气体循环钻井井口气量控制技术.pdf

第 3 4卷 第 4期 2 0 1 2年 7月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PR0DUCT1 0N TECHNOLOGY Vo 1 ． 3 4 No ．4 J u l y 2 0 1 2 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 2 0 40 0 1 20 4 气体循环钻 井井 口气量控 制技 术 杨顺吉 柳贡慧 李 军 徐自 强 刘小静 1 ． 中国石 油大学石油工程 学院， 北京1 0 2 2 4 9 ；2 ． 北京信息科技 大学 ， 北京1 0 0 0 5 8 ； 3 ． 长庆油田公 司油气工艺研 究院 ， 陕西西安 7 1 0 0 1 8 ；4 ． 长庆油田公 司油藏评价部 ， 陕西西安 7 1 0 0 1 8 引用格式杨顺吉， 柳贡慧， 李军， 等 ． 气体循环钻井井口气量控制技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 4 1 2 - 1 5 ． 摘要以气体瞬变流理论为基础 ， 结合地层渗流相关理论和气体循环钻井工艺原理建立了一套气体循环钻井井口气量控 制 的理 论模 型。模型根据 气体在流动过程 中应遵从 的基本规律 ， 描述 了地层渗 流和井 口流体的各种运动特性 以及动 态压 力平 衡关系， 详述 了气体循环钻井钻遇气层时井口气量的控制方法。通过 Ma c C o r ma c k方法求解理论模型 ， 利用数值模拟方法对 气体循环钻井钻遇气层过程进行了系统的模拟计算和分析， 研究结果对气体循环钻井钻遇气层进行动态过程的描述对指导现 场施工具有现 实意义。 关键词气体循环钻井；瞬变流；地层渗流 ；气量控制；数值模拟 中图分类号 T E 2 1 文献标识码 A W e l l he a d ga s v o l ume c o nt r o l t e c hn i q ue s i n g a s c i r c u l a t i o n dr i l l i n g Y A N G S h u n j i ， L I U G 0 n g h u i ’。 ， L I J u n ， X U Z i q ia n g ， L I U X ia o j i n g 1 ．I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a Pe t r o l e u m U n i v e r s i ty ， Be ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． B e ij i n g I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y U n i v e r s i ty ， Be ij i n g 1 0 0 0 5 8 ， C h i n a ； 3 ． Oi l a n d G a s T e c h n o l o gy R e s e a r c h I n s t i t u t e o fC h a n g q i n g O ifie l d C O． ， X i a n 7 1 0 0 1 8 ， C h i n a ； 4 ．Re s e r v o irE v a l u a t i o n De p a r t me n t ofC h a n g q i n gOi lfi e l dCO．， Yi a n 7 1 0 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e t h e o r y o f g a s t r a n s i e n t f l o w, a s e t o f we l l h e a d g a s v o l u m e c o n t r o l t h e o r e t i c a l mo d e l s i n g a s c i r c u l a t i o n d r i l l i ng a r e s e t u p i n c o mb i n a t i o n wi t h t he f o r ma t i o n p or o us flo w a n d g a s c i r c ul a t i o n d r i l l i n g t e c h ni qu e p rinc i pl e s ． Acc o r di ng t o t he ba s i c l a ws wi t h wh i c h t h e g a s flo w s h o u l d c o mp l y , v a r i o u s m o v e m e n t p r o p e r t i e s a n d d y n a mi c p r e s s u r e e q u a l i z a t i o n r e l a t i o n s o f b o r e h o l e fl u i d a r e i l l u s t r a t e d ， a n d t h e g a s v o l u me c o n tro l me t h o d a r e c o mp r e h e n s i v e l y e x p l a i n e d wh e n t a k i n g g a s c i r c u l a t i o n d r i l l i n g t e c h n o l o g y t o p e n e t r