氣體鉆井臨界攜水量計算

摘 要

摘要：地層出水是制約氣體鉆井順利實施的一個瓶頸，準確計算一定注氣量下的臨界攜水量對于氣體鉆井現場安全施工、避免井下復雜至關重要。基于最小動能標準建立了計算氣體鉆井臨
摘要：地層出水是制約氣體鉆井順利實施的一個瓶頸，準確計算一定注氣量下的臨界攜水量對于氣體鉆井現場安全施工、避免井下復雜至關重要。基于最小動能標準建立了計算氣體鉆井臨界攜水量的數學模型，該模型綜合考慮了地層出水后環空多相流動狀態，利用該模型可確定氣體鉆井注氣量和臨界攜水量的對應關系。計算結果表明：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；當增加注氣量不能滿足攜水要求時，必須轉換鉆井方式，通過降低液氣表面張力來提高臨界攜水量；氣體鉆井臨界攜水量計算需兼顧攜帶巖屑和攜水兩個要求，當所需的最小攜水動能等于最小攜帶巖屑動能時，液氣表面張力達到極值，進一步降低液氣表面張力失去意義。實例驗證表明，該研究成果能夠用于指導氣體鉆井現場實踐，為地層出水后氣體鉆井轉換鉆井方式提供了理論依據。
關鍵詞：氣體鉆井；地層出水；臨界攜水量；注氣量；最小動能
0 引言
    地層出水是影響氣體鉆井順利實施的一大障礙。地層出水后，若處理不當，將影響井眼凈化和井壁穩定，出現井下復雜情況[1～2]。目前有關氣體鉆井地層出水后臨界攜水量的計算，國內還處于探索階段[3]，現場主要依靠經驗進行處理，沒有形成明確的定量指導方法。筆者綜合考慮了地層出水后環空多相流動狀態，基于最小動能標準建立了計算氣體鉆井臨界攜水量的數學模型，以期得到氣體鉆井注氣量和臨界攜水量的對應關系，用于指導氣體鉆井現場實踐，為地層出水后鉆井方式的轉換提供理論依據。
1 數學模型
1.1 最小攜水動能的求解
氣體的攜帶能力表達式[4～5]：
 
式中：Ek為氣體動能，J/m3；ρg為氣體密度，kg/m。；vg為氣體速度，m/s。
在氣體鉆井環空上升流動中，作用在液滴上的力主要有向下的重力和向上的牽引力。當這兩個力相等時，自由下落的液滴速度達到臨界值。學者Turner建立的預測臨界速度的數學模型[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。
將式(2)帶入式(1)，取Cd=0.44，忽略氣體密度的影響(ρg＜＜ρL)，得到：
 
式中：Ekm為最小攜水動能，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
 vgm=vsl+vtr     (4)
    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及臨界韋伯數的影響，即
    vgm≈1.2vsl    (5)
將式(5)和式(2)帶入式(1)，得到：
 
1.2 實際工況下氣體攜水動能的計算
氣體密度(ρg)、速度(vg)計算如下
 
將式(7)和式(8)帶入式(1)，得到：
 
式中：Sg為氣體的相對密度；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為環空橫截面積，m2。
上式需要準確計算環空壓力，井深H處的流動壓力通過下式計算：
其中：
 
