气体钻井最小注气量模型的优化.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 4 月 第 3 6 卷 第4 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A p r ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 4 气体钻井最小注气量模型的优化 孑 『J ＼ 士慧 ，闫铁 ，毕雪亮 东北石油大学提高油气采收率重点实验室， 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8 张东 安东石油技术 集团 有限 公司， 北京1 0 0 1 0 2 [ 摘要] 气体钻 井施工中保 持合理 的气体体 积流量对钻 井的成功至关重要 ，为 实现气体体 积流量的准确 预 测 ，根据修正 的 T a b a t a b e i 携液最小动能理论 ，结合考虑岩屑和侵入流体影 响的环 空压 降计算方法 ，建 立 了气体钻 井连续携岩 、携液 的最小注 气量模型 。其 中，T a b a t a b e i 携 液最小 动能理论 的修 正考 虑 了温度 对 表面 张力 的影 响及 雷诺数和液滴球形度对 曳力 系数的影 响；由于模 型所确定 的最小注 气量是地 面条件 下 的，因此引入 了原 油体 积系数 、天然气体 积系数 、地 层水体 积系数来表 征温度 、压 力对 油、气 、水 等流 体 的影响。模 型计算结果分析表 明，气体钻 井连续携 岩、携液 需要更大 的注气量 ；注 气量 的大小 与机 械 钻速 、环 空截 面积 、井 口回压有关 。 [ 关键词 ]气体钻井；最小动能；最 小注 气量 ；携液 ；携岩 [ 中图分类号]TE 2 2 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 0 4 0 0 8 6 一 o 5 气体钻井技术 因具有机械钻速高 、成本低、有效控制漏失层 、及时评价低压低渗油气层和保护油气 层等优点而备受青睐。合理的注气量是气体钻井成败的关键 ，注气量太小 ，携岩能力不足将导致岩屑被 重复破碎 ，严重影响机械钻速，同时岩屑还会向井底沉降 ，在井 内堆积，造成扼流 ，致使钻井作业无法 正常进行 ；注气量过大又会增大环空压降 ，从而增加井底压力 ，致使机械钻速降低 ，并会使井眼冲蚀扩 大 。因此 有 必要对 气体 钻井 的注气 量进 行优 化 。 气体钻井最小注气量的计算 ，国内外学术界逐渐形成了井底清洁的三类标准 ，即最小动能标准 、最 小速度标准和最小井底压力标准 ，这三类标准都是基于携带岩屑标准提出的口 ；对于携液所需最小注 气量 ，主要是借鉴气井生产携液理论进行研究 ，不考虑岩屑的影响l 6 哪] 。而在气体钻井过程中，允许地 层流体有控制的进入井 内，环空流体流动是气、液、固多相流动，但对于气体钻井连续携岩、携液理论 还没有统一的认识 。笔者通过引入考虑温度影响的表面张力模型及考虑雷诺数和液滴球形度的滑脱系数 理论，修正了 T a b a t a b e i 携液最小动能模型；结合考虑岩屑及侵入流体影响的环空压降计算方法 ，改进 了气体钻井最小注气量模型，用于更为准确地预测携带岩屑和侵入流体的最小注气量。 1 修正的气体钻井携液最小动能模型 基 于 T a b a t a b e i 携 液最 小动 能理论 ，能够持 续把 液滴 带 到地面 的最小 动 能可表示 为 一 式 中 E k 为 携 液 最 小 动 能 ， l b f t ／ f t 。 ； r y为 表 面 张 力 ， mN／ m 为 液 滴 密 度 ， l b m／ g a l 1 l b m／ g a l一 8 ． 3 3 g ／ c m。 ； C d 为 曳力 系数 。 式 1 中水一 气表 面 张力及 油一 气表 面 张力分 别取 为 6 0 mN／ m 和 2 0 mN／ m， 但 表面 张 力 受 温 度 的影 响， 这里表面张力 由下式计算口 r -[ ] r -[ 1 2 口 一7 5 ． 4 7 2 0 ． 