代鋒李黔梁海波胡學(xué)明徐曉蓉張光華

1.西南石油大學(xué) 2.川慶鉆探工程公司塔里木工程公司 3.中國(guó)石化勝利油田分公司魯明石油開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司

氣體鉆井臨界攜水量計(jì)算

代鋒1李黔1梁海波1胡學(xué)明2徐曉蓉3張光華1

1.西南石油大學(xué) 2.川慶鉆探工程公司塔里木工程公司 3.中國(guó)石化勝利油田分公司魯明石油開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司

代鋒等.氣體鉆井臨界攜水量計(jì)算.天然氣工業(yè),2010,30(2):94-96.

地層出水是制約氣體鉆井順利實(shí)施的一個(gè)瓶頸,準(zhǔn)確計(jì)算一定注氣量下的臨界攜水量對(duì)于氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)安全施工、避免井下復(fù)雜至關(guān)重要?；谧钚?dòng)能標(biāo)準(zhǔn)建立了計(jì)算氣體鉆井臨界攜水量的數(shù)學(xué)模型,該模型綜合考慮了地層出水后環(huán)空多相流動(dòng)狀態(tài),利用該模型可確定氣體鉆井注氣量和臨界攜水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明:增加注氣量和降低液氣表面張力是提高氣體鉆井臨界攜水量的有效途徑;當(dāng)增加注氣量不能滿足攜水要求時(shí),必須轉(zhuǎn)換鉆井方式,通過(guò)降低液氣表面張力來(lái)提高臨界攜水量;氣體鉆井臨界攜水量計(jì)算需兼顧攜帶巖屑和攜水兩個(gè)要求,當(dāng)所需的最小攜水動(dòng)能等于最小攜帶巖屑動(dòng)能時(shí),液氣表面張力達(dá)到極值,進(jìn)一步降低液氣表面張力失去意義。實(shí)例驗(yàn)證表明,該研究成果能夠用于指導(dǎo)氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,為地層出水后氣體鉆井轉(zhuǎn)換鉆井方式提供了理論依據(jù)。

氣體鉆井 地層出水 臨界攜水量 注氣量 最小動(dòng)能

0 引言

地層出水是影響氣體鉆井順利實(shí)施的一大障礙。地層出水后,若處理不當(dāng),將影響井眼凈化和井壁穩(wěn)定,出現(xiàn)井下復(fù)雜情況[1-2]。目前有關(guān)氣體鉆井地層出水后臨界攜水量的計(jì)算,國(guó)內(nèi)還處于探索階段[3],現(xiàn)場(chǎng)主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理,沒(méi)有形成明確的定量指導(dǎo)方法。筆者綜合考慮了地層出水后環(huán)空多相流動(dòng)狀態(tài),基于最小動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)建立了計(jì)算氣體鉆井臨界攜水量的數(shù)學(xué)模型,以期得到氣體鉆井注氣量和臨界攜水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,用于指導(dǎo)氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,為地層出水后鉆井方式的轉(zhuǎn)換提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 最小攜水動(dòng)能的求解

氣體的攜帶能力表達(dá)式[4-5]:

式中:Ek為氣體動(dòng)能,J/m3;ρg為氣體密度,kg/m3;vg為氣體速度,m/s。

在氣體鉆井環(huán)空上升流動(dòng)中,作用在液滴上的力主要有向下的重力和向上的牽引力。當(dāng)這兩個(gè)力相等時(shí),自由下落的液滴速度達(dá)到臨界值。學(xué)者Turner建立的預(yù)測(cè)臨界速度的數(shù)學(xué)模型[6]如下:

式中:vsl為懸浮液滴的臨界速度,m/s;σ為液氣表面張力,N/m;ρL為地層水密度,kg/m3;Cd為阻力系數(shù)。

將式(2)帶入式(1),取 Cd=0.44,忽略氣體密度的影響(因ρgνρL),得到:

式中:Ekm為最小攜水動(dòng)能,J/m3。

攜帶液滴到井口的最小氣體速度(vgm)包括懸浮液滴所需的臨界速度(vsl)和液滴的傳輸速度(vtr),即

傳輸速度取臨界速度的20%,該值考慮了非停滯速度、巖屑形狀引起的阻力系數(shù)及臨界韋伯?dāng)?shù)的影響,即

將式(5)和式(2)帶入式(1),得到:

1.2 實(shí)際工況下氣體攜水動(dòng)能的計(jì)算

氣體密度(ρg)、速度(vg)計(jì)算如下:

將式(7)和式(8)帶入式(1),得到:

式中:Sg為氣體的相對(duì)密度;p為井深 H處的壓力, MPa;T為井深 H處的溫度,K;Qg為注氣量,m3/ min;Ai為環(huán)空橫截面積,m2。

上式需要準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)空壓力,井深 H處的流動(dòng)壓力通過(guò)下式計(jì)算:

其中:

式中:ps為地面環(huán)境壓力,MPa;Ts為地面溫度,K;G為地溫梯度,K/m;Ss為巖屑相對(duì)密度;So為地層油相對(duì)密度;Sw為地層水相對(duì)密度;Qo為出油量,m3/h; Qw為出水量,m3/h;Rp為機(jī)械鉆速,m/h;db為鉆頭直徑,m;dh為環(huán)空水力直徑,m;ε為井眼的平均粗糙度,m;f為井眼摩阻系數(shù);g為重力加速度,m/s2。

2 計(jì)算分析

將液氣表面張力和液體的密度值分別帶入式(3)和式(6),結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩種模型下所需的最小攜液動(dòng)能和最小攜帶巖屑動(dòng)能[7]對(duì)比表 J/m3

1)從表1可看出,采用Turner理論計(jì)算的最小攜水動(dòng)能低于最小攜帶巖屑動(dòng)能,即只要滿足提供的動(dòng)能高于最小攜帶巖屑動(dòng)能,攜水將不存在問(wèn)題,但根據(jù)氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況來(lái)看,地層出水后攜水比攜帶巖屑更棘手。

2)對(duì)于地層出油,不管是基于Turner理論還是根據(jù)本文結(jié)果,最小攜油動(dòng)能遠(yuǎn)低于最小攜水動(dòng)能和最小攜帶巖屑動(dòng)能,說(shuō)明氣體鉆井地層出油較地層出水更易解決,地層出油在井眼凈化方面不是一個(gè)突出的問(wèn)題。

3)式(6)表明地層出水時(shí),降低液氣表面張力,進(jìn)而降低攜水所需的最小動(dòng)能以滿足井眼凈化是一種有效途徑。但鉆井現(xiàn)場(chǎng)液氣表面張力僅能降低到某個(gè)水平,并不能無(wú)限制的降低?，F(xiàn)場(chǎng)只要提供的最小攜水動(dòng)能和最小攜帶巖屑動(dòng)能相等,即可按照最小攜帶巖屑動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行臨界攜水量計(jì)算。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 基本參數(shù)

某井鉆至井深2970m,下?244.5mm技術(shù)套管固井。2970～3600m井段,由于地層可鉆性差、研磨性強(qiáng)、機(jī)械鉆速低、蹩跳鉆嚴(yán)重以及地層傾角大、井斜無(wú)法控制等因素,采用空氣鉆井。鉆具組合為:?215.9mm鉆頭+?165mm箭形單流閥+?158mm鉆鋌×2+?214mm扶正器+?158mm鉆鋌×13+?127mm鉆桿×若干+?127mm鉆桿(18°)×300m+?165mm下旋塞+?165mm箭形單流閥+?165mm下旋塞+?133.4mm六棱方鉆桿。地面環(huán)境溫度為20℃;地溫梯度為2.2℃/100m,井口回壓為0.1MPa,地層水相對(duì)密度為1.04,巖屑相對(duì)密度為2.6,該井段平均機(jī)械鉆速為4.72m/h,設(shè)計(jì)注氣量為70m3/min。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果表明,模擬計(jì)算井深3600m、當(dāng)?shù)貙硬怀鏊畷r(shí),需最小注氣量為67.06m3/min,與設(shè)計(jì)注氣量70m3/min相吻合(見(jiàn)圖1);增加注氣量和降低液氣表面張力是提高氣體鉆井臨界攜水量的有效途徑,與理論分析結(jié)論一致。當(dāng)?shù)貙映鏊枯^大以致通過(guò)增加注氣量無(wú)法正常攜水時(shí),必須轉(zhuǎn)換鉆井方式,通過(guò)向氣流中連續(xù)泵入含有一定表面活性物質(zhì)的霧化液,充分乳化地層水,降低地層水的表面張力,提高臨界攜水量,即空氣鉆井轉(zhuǎn)化為霧化鉆井。如圖1所示,當(dāng)注氣量為76.31m3/min時(shí),臨界攜水量為3m3/h。通過(guò)加入表面活性劑降低表面張力至0.04N/m,同樣采用76.31m/min的注氣量,能攜帶的臨界攜水量提高至6.3m3/h,提高幅度超過(guò)100%,顯著地提高了臨界攜水能力。