a t e a g a s z o n e ． T h e Ma c ． Co r ma c k me t h o d i s a d o p t e d t o s o l v e t h e t h e o r e t i c a l mo d e l s ， a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n i s u s e d t o c a l c u l a t e a n d a n a l y z e t h e p r o c e s s o f p e n e tr a t i n g t h e g a s z o n e ． Th e r e s u l t s o f s t u d y h a v e a c e r t a i n p r a c t i c a l s i g n i fi c a n c e f o r t h e d e s c rip t i o n s o f d y n a mi c p r o c e s s o f p e n e t r a t i n g g a s z o n e u s i n g g a s c i r c u l a t i o n d r i l l i n g a n d t h e o n s i t e a p p l i c a t i o n ． K e y wo r ds ga s c i r c ul a t i o n d r i l l i ng； t r a ns i e n t flo w；f o r ma t i o n po r o us flo w；g a s v ol ume c o nt r ol ； n ume rica l s i mul a t i on 气体循环钻井是 由中国石油大学 北京 柳 贡 慧教授提出的一项钻井新工艺 ， 其基本技术思路是 由井筒返出的气体 、 岩屑、 水等混合流体经旋风分 离装 置进行气 、 液 、 固分离 ， 分离 出的气体经精细过 滤后再次 进入钻井循 环 ， 从 而达到减少能源 消耗 ， 降低钻井成本 的 目的 。其主要 的工艺特点是钻 井流体是在一个封 闭的系统 中循 环钻进 ， 与常规气 体钻 井的最大不 同之处是携岩气体 不再进行燃烧 或放空而是需要全部 回收后 回注入井筒 ， 其循 环注 气量必须在满 足地面设备 正常工作 的范 围内。 当 钻遇气层 时 ， 由于地层气体涌入井筒会导致井筒返 出气量超过 这一范 围， 如果不对其进 行实时控制 ， 将会影 响设 备安全及 正常钻进 。针对这一 工艺特 点 ， 利用瞬变 流的原理结合地层 渗流 的相关理 论 ， 对气体循 环钻井钻 遇气层 井 口气量控制技 术进行 了深入的研究。 基 金项 目国家 自然科 学基金 “ 气体循 环钻井动 态流动理论及携 岩能力研 究 ” 编号 5 0 9 7 4 0 2 1 ；国家重点基础研究发展计 划 9 7 3 计划 “ 深井复杂地层钻 井压 力系统模型与规律” 编号 2 0 l 0 cB 2 2 6 7 0 4 资助。 作者简介 杨 顺 吉， 1 9 8 4年生 。现 为 中国石 油大学 北京 油 气井工程专业在读 博士研 究生。研 究方 向气体钻 井、 控 压钻 井。 电话 l 5 1 O 1 1 7 3 7 8 0 。E - ma i l y a n g s h u n j i 1 2 3 1 6 3 ． c o m。 1 4 石油钻采工艺 2 0 1 2年 7月 第 3 4卷 第 4期 响正常钻进 。当钻遇气层 时， 地层气体会大量的涌 入井筒 ， 气流上升到井 口环空时将会引起气量过大 ， 所以必须实时地检测井筒返出的气量， 并配合以合 理的控制方案来控制循环注气量， 使之能正常安全 地钻进。根据此要求， 提出 2 种控制方案 1 井口恒 压控制方案 当钻遇产气量相对较高的气层 时， 在 井 口处必须放空一部分气体， 使余下的气体能够正 常地被压缩机 回收再 回注到井筒 ； 2 井 口恒流量控 制方案 当钻遇产气量相对较低 的气层时 ， 可在井 口环空施加一定 回压 ， 保持井 口环空气量 与循环注 气量不变 ， 使之正常钻进。 3 ． 2 定解条件及求解方法 1 初始条件 。根据稳定流动模型确定初始时刻 井筒沿程参数 p O 8 I v O ， h V 2 边界条件。根据边界节点的位置 ， 可把边界 节点分为 内边界和外边界 ， 内边界指环空井底 ， 环空 和钻柱井 口指外边界节点 。 ①井 口恒压控制方案定解条件 。 外边界节点 ， ons 9 0 I g p f ， c o n s t 内边 界节 点 { 淄 Pp t ,H I f ②井 口恒流量控制方案定解条件。 外边界节点 lq h f ，0 c o n s t 1 g p cons t 1 1 内边界节点 I t ,H q p f g e f lP h t ,H p p t ,I-I A p b iI 2 式中， g 。 为钻柱 中某点 的流量 ， m ／ mi n ；P p 为钻柱 中 某点 的压力 ， P a ；q 为环空 中某点 的流量 ， m ／ mi n ； P 为环 空 中某点 的压力 ， P a ；q 。 为地层 出气量 ， m ／ mi n ；△ p b n 为钻头 压 降 ， P a ；t 为 时 间参 数 ， s ；h为 空间参数， m；H为井深 ， m。 井筒和储 层耦合流 动模 型为 拟线性 的偏微 分 方程组 ， 因此， 用数值方法进行求解。采用能反映 压力波传播 的具有有二 阶精度 Ma c C o r ma c k方法 进行求解 J 。 