式中：ps為地面環境壓力，MPa；Ts為地面溫度，K；G為地溫梯度，K/m；So為巖屑相對密度；Ss為地層油相對密度；Sw為地層水相對密度；Qo為出油量，m3/h；Qw為出水量，m3/h；Rp為機械鉆速，m/h；db為鉆頭直徑，m；dh為環空水力直徑，m；s為井眼的平均粗糙度，m；f為井眼摩阻系數；g為重力加速度，m/s2。
2 計算分析
    將液氣表面張力和液體的密度值分別帶入式(3)和式(6)，結果見表1。
表1 兩種模型下所需的最小攜液動能和最小攜帶巖屑動能[7]對比表    J/m3
地層出液類型
最小攜液動能
最小攜巖動能
Turner理論
本文研究結果
水
118.5
170.6
144
油
56.9
81.9
144
注：σ水-氣=O.06 N/m；ρ水=1042kg/m3；σ油-氣=0.02N/m；ρ油=72.1kg/m3。
    1) 從表1可看出，采用Turner理論計算的最小攜水動能低于最小攜帶巖屑動能，即只要滿足提供的動能高于最小攜帶巖屑動能，攜水將不存在問題，但根據氣體鉆井現場實施情況來看，地層出水后攜水比攜帶巖屑更棘手。
    2) 對于地層出油，不管是基于Turner理論還是根據本文結果，最小攜油動能遠低于最小攜水動能和最小攜帶巖屑動能，說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突出的問題。
    3) 式(6)表明地層出水時，降低液氣表面張力，進而降低攜水所需的最小動能以滿足井眼凈化是一種有效途徑。但鉆井現場液氣表面張力僅能降低到某個水平，并不能無限制的降低。現場只要提供的最小攜水動能和最小攜帶巖屑動能相等，即可按照最小攜帶巖屑動能標準進行臨界攜水量計算。
3 應用實例
3.1 基本參數
    某井鉆至井深2970m，下Ø244.5mm技術套管固井。2970～3600m井段，由于地層可鉆性差、研磨性強、機械鉆速低、蹩跳鉆嚴重以及地層傾角大、井斜無法控制等因素，采用空氣鉆井。鉆具組合為：Ø215.9mm鉆頭+Ø165mm箭形單流閥+Ø158mm鉆鋌×2+Ø214mm扶正器+Ø158mm鉆鋌×13+Ø127mm鉆桿×若干+Ø127mm鉆桿(18°)×300m+Ø165mm下旋塞+Ø165mm箭形單流閥+Ø165mm下旋塞+Ø133.4mm六棱方鉆桿。地面環境溫度為20℃；地溫梯度為2.2℃/100m，井口回壓為0.1MPa，地層水相對密度為1.04，巖屑相對密度為2.6，該井段平均機械鉆速為4.72m/h，設計注氣量為70m3/min。
3.2 計算結果及分析
計算結果表明，模擬計算井深3600m、當地層不出水時，需最小注氣量為67.06m3/min，與設計注氣量70m3/min相吻合(見圖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，與理論分析結論一致。當地層出水量較大以致通過增加注氣量無法正常攜水時，必須轉換鉆井方式，通過向氣流中連續泵入含有一定表面活性物質的霧化液，充分乳化地層水，降低地層水的表面張力，提高臨晃攜水量，即空氣鉆井轉化為霧化鉆井。如圖1所示，當注氣量為76.31m3/min時，l臨界攜水量為3m3/h。通過加入表面活性劑降低表面張力至0.04N/m，同樣采用76.31m3/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1OO%，顯著地提高了臨界攜水能力。
 
4 結論
    1) 基于最小動能標準建立了計算氣體鉆井臨界攜水量的數學模型，模型考慮了地層出水后環空多相流動狀態，計算結果更符合現場實際。
    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突出問題。
    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；當增加注氣量不能有效攜水時，必須轉換鉆井方式，通過降低液氣表面張力來提高臨界攜水量。
參考文獻
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[3] 王存新，孟英鋒，鄧虎，等.氣體鉆井注氣量計算方法研究進展[J].天然氣工業，2006，26(12)：97-99.
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[5] TABATABAEI M，GHALAMBOR A，GUO A. The minimum required gas-injection rate for liquid removal in air/gas drilling[R].SPE 116135，Colorado，USA：SPE，2008.
[6] TURNER R G，HUBBARD M G，DUKLER A E. Analysis and prediction of minimum flow rate for the continuous removal of liquids from gas wells[J].JPT，AIME，Nov 1969：246.
[7] GUO B，GHALMBOR A. Gas volume requirements for underbalanced drilling：deviated holes[M].Tulsa：Penn Well，2002.
 
(本文作者：代鋒1 李黔1 梁海波1 胡學明2 徐曉蓉3 張光華1 1.西南石油大學；2.川慶鉆探工程公司塔里木工程公司；3.中國石化勝利油田分公司魯明石油開發有限責任公司)