d me t h o d s o f d i r e c t g a s c u t f r o m q u a l i t a t i v e s t u d y t o q u a n t i t a t i v e s tud y a r e p r o p o s e d , the f o c u s a n d d i ffi c u l t i e s i n t h e r e s e a r c h i n t h e fie l d a r e p o i n t e d o u t , S O a s t o p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r f o r e c a s t i n g o f t h e a m o u n t o f g a s c u t a n d t a k i n g a p p r o p r i a t e we l l c o nt r ol m e a s u r e s . Ke y wo r d s s o u r n a t u r a l g a s ; g a s c u t mo d e ; q u a n t i t ati v e s tud y 据统计 , 国内含硫 、 高含硫气藏分布广泛, 约 占 气层总资源的 1 / 4 L 。硫化氢是一种剧毒气体 , 不 仅会污染钻井液, 还会腐蚀和破坏钻柱, 造成安全事 故甚至威胁到人身安全。因此, 如何保证含硫气田 的安全钻完井对含硫气 田的安全开发至关重要。 含硫化氢天然气从地层进人井简 , 形成气侵, 如 果控制不当, 就有可能发生井涌, 甚至井喷, 危害巨 大, 但现阶段对含硫化氢天然气侵入井筒 的方式及 其侵入量的定量认识还远远不够, 还处于起步阶段, 如果能准确地预测井底气侵量, 就能为井口气量的 预测提供依据, 从而为井控工作赢得时间, 因此有必 要加强这方面的研究。对气侵方式进行研究 , 根据 侵入方式不 同, 将其分 为 4类 , 针对不 同类型, 提出 不 同的定量化研究思路。 1 直接侵入 Di r e c t c u t 在正 常钻进时 , 随着 岩石 的破碎 , 与钻头直接 接触的岩石孔隙中的气体被释放 , 但同时 , 钻井液会 侵入钻屑表面孑 L 隙中, 形成滞留区, 阻止了钻屑内部 孔隙中的气体向井筒中扩散。该过程中的气侵量与 岩屑颗粒的尺寸有密切关系 。在实际工程 中, 岩性 、 作者简介 袁智 , 1 9 8 1 年生。在读博士研 究生, 研 究方 向为钻井安 全。电话 0 1 0 5 2 7 8 4 8 6 0 。 袁智等 含硫天然气气侵方式研究 4 7 钻压、 钻速 、 钻头类型等因素都会影响钻屑尺寸的大 小 , 进而影响气侵量。已有学者对钻屑的大小及形 状进行 了研究 , Mo o r e P L 对不同钻井方式下 , 公 称直径小于 7 4 g m 的岩屑颗粒的尺寸分布进行 了统 计分析。J o h n s o n P W l 5 观察 了 Al a b a ma北部的空 气锤钻井和新墨西哥州 F a r mi n g t o n 地 区空气涡轮旋 转钻井的岩屑, 发现其形状呈扁平状或近圆形 , 最大 平均直径为 l 1 .9 3 8 ~ 1 2 . 1 9 2 r n r n 。易先中等 对辽河 7口井深 0 - 3 5 0 0 m 的钻井岩屑进行 了实地取样 , 并 分析了岩样颗粒直径大于 7 4 g m 的粒径分布特征 , 认 为钻井岩屑颗粒的粒径分布主要与地层岩性 、 破 岩工具和方法有关 , 并认为可将岩屑颗粒抽象为片 状颗粒进行描述和分析。黄小兵等 。 。 采用筛分法对 气体钻井的岩屑粒径分布进行 了测定 , 认 为岩屑 的 形状与钻井参数有关 , 空气锤破碎岩石的岩屑形状 呈不规则 片状 , 牙轮钻头破碎岩石 的岩屑形状呈纺 锤形。由此可见, 该研究还仅限于钻屑形状及大小 的描述 , 还未见到对其气侵量进行定量描述的研究 。 