1 5 2 2 6 l 昔 T 一 3 2 l一 0 ． 0 0 0 1 5 0 2 6 f 昔 T 一 3 2 l 2 式中 丁为温度 ， 。 F。 [ 收稿 日期]2 0 1 3一1 0～l o [ 基金项 目]国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 1 0 0 6 ；国家自然科学基金项 目 5 1 3 7 4 0 7 7 。 [ 作者简介 ]孙士慧 1 9 8 6一 ，女 ，2 0 0 8年东北石油大学毕业 ，博士 生，现主要从事气体钻井、欠平衡钻井多相流的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 4期 孙士慧 等 气体钻井 最小 注气量模型的优化 曳力 系 数 C d 是 与雷诺 数 』 、 ， 和球 形度 有 关 的函数 ， 以前研 究将 气流 中液 滴球 形度 设为 1 ， 曳力 系数 C a 取为 0 ． 4 4 。 但液滴在上升过程中， 不可能保持球形上升 ， 笔者采用考虑雷诺数和液滴球形度的滑脱系数 理论来计算 曳力系数 C [ n ] Cd 1 0 A 引 o g N R e c E lo g ‘ N R e ] 3 式 中 A 一 2 ． 2 9 5 4 2 ． 2 6 2 4 ． 4 3 9 5 2 2 ． 9 8 2 5 3 ； B 一一 0 ． 4 1 9 3 1 ． 9 0 1 4 2 2 ． 0 4 0 9 。 ； NR 一 9 2 8 |D。 g 。 液滴最大等效直径 D 可以由韦伯数来定义 ， 根据 Tu r n e r 等 的研究结果 ， 韦伯数设为 3 0 ， 则液滴的 最大等效直径可以表达为 D 4 根据气 体携 液动 能 ， 得到 井底 压力 P 一 2 5 A E ～ 式 中 N 为雷诺数 ； 为球形度 ， 1 ； P g 为气体密度 ， l b m／ g a l ； 7 3 为气体速度 ， { t ／ s ； D 为液滴最大等效直径 ， i n ； ／ 为气体黏度， mP a s ； y 为气体相对空气的相对密度 ， 1 ； Z为气体压缩 因子， 1 ； A 为横截面积 ， f t ； 户 为井底压力 ， p s i ； T b 为井底温度 ， 。 F； Q 为气体最小注入量 ， f t 。 ／ mi n 。 2 气体钻井最小注气量模型的优化 对于向上流动的气 、液、岩屑多相混合流 ，稳态能量方程为_ 1 箍 d L 。 ㈤ 式 中 为压力增量 ， l b ／ f t ； lD 为多相流混合物密度， l b ／ f t 。 ； g 为转换系数 ， 3 2 ． 2 f t ／ s 。 ； f m为莫 氏摩擦系 数， 1 ； 为多相流流动速度 ， f t ／ s ； D 为流道直径 ， f t ； d L为长度增量， f t 。 多相流混合物的表观密度和黏度分别为 ] p m p d 。 Hd 。 P f 1一 Hd 7 [ 。 。 1 一≠ 。 ] H 1 ～H 8 P I 一 [ P 0 声 。 p w HL P g 1 一 H ] 1 一Hd 9 式中 P m为多相流混合物密度， I b m／ g a l ； p a 、 p o 、 lD w 、 ID f 分别为岩屑密度、 侵入油密度、 侵人水密度及侵入油气水 混合密度， l b m／ g a l ； 为多相流混合物黏度， m P a s ； 。 、 分别为油 、 水黏度， mP a s ； 分别为侵入井筒 的油水混合物中油、 水所 占的体积分数， 1 ； H 为持液率， 1 ；Ha 为多相流混合物中岩屑所占的体积分数， 1 。 岩屑密度表示为岩屑质量流量与岩屑体积流量的比值 一 W d _ 6 2 ． 4 8 。 6 。 4 0 0R p ] ㈣ 即 p d c 1 ． 09 1 7 d y d Rp 1 1 ,U r ic 、⋯ 式 中 W 为 岩屑 质 量 流量 ， l b ／ s ； q 为 岩 屑体 积 流量 ， f t 。 ／ d ； 7 为岩 屑相 对 密 度 ， 1 ； R。 为 机 械钻 速 ， f t ／ h ； d b 为钻 头直 径 ， i n 。 