4 模拟计算实例 对井 口恒压控制方案进行数值模拟 ， 模拟分析 的基础数据有钻进参数机械钻速 2 0 m ／ h ， 循环注 气量 1 0 0 Nm ／ mi n ， 井 口回压 0 ． 1 MP a ；地层 原始参 数 地表温度 2 2 c c， 地温梯度 0 ． 0 3 c C／ m， 地层渗透 率 1 ． 5 mD， 储层半径 1 7 0 i n ， 地层压力 3 0 MP a ， 其他 参数见表 1 。 表 1 数值模拟分析基础数据 上层套管 钻铤钻头 套管 钻铤钻铤钻杆钻杆 下深 ／ 长度 ／直径 ／ 内径 ／外径 ／内径 ／外径 ／内径 ／ m m m m m m m m m m m m m m 4 ． 1 初始条件 如图 1 所示 ， 利用稳态条件下 的模 型 计算在 2 0 0 0 m正常钻进条件下的初始稳定流动状态 。 图 2 初始稳定条件 下的 井筒压 力剖 面 4 ． 2 气层厚度不变时对井底和井 口流场模拟分析 此时气层厚度 已被钻开 2 m， 井 口回压 0 ． 1 MP a ， 如 图 3 所示 ， 地层 的出气将导致环空井筒 内气量 的 增 加 ， 进而气体 在环空 的流 动阻力也 随之增加 ， 因 此 ， 井底压力也逐渐增加 ；而井底压力 的增加又导 致地层 出气量 的减少 ， 这种动态 的耦合方关系直到 压力相互平衡时才会结束， 最终达到稳定状态。如 图 4所示 ， 由于理想气体 的可压缩性 ， 且扰动源发生 在井底 ， 所以这种复杂井底流动现象并不能很快在 地面得到响应 ， 所以， 井 口在经过短暂 的延迟之后 ， 其 出气量也 随之缓慢上升 ， 同样 ， 立压在滞后一段后 同样渐渐缓慢上升。 图 3 井底压力和井底 出气量随时间的变化曲线 杨顺 吉等 气体循环钻井井口气量控制技术 1 5 重 删 删 { 丑 州 口 图 4井 17出气 量 和 立 压 随 时 间 的 变 化 曲线 4 ． 3 钻遇气层后继续在气层 中钻进 如 图 5 所 示 ， 在气 层正 常钻进过 程 中， 气层 厚 度不 断 增加 ， 此 时井 底地 层渗 流量 呈 线性 上升趋 势 ， 井底压力也 随之缓慢上升 ， 但呈先弱后强趋势 ； 当停钻 6 mi n后停钻 以后 ， 参与井底地层 渗流地 层厚 度为 2 m， 气 层 出气 量呈微 小变化 ， 但 井底压 力 仍 然小 幅度 增加 ， 直到稳 定。 同样如 图 6所 示 ， 由于井底 出气量 的缓慢增加 、 气体 的可压缩性 、 压 力 波 的传 播都使井 口出气量 和立压有 明显 的滞后 效应 。对 比井底 出气量和井 口出气量 ， 井底扰动源 的影 响经过环空 长距离 的压力衰减及气体压缩 ， 到 达 井 口时的变化趋 势逐渐趋 于平缓 。由于气 体循 环钻井 的气体循环流量 的范 围要求 ， 从井底返 出的 地层气体应实 时放空 ， 以保证安全正常钻进 ， 以 1 0 0 N m ／ m i n作为标准循环气量， 其控制放空气量曲线 如 图 7所示 。 图 5 井底压力和井底 出气量随 时间的变化 曲线 1 5 0 ‘ 1 4 0 Z 1 3 0 埘 J jl 2 O 1 1 0 软 1 0 0 0 5 1 O l 5 2 0 时间／ mi n 图 6井 口出气量和 立压 随时间的变化 曲线 室 世 状 1 4 9 1 ． 4 5 凸一 吾 1 ． 3 7 皿 Ⅲ 】】 州 稻 口 k 时间／ mi n 图 7 井 口环 空放 空气量随 时间的变化曲线 5结论 1 利用气体循环钻井钻遇气层后 ， 井筒 中的流 动与地层的渗流相互作用 ， 笔者利用瞬变流原理及 渗流力学相关理论建立 了数学模 型， 该模 型可对这 一 过程进行动态描述。 2 提出两套气体循环钻井钻遇气层井 口气量控 制方案 ， 即井 口恒压和井 口恒流量控制方案， 并给出 了相应方案的定解条件的具体数学模型。 3 对井 口恒压方案作 出具体 的数值模拟 ， 在以 后 的现场施工 中， 利用上述方案结合具体的钻进参 数 ， 可有效地实时控制井 口返出气量 ， 来实现气体循 环钻井 的安全钻进。 参考文献 [ 1] 李军， 柳贡慧， 韩烈祥 ． 气体循环钻井工艺系统研究[ J ] ． 钻采工 艺， 2 0 1 0 ， 3 3 3 4 8 ． 5 0 ． [ 2] 李军， 柳贡慧， 王锡洲 ． 氮气循环钻井开环现场试验[ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 1 0 ， 3 2 3 9 - 1 2 ． [ 3] 柳 贡 慧， 陶谦 ， 李军 ． 气体循环 钻 井井筒 气量控 制技 术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 1 4 3 2 3 5 ． [ 4] 陶谦 ， 柳贡慧， 毕胜宇， 等 ． 气体循环钻井注气量计算与 影响因素分析 [ J ]． 石油天然气学报 ， 2 0 1 0 ， 3 3 1 9 7 ． 1 0 0． [ 5] 杨顺吉， 柳贡慧， 李军 ． 气体循环钻井定质量气体井筒 延伸极 限研 究 [ J ]． 钻采 工艺， 2 0 1 1 ， 3 4 6 4 6 ． [ 6] 李士伦 ． 天然气工程 [ M]． 北京石油工业出版社， 20 08 08 ． [ 7] 李长俊 ． 天然气管道输 M ] ． 北京石油工业出版社 ， 20 00 ． 1 1 ． [ 8] WI L L I AMCL y o n s ． 空气和气体钻井手册 [ M]． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 6 ． 0 8 ． [ 9] 水鸿寿 ． 一维流体力学差分方法 [ M]． 北京核工业 出版 社 ． 1 9 9 9 ． 修 改稿 收到 日期 2 0 1 2 0 3 一 O 1 [ 编辑薛改珍 ]