笔者认为, 若假设岩石孔隙均匀分布, 岩石各相性质 均匀 , 钻速稳定 , 且破碎的岩屑足够小 , 以至岩屑孔 隙中的气体能完全释放出来进入井筒, 则其气侵量 可近似表示为 d g r v d t 1 式 中, d g为气侵量, m ; 为井眼半径, m; d r 为孑 L 隙 率; 1, 为钻速, r n / s ; d t 为单位时间, S 。 在实际生产 中, 破碎 的岩屑孔隙中的气体不可 能全部释放 。岩性 、 岩屑的大小和形状将直接影响 气侵的大小, 其气侵量可表示为 ∞ r v d t 2 式中, 为影响因子, 是岩屑形状与大小 、 钻井液性能 等因素对气侵量的影响。 对不同的岩性 , 有所不同, 0 3 , 当孔隙形状狭窄 且孔隙尺寸不同时, r 3 。 N i g e l l 1 。 。 等应用解析方法对均匀分布的单一区 域计算了气体扩散量。吴志坚等 将储层内井眼 的气体扩散 区域划分成 4个 区, 分别为外滤饼区 、 内 滤饼 区、 滤液滞留区和滤液未污染 区, 讨论 了内滤饼 厚度和油相浓度对气体扩散量的影响, 在此基础上, 进一步探讨 了内滤饼 、 储层孔 隙度 、 滤液滞留区、 分 子扩散系数对扩散量的影响。 分形几何学越来越多地应用到多孔介质内流 体的扩散问题研究中。分形几何学是研究复杂 的、 支离破 碎的不规则现象 和过程 的有力 工具 , 从 其诞 生之初就受 到石 油界的重视。 已有不少研究 证 实 了多孔介 质孔 隙空 间具有分 形特 征 , Ka t z和 T h o mp o s o n l 1 研究认为多孔介质的孔 隙空 间具有 分形特征, 并采用扫描电镜实验证明了砂石孔隙空 间在一定尺度范围内具有 自相似性, 还预测了孔隙 度。要想利用分形孔隙结构模型对孔隙结构进行 研究 , 必须先求出分形维数 , 所以, 多孔介质分形维 数的确定 十分重要 , 目前常用 的计算孔 隙结构分形 维数 的方法是 扫描 电镜 法 , 但该方法非 常繁琐 , 不 利于实际运用, 何琰 等运用毛细管压力法求取 了分形维数, 为计算分形维数提供了另一种方法。 贺伟等 E 推导出了多孔介质中孔隙分布的两参数 分形几何公式, 建立了利用压汞资料计算孔隙分形 维数来 分析孔壁的粗糙度 和孔径分布 的不均匀程 度的研究方法。贾芬淑 利用图象处理技术测定 了砂岩孔隙结构分形维数 , 提 出了砂岩孔 隙结构的 分形尺度下 限。在此基础上 , 有学者对平 面径 向流 动的分形模型进行了研究, 并建立了孑 L 隙数 目、 孔 隙率 、 流速 、 渗透率的分形模型 , 在 圆柱坐标体 系中, 建立 了分形介质扩散方程 l _ 印 , ~ t D o 0 l d f - l- O p r , f l ⋯ O t r a f O r 【 O r J 式 中, 为孔隙分形维数 ; P , . , f 为扩散分布函数。 由式 4 可得近似解 [ 2 2 -2 3 4 8 石油钻采工艺 2 0 1 0年 3月 第 3 2卷 第 2期 1 ]南 『 r 2 O ] lD o 2 0 2 t J p r D o 2 0 2 t I 式中, 0 - 2 4一 / d ; d 为谱维数; 为距点源的半径, 物质粒子扩散概率密度在空间分布不均匀, 上 式却是一个连续分布, 而且没有考虑分形结构具体 的坐标与分形结构孔隙分布不均匀及物质粒子扩散 概率密度 的相关性。除此之外 , 该方法只能讨论圆 柱坐标下点源的扩散 , 而且该模 型是假设扩散源位 于圆中心 向径向扩散 , 这与井筒一地层中含硫天然 气实际扩散方向相反, 在钻进时, 滤饼、 滤液滞留区 还会对含硫天然气 的扩散有影响 , 因此 , 基于分形理 论的模型在该方向上的应用还有待研究。 3 置换侵入 Di s p l a c i n g c u t 该侵入方式基本为物理过程, 主要在钻遇大裂 缝或溶洞时发生。由于气体流动阻力小, 因此 , 储层 中的气体会迅速涌入井筒 , 形成溢流 , 并发生井漏甚 至恶性井漏。严格地说 , 发生该种侵人 时并无化学 上 的置换反应发生 , 故称为 “ 顶替 ” 侵入更恰当。 