根据气体状态方程 ， 气体密度表示为 1 2 Z RT ⋯ 式 中 R为气体常数 ，5 3 ． 3 6 f t l b ／ 1 b 。 R 。 地层流体 油、 水密度为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 石 油 天然 气工程 2 0 1 4 年 4 月 P L ID 。 。 P w w 1 3 由于所确定 的最小注气量是地 面条件下的， 考虑温度 、 压力对地层流体的影响， 引入原油体积系数 、 地 层水体积因数 ， 式 I 3 可表示为 一 1 4 将式 i i 、 1 2 、 1 4 代人式 7 ， 得到多相流体混合物密度 一 { [ 土 ％ 。 ] H [ 1 -- H dc ] [ 丛 H ac 式中 、 y 、 y 。 分别为气体、 水 、 油的相对密度， 1 ； B 。 、 B 、 B 分别为油、 气、 水的体积系数， 1 。 垂 直管 中某 一横 截面 处多 相流 流动 的速 度可定 义 为 一 手 蔷 q dc ] 1 5 1 6 “ 1 7 将式 1 7 代入式 6 得 1 4 4 p m 一 『 ， ] d L 8 L ～ 2 g o ／ J 1 4 4 Ap { X H 重 新整 理式 1 9 ， 得 到 H d ] 一 [ F F B 。 B F 4 F s B 2o -9 F e B 。 B F B 。 F s B F 9 B F 1 。 ] d L 1 9 1 4 4 △ P R 鼠 吾 1 Z F 5 B 0 B F 7 B o F 8B F q B F 1。 一 生 旦 三 生 Z - q d e0 3 6 1 0 1一 H T 7 0 3 6 1 07 Z ‘ g 。 g ‘ ＼ ‘ L 式 中 F 一 I F 2 一 一 h h F F 一 Fl 0 ； 一 I F8一 3 ． 8 3 8 2 1 0 一 f m q q g T ． F6一 盛 ． F g ； 2 0 x 一 { 声 。 ；D D H -- 。 ； 。 一 q o ； 一1 一≯ 。 ； H 一 e L ； Hac 一 _ ； H 一 。 式 中 Dn 为环空当量直径 ， i n ； Dn为井眼直径 ， i n ； D 为钻杆外径 ， i n ； q 。 、 g 分别为侵入油 、 侵入水的体积流 量 ， g a l ／ mi n 。 将式 5 代入式 2 O ，采用 Ne wt o n R a p h s o n循环算法求解 ，即可得到气体钻井最小注气量。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷 第 4期 孙士慧 等 气体钻 井最小注 气量模 型的优化 8 9 3 模型结果分析 某井井眼直径为 1 6 5 mm，钻杆外径 为 8 8 9 mm，钻 速为 1 8 m／ h，地 面温 度为 1 5 C，井 口回压为 0 ． 1 MP a ，井筒侵入油、侵入水的体积流量分别为 0 ． 1 m。 ／ a和 1 m。 ／ d 。利用 T a b a t a b e i 最小携液模型和 本文优化的最小注气量模型分别求取所需的最小注气量 ，其结果对 比如 图 1所示 。不同机械钻速下井眼 清洁所需的最小注气量如图 2所示 。 0 5 0 0 口1 0 0 0 涨 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 8 最小注气量／ m rai n l 0 1 2 最小注气量／ mi n - 1 4 8 1 0 1 2 1 4 0 5 0 0 1 0 0 0 聪 1 5 0 0 20 0 0 25 0 0 图 1 T a b a t a b e i 模型与本文模型最小注气量对 比图 图 2 不 同机械钻速所 需最小注气量 由图 1 可知，修正 Ta b a t a b e i 模型由于忽略岩屑和涌人流体 的影响 ，使得计算 的最小注气量偏小 ， 不能够保证井眼充分清洁。同时携带岩屑和涌人流体所需的注气量更大。 ． 由图 2可知 ，机械钻速与注气 量成正 比。机 械钻速越高 ，所 需的最小注气 量越大。井 眼直径为 2 1 5 ． 