侯學軍，高德利

(1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京 102249;2.重慶科技學院石油天然氣工程學院，重慶 401331)

柴油機尾氣鉆井注氣量定量分析

侯學軍1，2，高德利1

(1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京 102249;2.重慶科技學院石油天然氣工程學院，重慶 401331)

柴油機尾氣鉆井是利用柴油機尾氣作為循環(huán)介質的一種氣體鉆井。對鉆井常用柴油機Z12V190的尾氣成分、排量、含氧量、尾氣鉆井最小注氣量進行計算分析。結果表明:柴油機尾氣排量隨尾氣含氧量增加而增加，可通過增加吸入阻力和負載降低含氧量;柴油機尾氣鉆井最小注氣量隨關鍵點壓力增加而增加;尾氣含氧量必須低于14%才能安全鉆進;因受尾氣排量限制，柴油機尾氣鉆井只適用于低壓鉆井，即使3臺柴油機同時工作所提供的最大尾氣排量也僅能滿足關鍵點壓力為4 MPa時的最小注氣量要求，當只有2臺或1臺柴油機工作時，其鉆井壓力會更低，甚至不到1 MPa。

鉆井;柴油機尾氣;注氣量;含氧量

柴油機尾氣鉆井是用柴油機尾氣作為循環(huán)介質的一種特殊的欠平衡鉆井方式，在保護儲層、提高機械鉆速、防止井下燃爆、降低鉆井成本等方面效果明顯［1-3］。中國川西南地區(qū)和西南石油大學開展了柴油機尾氣鉆井工藝技術理論和試驗研究，四川油氣田還在現(xiàn)場鉆井修井作業(yè)中進行了實際應用，并取得了較好的經(jīng)濟效益。但是，柴油機尾氣鉆井也面臨著一些問題，如尾氣排量是否滿足鉆井最小注氣量要求，尾氣含氧量是否滿足井下燃爆的安全性能要求等［4］。筆者針對這兩個問題對鉆井常用Z12V190柴油機尾氣進行分析，在滿足安全鉆進的含氧量范圍內，計算并比較柴油機尾氣理論排量和氣體鉆井通常所需最小注氣量，得出柴油機尾氣鉆井可行適用范圍。

1 柴油機尾氣成分分析

1.1 柴油機性能參數(shù)

鉆井現(xiàn)場常用柴油機大多為Z12V190B型4沖程直噴式水冷增壓大功率柴油機，分析用到的主要性能參數(shù)為:12 h功率1200 PS(882 kW)，持續(xù)功率1080 PS(794 kW)，選用0號輕柴油時燃油消耗率(209.4±5%)g/(kW·h)，原油中各成分質量分數(shù)C為0.87、O為0.004、H為0.126(其中的氧可分解并參加燃燒反應)。

1.2 柴油機尾氣成分

柴油機燃燒廢氣中主要成分有N2、CO2、H2O、O2和少量的CO(為使燃燒充分，采用過量的O2，因此柴油機尾氣中含有大量O2)。柴油機尾氣中O2含量理論上為12%左右，實際鉆井中，隨柴油機使用時間長短、性能差異、轉速、負載等不同，從尾氣中測得的含氧量為9% ～19%，而且負載越大，進氣阻力越大，尾氣含氧量越低。用柴油機尾氣進行鉆進時，控制井下燃爆安全鉆井的含氧量為5% ～12%，在低壓流暢條件下上限為12%，高壓流動受阻情況下為5% ～8%。現(xiàn)場鉆井在低壓且井眼流體流動通暢情況下，安全的含氧量可提高到14%。同時可增加柴油機進氣阻力，提高柴油機運轉負荷，盡可能使尾氣含氧量控制在低于14%的安全范圍內［4］。尾氣中CO含量很少，對鉆井和環(huán)境基本沒有影響，可忽略不計。

2 柴油機尾氣量計算

2.1 柴油燃燒反應

柴油機工作時，柴油燃燒反應式為

由于供氧充分，反應式(3)中生成的CO最終絕大部分通過反應式(4)轉化為CO2，剩下的CO很少，基本上可忽略不計。因此，根據(jù)質量守恒，上述4個反應式可等效為