圖1 氣體鉆井注氣量與臨界攜水量關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

1)基于最小動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)建立了計(jì)算氣體鉆井臨界攜水量的數(shù)學(xué)模型,模型考慮了地層出水后環(huán)空多相流動(dòng)狀態(tài),計(jì)算結(jié)果更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

2)氣體鉆井地層出油較出水更易解決,地層出油在井眼凈化方面不是一個(gè)突出問(wèn)題。

3)增加注氣量和降低液氣表面張力,是提高氣體鉆井臨界攜水量的有效途徑;當(dāng)增加注氣量不能有效攜水時(shí),必須轉(zhuǎn)換鉆井方式,通過(guò)降低液氣表面張力來(lái)提高臨界攜水量。

[1]趙業(yè)榮.氣體鉆井理論與實(shí)踐[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.

[2]吳志均,唐紅君.淺談氣體鉆井需要關(guān)注的問(wèn)題[J].鉆采工藝,2008,31(3):28-30.

[3]王存新,孟英鋒,鄧虎,等.氣體鉆井注氣量計(jì)算方法研究進(jìn)展[J].天然氣工業(yè),2006,26(12):97-99.

[4]GUO B,YAO YUAN.Liquid carrying capacity of gas in underbalanced drilling[R].SPE113972,California,USA: SPE,2008.

[5]TABATABAEI M,GHALAMBOR A,GUO A.The minimum required gas-injection rate for liquid removal in air/ gas drilling[R].SPE116135,Colorado,USA:SPE,2008.

[6]TURNER R G,HUBBARD M G,DU KL ER A E.Analysis and prediction of minimum flow rate for the continuous removal of liquids from gas wells[J].J PT,AIME,Nov1969:246.

[7]GUO B,GHALAMBOR A.Gas volume requirements for underbalanced drilling:deviated holes[M].Tulsa:Penn Well,2002.

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.025

Dai Feng,born in1984,is studying for a Ph.D degree,being engaged in research of oil and gas well engineering.

Add:No.18,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan610500,P.R.China

Mobile:+86-15882402816 E-mail:swpu_dai@163.com

Calculation of critical w ater-carrying capacity of gas in air drilling

Dai Feng1,Li Qian1,Liang Haibo1,Hu Xueming2,Xu Xiaorong3,Zhang Guanghua1
(1.Graduate School of Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500,China;2.Tarim Engineering Company,CN PC Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,Ku’erle,Xinjiang841000,China;3. L uming Petroleum Development Co.,L td.,Sinopec S hengli Oilf ield Company,Dongying,S handong257000,China)

Formation water production is one of the bottlenecks restricting the smooth operation in gas/air drilling.Therefore,to accurately calculate the critical water-carrying capacity under a certain gas-injection rate is essential for safe operation and prevention of complicated downhole accidents.Based on Guo’s minimum kinetic energy theory,a mathematical model was set up for calculating thecritical water-carrying capacity of gas in air/gas drilling.Taking into account the flow state of multi-phase fluids in the annular space after formation water influx,this model can determine the corresponding relation between air/gas injection rate and critical water-carrying capacity of air/gas.The calculation results demonstrate that a.to increase air/gas injection rate and to lower down liquid-gas interfacial tension are effective means to improve the critical water-carrying capacity of air/gas,b.when the increased air/gas injection can not meet the requirement of the liquid removal,the modes of drilling have to be transferred and the critical water-carrying volume will be enhanced by reducing the liquid-gas interfacial tension,c.the calculation of critical water-carrying capacity takes into consideration both water influx and debris carrying capacity,but when the required minimum kinetic energy of both are equivalent to each other,and the liquid-gas interfacial tension reaches the extreme value,there is no need to lower down the liquid-gas interfacial tension.Many cases of study prove that this model provides a theoretical basis for the guidance of gas drilling on fields and the switch of the drilling methods when the formation water influx occurs in air/gas drilling.

gas drilling,formation water production,interface water carrying capacity of gas,gas injection rate,minimum kinetic energy

book=1,ebook=102

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.025

2009-09-11 編輯 鐘水清)

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(編號(hào):07A20402)。

代鋒,1984年生,碩士研究生;從事油氣井工程研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)研究生部。電話:15882402816。E-mail:swpu_dai@163.com

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.94-96,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)