4 负压侵入 Ne g a t i v epr e s s u r e c u t 当井底流压小于地层压力时, 地层中的气体会在 压差作用下进入井筒, 形成溢流。特别是采用欠平衡 方式钻井时, 如果井底压力控制不 当, 更容易发生气 侵, 因此如何有效控制地层流体的侵入成为至关重要 的问题。李相方 J研究了地层流体流人井筒的规律, 建立了欠平衡钻井期间井底流压计算方法, 研究了不 同气体流量、 不同井口回压、 不同钻速下井底流压的 变化情况。一般认为地层中流体向井筒 中扩散时也 满足达西定律, 但实际情况中有很多储层为低渗, 而 且钻井液会侵入井壁 , 形成滤液区和致密的滤饼。由 于达西定律表示压力损失完全由黏滞力决定, 而流体 在低渗透介质中渗流时的压力损失不完全表现为黏 滞阻力, 因此不符合达西定律 。周鹃, 阎庆来对低 渗透介质液体渗流进行了多次实验, 确定了低渗透 介质液体非线性渗流的若干特征 , , 赵继涛 [ 2 8 3 对低渗透岩心气体的渗流进行了实验研究, 认为含 水率对气体渗流有明显影响。刘伟 考虑了实际 钻井过程中逐渐打开储层 的过程 , 提出了气体钻井 过程中低渗透地层液体侵入量的预测方法, 并建立 了如下预测模型。 单相不可压缩液体平面径向稳定低速非达西渗 流预测模型为 Bl n r w l 一 P f㈦ / I 一 p l 式中, Q t 为侵入量, m ; h 为储层已钻井深, m; r e 为 供 给 半径 , m; r w 为 井 简 半 径 , m; P o 为 供 给 压力 , MP a ; P 为井筒内压力 , MP a 。 单相不可压缩液体平面径向不稳定低速非达西 渗流预测模型为 叼 一 l c7 卵 一 一 l l 一 Il 7 a f r a r l l a , 一 。J J ⋯ p 【 I一。, P , p r , 0 P 。 , p r , t l肿 P 。 , 印I , 该模型只能用于单 向不可压缩液体 , 当扩散物 质为多相可压缩气体 时, 还应考虑多相之间的作用 及气体的可压缩性 。邓 英尔 3 0 , 3 1 分析 了岩石微尺 寸孔隙气体非线性渗流力学机理, 发现低渗透岩石 微观尺度孔隙气体与液体非线性渗流遵循同一形式 的运动规律 , 并建立了气体与液体 非线性渗流运动 定律的统一模型, 用实验方法建立了低渗透 一裂隙 介质气体非线性渗流运动方程。肖曾利 利用大 量实验资料研究了低渗油层中油水渗流特征及规 律, 低渗储层中的渗流具有启动压力梯度, 启动压力 梯度与储层渗透率成反 比, 与原油极 限剪切应力成 正 比。可以看 出, 现 阶段对于低渗透油气藏 中油气 渗流规律 的认识 大都是建立在实验基础之上 , 在理 论上还缺乏更加精确的描述 。 5 认识与建议 Re c o g n i t i o n s a nd s u g g e s ti o n s 1 提出的直接侵入气量的计算公式只能用于估 算, 更为精确的计算还要依赖于 值的确定, 这需要 针对不 同岩性 的岩石进行大量实验 , 是下一步的工 作重点 。 2 在钻遇气层时, 无论井底压力与地层压力关 系如何, 都会发生直接侵入和扩散侵入; 当钻遇大 裂缝或溶洞时会发生置换侵入; 负压侵入一般只会 袁智等含硫天然气气侵方式研 究 4 9 在井底流压小于地层压力情况下发生 , 但是如果 由 于直接侵入和扩散侵入不断进行引起钻井液密度降 低, 使井底流压小于地层压力, 就会引发负压侵入, 使 3 种侵入方式同时存在。从这个角度看, 直接侵 入和扩散侵入发生概率最大, 是研究的重点, 但对直 接侵人的研究还仅局限于钻屑的直径大小, 还有待 深人研究 ;对扩散侵人 的研究基于岩石均匀分布和 井底压力与温度处于静态的假设, 但实际情况却是 岩石具有各向异性, 且其孔隙满足分形结构, 储层岩 石 自身结构及孔隙的分布都会影响含硫天然气的扩 散 , 另外井底压力和温度也不断发生微小变化 , 对扩 散产生影响。对负压侵入而言, 渗透率不同的储层 渗流规律也不同, 针对实际工程问题 , 还应考虑钻井 液侵入地层形成的滤液带及在井壁上形成的滤饼的 影响。 3 该领域的研究工作还处于起步阶段, 理论还 不完善, 机理还亟待弄清。