2.2 燃燒尾氣量計算

以0號輕柴油為例進行計算分析:根據(jù)各主要成分的含量以及對應的摩爾質量，計算1 kg柴油各主要成分摩爾數(shù):碳原子摩爾數(shù)為xkmol=0.87/12=0.0725 kmol;氫摩爾數(shù)為 ykmol=0.126/1=0.126 kmol;氧摩爾數(shù)為zkmol=0.004/16=0.000 25 kmol;完全燃燒需氧量為xO2=xkmol+ykmol/4－zkmol/2。

設總尾氣量為 m(kmol，即千摩爾)，根據(jù)質量守恒關系式(5)得含氧量(百分含量)表達式為

式中，wO2和w'O2分別為柴油機尾氣在除水前和除水后的含氧量。

根據(jù)公式進行理論計算，結果如圖1所示。在滿足安全鉆井含氧量不能超過14%的條件下，單臺Z12V190柴油機最小排氣量為46.0 m3/min，最大排氣量為88.1 m3/min，而井隊上正常鉆井時最少能保證1臺柴油機正常運轉，基本上能滿足淺井尾氣鉆井最小注氣量要求。對于深井鉆井，所需功率比較大，需2臺或者3臺柴油機同時工作，2臺時最小排氣量為92.0 m3/min，最大排氣量為176.3 m3/min;3臺時最小排氣量為138 m3/min，最大值排氣量為264.4 m3/min。圖1顯示柴油機尾氣排量隨尾氣中氧含量的增加而增加。

圖1 尾氣排量與含氧量關系Fig.1 Relationship between diesel engine tail gas rate and oxygen content

3 最小注氣量計算

氣體鉆井中，如果環(huán)空氣體返速過低，巖屑就會向井底回落，在井內堆積，造成扼流現(xiàn)象，致使鉆井無法進行，因此氣體鉆井供氣量必須不小于井中攜巖能力最差處的最小氣體返速，一般情況下越往井底，環(huán)空氣體流速越低，但壓力越大，密度也越大。在鉆鋌與鉆桿交接處，氣體密度及壓力有一個突然的下降，出現(xiàn)對巖屑的最小舉升能力，因此通常以該處為計算最小注氣量的關鍵點［5］，當然也有些特殊情況，最小攜巖能力不出現(xiàn)在鉆鋌與鉆桿接頭處，而是上部的某點［6］。無論攜巖能力最差的關鍵點在哪里，都可以根據(jù)關鍵點處的不同壓力來計算最小注氣量。計算最小注氣量的方法有最小動能法、最小速度法、解析法等［7-11］，這里以最小動能法舉例計算。

某井采用柴油機尾氣鉆井，鉆頭尺寸200 mm，鉆桿尺寸114.3 mm，確定最小注氣量關鍵點處的壓力根據(jù)井深不同設為從0.5 MPa開始，以0.1 MPa梯度逐漸增加至5 MPa。根據(jù)最小動能法關鍵點處的氣體密度、最小返出流速、所需氣體量、最小注氣量的計算公式［7-11］為

式中，ρg0和ρg分別為標準狀態(tài)(壓力101.325 kPa，溫度0℃)下和壓力p、溫度T下的氣體密度，kg/m3;vg0和vg分別為標準狀態(tài)下和壓力p、溫度T下的氣體速度，m/s;Qg和Qg0分別為標準狀態(tài)下和壓力p、溫度T下的最小注氣量，m3/min;Dh和Dp0分別為井眼直徑和鉆桿外徑，m;M為空氣的摩爾質量;R為通用氣體常數(shù)。

利用上述公式計算得到的關鍵點處不同壓力下最小注氣量與尾氣排量的關系如圖2所示。圖2表明:關鍵點處最小注氣量隨壓力增加而呈線性增加;在最小注氣量曲線以上部分的柴油機尾氣排量才能滿足該壓力條件下的最小注氣量要求，能進行尾氣鉆井;尾氣鉆井只適合低壓鉆井，即使3臺柴油機同時工作所提供的最大排氣量也僅能滿足關鍵點處壓力為4 MPa時所需的最小排氣量，當關鍵點壓力繼續(xù)升高超過4 MPa時，3臺柴油機同時工作的供氣量也不能滿足最小注氣量要求，不能進行尾氣鉆井。

圖2 關鍵點處不同壓力下最小注氣量與尾氣排量的關系Fig.2 Relation between minimum gas injection rate at key point with different pressure and tail gas rate

