氣體鉆井臨界攜水量計(jì)算

摘 要

摘要：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
摘要：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。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，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(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)。
關(guān)鍵詞：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/m。；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(ρg＜＜ρL)，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
 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(shù)及臨界韋伯?dāng)?shù)的影響，即
    vgm≈1.2vsl    (5)
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；So為巖屑相對(duì)密度；Ss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；s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
地層出液類型
最小攜液動(dòng)能
最小攜巖動(dòng)能
Turner理論
本文研究結(jié)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(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，攜水將不存在問題，但根據(jù)氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況來看，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Ø244.5mm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(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^大以致通過增加注氣量無法正常攜水時(shí)，必須轉(zhuǎn)換鉆井方式，通過向氣流中連續(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，提高臨晃攜水量，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)，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(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，通過降低液氣表面張力來提高臨界攜水量。
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(本文作者：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.中國石化勝利油田分公司魯明石油開發(fā)有限責(zé)任公司)