9 mm，钻杆外径分别为 8 8 ． 9 mm．1 1 4 ． 3 ram，不 同水侵入量下其所需最小注气量对比如图 3所示 。 O 5 0 0 1 0 0 0 聪 辕 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 最小注气量八m3 mi n - 1 5 2 O 2 5 3 0 a 井眼直径2 1 5 9 mm、钻杆外径8 8 9 mm 0 5 0 0 目1 0 0 0 聪 车 k 1 5 O O 2 0 0 0 2 5 0 0 最小注气量／ mi n “ l 5 2 O 2 5 3 0 b 井眼直径2 1 5 9 mm、钻杆外径1 1 4 3 m m 图 3不 同侵入水体积流量 下对应 的最 小注气量 由图 3可知 ，相同井眼直径，较小钻杆外径的井眼需要 的最小注气量较高。这是 因为钻杆外径越 小 ，环空面积越大，需要越高的注气量以满足井眼清洁条件 。 岩屑体积流量对最小注气量的影 响如图 4所示 。由图 4可知 ，随着岩屑体积流量的增加 ，所需最小 注气量增加 ，因为岩屑对井筒流体的流动有阻碍作用，降低了携液效率。为实现有效的携液 ，需要更高 的注气 量 。从 图 4还 可看 出 ，随着井 深 的增加 ，岩屑体 积 流量 的影 响越显 著 。 相同井眼条件下 ，携带相同体积 的侵入流体 ，不同井 口回压下所需的最小注气量如图 5 所示。由图 5可知，增加 井 口回压 ，所需的最小注气量显著增加 。因此，为有效携带出井筒流体应保持尽可能低的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 0 石 油天然 气工程 2 0 1 4 年 4 月 井 口回压 值 。 0 i 00 0 聪1 5 0 0 杀 2 0 0 0 2 5 0 0 4 结论 8 最小注气量／ m mi n 。 。 l O l 2 1 4 回压／ MP a 图 4不 同岩屑体积流量对最小注气量的影响 图 5 井 口回压 对最 小注气量 的影响 1 模型考虑温度对表面张力 的影响、雷诺数与球形度对曳力 系数 的影响，并引入原油体积分数 、 地层水体积分数、天然气体积分数表示温度 、压力对侵入流体的影响，优化气体钻井最小注气量模 型， 更加符合实际情况 ，有效提高 了模型预测精度 。 2 模型计算结果分析表明，为有效保证井眼清洁，与最小携液标准相 比，同时携带岩屑和侵入流 体需要更大的注气量。 3 模 型 敏感性 分析 表 明 ，机 械钻速 与注 气量 成 正 比 ，机 械 钻速 越 高 ，最小 注气 量越 大 ；相 同井 眼 直径 ，钻杆外径越小，环空面积越大 ，所需最小注气量越大；环空岩屑体积流量越大 ，注气量越大 ；增 加井 口回压 ，所需 最小 注气 量相应 增加 ，建 议气 体钻井 过程 中维 持尽 可能低 的井 口回压 。 [ 参考文献] [ I ]An g e l R R．V o l u me r e q u i r e me n t s f o r a i r o r g a s d r i l l i n g[ J ]．T r a n s AI ME，1 9 5 7 ，2 1 0 3 2 5 ～3 3 0 ． [ 2 ]Gu o B， Gh a l a mb o r A．Ga s v o l u me r e q u i r e me n t s f o r u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g d e v i a t e d h o l e s[ M]．Tu l s a P e n n we l I B o o k C o ，2 0 0 2 ． [ 3 ]王存新 ，盂英峰 ，邓虎 ，等 ．气体 钻井注气量计算方法研究进展 [ J ]．天然气 工业 ，2 0 0 6 ，2 6 1 2 9 7 --9 9 ． [ 4 ]柳贡慧 ，刘伟 ．计算空气一 氮气钻井最小气体体积流量的新方法 [ 1 3．石油学报 ，2 0 0 8 ，2 9 4 6 2 9 ～6 3 2 ． [ 5 ]蒋宏伟 ，刑树宾 ，王克雄 ，等 ．