孫士慧，閆鐵，畢雪亮 （東北石油大學(xué)提高油氣采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

張東 （安東石油技術(shù) （集團(tuán)）有限公司，北京 100102）

氣體鉆井最小注氣量模型的優(yōu)化

孫士慧，閆鐵，畢雪亮 （東北石油大學(xué)提高油氣采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

張東 （安東石油技術(shù) （集團(tuán)）有限公司，北京 100102）

氣體鉆井施工中保持合理的氣體體積流量對鉆井的成功至關(guān)重要，為實(shí)現(xiàn)氣體體積流量的準(zhǔn)確預(yù)測，根據(jù)修正的Tabatabei攜液最小動能理論，結(jié)合考慮巖屑和侵入流體影響的環(huán)空壓降計(jì)算方法，建立了氣體鉆井連續(xù)攜巖、攜液的最小注氣量模型。其中，Tabatabei攜液最小動能理論的修正考慮了溫度對表面張力的影響及雷諾數(shù)和液滴球形度對曳力系數(shù)的影響；由于模型所確定的最小注氣量是地面條件下的，因此引入了原油體積系數(shù)、天然氣體積系數(shù)、地層水體積系數(shù)來表征溫度、壓力對油、氣、水等流體的影響。模型計(jì)算結(jié)果分析表明，氣體鉆井連續(xù)攜巖、攜液需要更大的注氣量；注氣量的大小與機(jī)械鉆速、環(huán)空截面積、井口回壓有關(guān)。

氣體鉆井；最小動能；最小注氣量；攜液；攜巖

氣體鉆井技術(shù)因具有機(jī)械鉆速高、成本低、有效控制漏失層、及時評價低壓低滲油氣層和保護(hù)油氣層等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。合理的注氣量是氣體鉆井成敗的關(guān)鍵，注氣量太小，攜巖能力不足將導(dǎo)致巖屑被重復(fù)破碎，嚴(yán)重影響機(jī)械鉆速，同時巖屑還會向井底沉降，在井內(nèi)堆積，造成扼流，致使鉆井作業(yè)無法正常進(jìn)行；注氣量過大又會增大環(huán)空壓降，從而增加井底壓力，致使機(jī)械鉆速降低，并會使井眼沖蝕擴(kuò)大。因此有必要對氣體鉆井的注氣量進(jìn)行優(yōu)化。

氣體鉆井最小注氣量的計(jì)算，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界逐漸形成了井底清潔的三類標(biāo)準(zhǔn)，即最小動能標(biāo)準(zhǔn)、最小速度標(biāo)準(zhǔn)和最小井底壓力標(biāo)準(zhǔn)，這三類標(biāo)準(zhǔn)都是基于攜帶巖屑標(biāo)準(zhǔn)提出的［1～5］；對于攜液所需最小注氣量，主要是借鑒氣井生產(chǎn)攜液理論進(jìn)行研究，不考慮巖屑的影響［6～8］。而在氣體鉆井過程中，允許地層流體有控制的進(jìn)入井內(nèi)，環(huán)空流體流動是氣、液、固多相流動，但對于氣體鉆井連續(xù)攜巖、攜液理論還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。筆者通過引入考慮溫度影響的表面張力模型及考慮雷諾數(shù)和液滴球形度的滑脫系數(shù)理論，修正了Tabatabei攜液最小動能模型；結(jié)合考慮巖屑及侵入流體影響的環(huán)空壓降計(jì)算方法，改進(jìn)了氣體鉆井最小注氣量模型，用于更為準(zhǔn)確地預(yù)測攜帶巖屑和侵入流體的最小注氣量。

1 修正的氣體鉆井?dāng)y液最小動能模型

2 氣體鉆井最小注氣量模型的優(yōu)化

式中：Dh為環(huán)空當(dāng)量直徑，in；DH為井眼直徑，in；Dp為鉆桿外徑，in；qo、qw分別為侵入油、侵入水的體積流量，gal／min。

將式 （5）代入式 （20），采用Newton-Raphson循環(huán)算法求解，即可得到氣體鉆井最小注氣量。

3 模型結(jié)果分析

某井井眼直徑為165mm，鉆桿外徑為88.9mm，鉆速為18m／h，地面溫度為15℃，井口回壓為0.1MPa，井筒侵入油、侵入水的體積流量分別為0.1m3／d和1m3／d。利用Tabatabei最小攜液模型和本文優(yōu)化的最小注氣量模型分別求取所需的最小注氣量，其結(jié)果對比如圖1所示。不同機(jī)械鉆速下井眼清潔所需的最小注氣量如圖2所示。