4 現(xiàn)場應用

柴油機尾氣鉆井在中國四川油氣田鉆井修井作業(yè)中進行了現(xiàn)場實際測試和應用，并取得了較好的經(jīng)濟效益?，F(xiàn)場曾對威100井、威27井使用的兩臺Z12V190型柴油機尾氣含氧量進行測試，因柴油機使用年限過久，經(jīng)過3次大修，性能較差，實測時負荷較低，以致柴油機尾氣含氧量一般高于安全極限值14%，后對1臺6135型柴油機進行了不同工況下尾氣含氧量測試［4］，測試結果如圖3所示。隨負荷增大，含氧量下降，只要柴油機帶足負荷，則尾氣含氧量能降到14%以下，能滿足作業(yè)的安全要求(圖3);隨著柴油機進氣管阻力增加，柴油機尾氣含氧量下降，故增加進氣阻力，可以使尾氣含氧量降到14%以下。由于修井作業(yè)的復雜性和變化性，實際控制載荷方法難度較大，因此主要通過增設進口阻力來調節(jié)尾氣含氧量。

柴油機尾氣排量和尾氣鉆井最小注氣量的對比分析表明，柴油機尾氣鉆井只適合于低壓鉆井，在四川威遠構造、西昌七里壩構造、成都龍泉山構造帶的鉆井修井作業(yè)中，完成地層壓力系數(shù)為0.4～0.6的低壓井的開窗側鉆修井作業(yè)6口，地層壓力系數(shù)約為0.3的低壓開發(fā)氣井1口，治理嚴重井漏作業(yè)井數(shù)十口(包括海外作業(yè)2口)以及負壓作業(yè)井數(shù)口［4］，在提高鉆井速度、發(fā)現(xiàn)和保護油氣層、提高采收率等方面起到積極作用，并取得了較好的經(jīng)濟效益。

圖3 柴油機尾氣含氧量與柴油機負荷及進氣管阻力的關系Fig.3 Relation between oxygen content in diesel engine tail gas and load and intake pipe resistance

5 結論

(1)Z12V190柴油機尾氣排量隨尾氣含氧量升高而增大，為使含氧量低于14%，滿足安全鉆井要求，可增加柴油機進氣阻力，并使其滿負荷運行。

(2)氣體鉆井所需最小注氣量隨井眼環(huán)空鉆鋌與鉆桿接頭處關鍵點的壓力增加而增大。

(3)在滿足含氧量要求前提下，柴油機尾氣排量只適合低壓鉆井:即使3臺柴油機同時工作所提供的最大尾氣排量也僅能滿足關鍵點壓力為4 MPa時的最小注氣量要求，當只有2臺或者1臺柴油機工作時，其鉆井壓力會更低，甚至不到1 MPa。

(4)柴油機尾氣鉆井在中國低壓油氣田進行鉆井修井應用切實可行，在提高鉆井速度、發(fā)現(xiàn)和保護油氣層、提高采收率等方面作用顯著，有較好的技術經(jīng)濟效益，應用前景廣闊。

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Quantitative analysis of gas injection volume for diesel engine tail gas drilling

HOU Xue-jun1，2，GAO De-li1
(1.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.College of Petroleum Engineering in Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China)

Diesel engine tail gas drilling is a kind of gas drilling with engine tail gas as circulating medium.The Z12V190 diesel engine tail gas composition，exhaust rate，oxygen content and minimum gas injection rate of tail gas drilling were analyzed and calculated.The results show that the diesel engine tail gas exhaust rate increases with the oxygen content increasing，and the oxygen content in tail gas can be reduced by increasing suction resistance and diesel engine load.The minimum gas injection rate increases with the pressure at key point increasing.The oxygen content in tail gas must be below 14%in tail gas drilling.The diesel engine tail gas drilling applies only to low pressure condition because of the limited diesel tail gas rate.When all the three diesel engines are working，the total tail gas rate just reaches the minimum gas injection rate at 4 MPa，but when one or two diesel engines are working，the tail gas rate is only suit to the minimum gas injection rate at 1 MPa.

drilling;diesel engine tail gas;gas injection volume;oxygen content

TE 21

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.05.011

1673-5005(2011)05-0061-04

2010－11－23

國家“973”計劃課題(2010CB226703)

侯學軍(1973－)，男(漢族)，湖北黃岡人，講師，博士研究生，主要從事油氣井工程與石油裝備方面的教學和科研工作。

(編輯 李志芬)