气体钻 井最小 注气量 和地层 出水量关 系研 究 [ J ]．大 庆石油地 质与 开发 ，2 0 0 8 ，2 7 2 1 0 6 ～ l 0 9 ． [ 6 ]Gu o B， Gh a l a mb o r A， Ch e n g C X．A s y s t e ma t i c a p p r o a c h t o p r e d i c t i n g l i q u i d l o a d i n g i n g a s we l l s[ J ]．S P E 一 9 4 0 8 1 一 P A，2 0 0 6 ． [ 7 ]G u o B o y u n ． L i q u i d c a r r y i n g c a p a c i t y o f g a s i n u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g[ J ]． S P E 1 1 3 7 2 ， 2 0 0 8 ． [ 8 ]庞东豪 ，袁骐骥 ．气体钻井携带液体最小注气量 计算 [ J ]．天然气技术 ，2 o 1 o，4 5 3 5 ～3 7 ． [ 9 ]T a b a t a b e i M，Gh a l a mb o r A，Gu o B ．T h e mi n imu m r e q u i r e d a i r ／ g a s i n j e c t io n r a t e f o r l i q u i d r e mo v a l i n a i r ／ g a s d r i l l i n g[ J ] ．S PE 11 6 1 3 5．2 0 0 8 ． [ 1 o ]朱峰．苗润才 ．激光衍射法测量表面张力和毛细波波速与温度的关系 [ J ]．光子学报 ，2 0 0 9 ，3 8 1 1 2 9 2 7 2 9 3 0 ． [ 1 1 ]F a n g Q，G u o B， Gh a l a mb o r A．F o r ma t i o n o f u n d e r wa t e r c u t t i n g p i l e s i n o f f s h o r e d r i l l i n g [ J ]．S P E 一 1 0 0 9 2 2 P A，2 0 0 8 ． [ 1 2 ]T u r n e r R G，Hu b b a r d M G，D u k l e r A E ．An a l y s i s a n d p r e d i c t i o n o f min i mu m f l o w r a t e f o r t h e c o n t i n u o u s r e mo v a l o f l i q u i d f r o m g a s we l l[ J ]． S P E 一 2 1 9 8 一 P A，1 9 6 9 ． [ 1 3 3 F a d a i r o A S ．E f f e c t o f d r i l l i n g c u t t i n g s t r a n s p o r t o n p r e s s u r e d r o p i n a f l o wi n g w e l l[ J ] ．S P E 1 2 5 7 0 7 ，2 0 0 9 ． [ 1 4 ]B u t l e r G．Mu l t i p h a s e f l o w c o n s i d e r a t i o n i n u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g o f h o r iz o n t a l we l l[ ．7 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e Mu l t i p h a s e 9 5 [ c ]．C a n n e s ， F r a n c e ，1 9 9 5 0 6 ． [ 编辑] 黄鹂 一 量 ． 一 ＼ 卿 埘 嚼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m