圖1 Tabatabei模型與本文模型最小注氣量對比圖

圖2 不同機(jī)械鉆速所需最小注氣量

由圖1可知，修正Tabatabei模型由于忽略巖屑和涌入流體的影響，使得計(jì)算的最小注氣量偏小，不能夠保證井眼充分清潔。同時攜帶巖屑和涌入流體所需的注氣量更大。

由圖2可知，機(jī)械鉆速與注氣量成正比。機(jī)械鉆速越高，所需的最小注氣量越大。井眼直徑為215.9mm，鉆桿外徑分別為88.9mm、114.3mm，不同水侵入量下其所需最小注氣量對比如圖3所示。

圖3 不同侵入水體積流量下對應(yīng)的最小注氣量

由圖3可知，相同井眼直徑，較小鉆桿外徑的井眼需要的最小注氣量較高。這是因?yàn)殂@桿外徑越小，環(huán)空面積越大，需要越高的注氣量以滿足井眼清潔條件。

巖屑體積流量對最小注氣量的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著巖屑體積流量的增加，所需最小注氣量增加，因?yàn)閹r屑對井筒流體的流動有阻礙作用，降低了攜液效率。為實(shí)現(xiàn)有效的攜液，需要更高的注氣量。從圖4還可看出，隨著井深的增加，巖屑體積流量的影響越顯著。

相同井眼條件下，攜帶相同體積的侵入流體，不同井口回壓下所需的最小注氣量如圖5所示。由圖5可知，增加井口回壓，所需的最小注氣量顯著增加。因此，為有效攜帶出井筒流體應(yīng)保持盡可能低的井口回壓值。

圖4 不同巖屑體積流量對最小注氣量的影響

圖5 井口回壓對最小注氣量的影響

4 結(jié)論

1）模型考慮溫度對表面張力的影響、雷諾數(shù)與球形度對曳力系數(shù)的影響，并引入原油體積分?jǐn)?shù)、地層水體積分?jǐn)?shù)、天然氣體積分?jǐn)?shù)表示溫度、壓力對侵入流體的影響，優(yōu)化氣體鉆井最小注氣量模型，更加符合實(shí)際情況，有效提高了模型預(yù)測精度。

2）模型計(jì)算結(jié)果分析表明，為有效保證井眼清潔，與最小攜液標(biāo)準(zhǔn)相比，同時攜帶巖屑和侵入流體需要更大的注氣量。

3）模型敏感性分析表明，機(jī)械鉆速與注氣量成正比，機(jī)械鉆速越高，最小注氣量越大；相同井眼直徑，鉆桿外徑越小，環(huán)空面積越大，所需最小注氣量越大；環(huán)空巖屑體積流量越大，注氣量越大；增加井口回壓，所需最小注氣量相應(yīng)增加，建議氣體鉆井過程中維持盡可能低的井口回壓。

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［編輯］ 黃鸝

Optimized Model for Predicting Minimum Gas Injection Rate in Gas Drilling

SUN Shihui，YAN Tie，BI Xueliang，ZHANG Dong （First Author' s Address：MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery，Northeast Petroleum University，Daqing163318，Heilongjiang，China）

It was critical important for maintaining an adequate rate of a successful gas drilling operation.To accurately predict the volumetric gas flow，based on verified Tabatabei' s minimum kinetic energy theory and in combination with a method for calculating annulus pressure drawdown that considered the influence of rock cuttings and fluid invasion，a numerical model was established for determining the required minimum gas flow rate for continuously carrying cuttings.The effects of temperature on interfacial tension and Reynolds number and sphericity on drag coefficient were taken into account in modifying minimum kinetic energy theory.Because the required minimum flow rate was determined at surface condition，oil volumetric coefficient，gas volumetric coefficient and the volumetric coefficient of formation water were introduced to represent the impact of temperature and pressure on oil，gas and water.Model calculation results show that a higher gas injection rate is required for continuously carrying cuttings and liquid during gas drilling.And the size of required gas injection rate is related with ROP，annulus area and back-pressure on wellhead.

gas drilling；minimum kinetic energy；minimum gas injection rate；liquid carrying；cutting carrying

TE22

A

1000-9752（2014）04-0086-05

2013-10-10

國家科技重大專項(xiàng) （2011ZX05021-006）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51374077）。

孫士慧 （1986-），女，2008年東北石油大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事氣體鉆井、欠平衡鉆井多相流的研究。