由于井下工况十分复杂 , 需要加大研究力度 , 以期能早 日进行定量描述, 从而 指导钻井工作安全顺利进行。 参考文献 Re f e r e n ce s [ 1 ] 耿 东士, 何纶, 李道芬, 等 . 钻井液中硫化氢的危害及其 控制 [ J ]. 钻井液与完井液, 2 0 0 7 , 2 4 s o 1 - 4 . 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J , 1 9 9 6 , 6 0 7 9 8 4 . 9 9 6 . [ 2 2 ] HE NT S C HE L H G, P R O C AC C I A I . R e l a t i v e d i f f u s i o n i n t u r b u l e n t me d i a T h e fr a c t a l d i me n s i o n o f c l o u d s l J J . P h y s i c a l s R e v i e wA , 1 9 8 4 , 2 9 3 1 4 6 1 1 4 7 0 . [ 2 3 ] S HAUGL L NE S S Y B O, P R OE AE E I A I . An a l y t i c a l s o l u t i o n for d i f f u s i o n o n fr a c t a l o b j e c t s【 J J. P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s , 1 9 8 5 , 5 4 5 4 5 5 - 4 5 8 . [ 2 4] 李相方, 刚涛, 隋秀香, 等 . 欠平衡钻井期间地层流体 流入规律研究 [ J ]. 石油学报, 2 0 0 2 , 2 3 2 4 8 . 5 2 . LI Xi a n g f a n g , GANG T a o , S UI Xi u x i a n g , e t a 1 . T h e r e s e a r c h o f f e a t u r e o f f o r ma t i o n fl u i d i n fl u x d u r i n g u n d e r - b a l a n c e d d r i l l i n g[ J ]. A c t a P e t r o l e i S i n i c a , 2 0 0 2 , 2 3 2 48 5 2 . [ 2 5] 徐维生, 柴军瑞, 王如宾, 等 . 低渗透介质非达西渗流 研究进展 [ J ]. 勘察科学技术, 2 0 0 7 , 2 5 3 2 0 . 2 3 . XU We i s h e n g , CHAI J u n r u i , WA NG Ru b i n , e t a 1 . P r o g r e s s o n s t u d y o f n o n - Da r c y s e e p a g e i n l o w p e r me a b i l i t y me d i a [ J j. S i t e I n v e s t i g a t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , 2 0 0 7 , 2 5 3 2 0 - 2 3 . [ 2 6] 阎庆来, 何秋轩, 任晓娟, 等 . 低渗透油层中单相液体 渗流特征的实验研究 [ J ]. 西安石油学院学报 , 1 9 9 0 , 5 2 1 - 6 . Y A N Q i n g l a i , H E Q i u x u a n , R E N X i a o j u a n , e t a 1 . E x per i me n t a l s tud y o n pe r c o l a t i o n c h a r a c t
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