氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)

胡 靖，鄭雙進(jìn)，曾 勇 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北荊州434023）

氣體鉆井是一種重要的欠平衡鉆井方式，具有提高鉆速、保護(hù)油氣層、降低鉆井綜合成本等諸多優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)外應(yīng)用越來越廣泛。在氣體鉆井過程中，由于環(huán)空氣體流動(dòng)規(guī)律與攜巖機(jī)理較為復(fù)雜，施工現(xiàn)場(chǎng)多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定注氣參數(shù)，如果注氣量不足，攜巖不干凈會(huì)造成井筒堵塞，鉆井無法繼續(xù)；如果注氣量過大，又勢(shì)必造成浪費(fèi)，增加鉆井成本。因此，對(duì)氣體鉆井流體流動(dòng)規(guī)律和井筒壓力分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，形成一套科學(xué)、準(zhǔn)確的氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)于保證環(huán)空攜巖效果、充分發(fā)揮氣體鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)具有重要的實(shí)際意義。下面，筆者通過對(duì)氣體鉆井流體力學(xué)模型的研究，確定了氣體鉆井井筒壓力計(jì)算方法與注氣參數(shù)設(shè)計(jì)流程，開發(fā)了一套氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，并結(jié)合中原油田某井實(shí)際工況，分析了井口回壓、機(jī)械鉆速、井徑擴(kuò)大率、氣體密度對(duì)氣體鉆井注氣流量的影響規(guī)律。

1 氣體鉆井環(huán)空攜巖關(guān)鍵點(diǎn)

氣體鉆井時(shí)，氣體從鉆柱頂端注入，沿鉆柱內(nèi)向下流動(dòng)，通過鉆頭或噴嘴后在井底攜帶巖屑，從環(huán)空中向上返出地面。當(dāng)氣體攜帶巖屑在環(huán)空中上返至鉆鋌頂部等處時(shí)，環(huán)空面積突然擴(kuò)大，氣體流速減小，根據(jù)氣體對(duì)巖屑顆粒的拖曳力計(jì)算公式可知，拖曳力與氣體密度和速度平方成正比，所以氣體對(duì)巖屑顆粒的舉升力減小，攜巖能力降低。另外，由于氣體具有較強(qiáng)的可壓縮性，氣體在上返到該處時(shí)會(huì)發(fā)生較大的膨脹，在該處存在能量損失，也影響了氣體的攜巖能力。工程上一般將這類位置視為攜巖關(guān)鍵點(diǎn)，氣體鉆井最小氣體流量就是以此點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定的[1]。根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，筆者結(jié)合Angel最小動(dòng)能模型，并充分考慮管柱和井眼的粗糙度計(jì)算氣體鉆井最小注氣量，計(jì)算結(jié)果更為接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際[2]。

2 氣體鉆井井筒壓力計(jì)算

氣體鉆井循環(huán)壓力由壓風(fēng)機(jī)或增壓機(jī)提供，因此準(zhǔn)確計(jì)算氣體鉆井循環(huán)壓力是進(jìn)行氣體設(shè)備配置的理論依據(jù)。

2.1 環(huán)空壓耗計(jì)算

由環(huán)空氣體流動(dòng)方程可知，對(duì)于等直徑的環(huán)空微元段dh，假設(shè)氣體流速不變，由動(dòng)量守恒方程可得：

式中，dp為環(huán)空微元段dh的壓耗，N／m2；γmix為混合物重度，N／m3；f為摩擦系數(shù)；v為流體返速，m／s；g為重力加速度，m／s2；Dh為井眼直徑，m；Dp為鉆桿外徑，m。

2.2 鉆桿壓耗計(jì)算

根據(jù)鉆桿中的氣體流動(dòng)方程，在忽略等直徑微元段dh內(nèi)氣體流速變化的基礎(chǔ)上，可得鉆桿壓耗計(jì)算式[3]：

式中，γ為氣體重度，N／m3；Di為鉆桿內(nèi)徑，m。

3 氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)氣體鉆井注氣參數(shù)時(shí)，先假設(shè)一環(huán)空出口返氣量，并估計(jì)在Δh段內(nèi)的壓力增量Δp1，認(rèn)為該段流體處于相同溫度和壓力下，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，求得h＋Δh處的氣體流量，然后由環(huán)空壓耗方程求得Δh段內(nèi)的壓力增量dp1。如果｜dp1-Δp1｜滿足精度要求ε，則將計(jì)算結(jié)果與上一段的壓力值相加，計(jì)算轉(zhuǎn)移到下一段Δh，重復(fù)上一段計(jì)算模式。如果｜dp1-Δp1｜不滿足精度要求ε，需要重新估計(jì)Δp1，計(jì)算Δh段內(nèi)的壓力增量dp1，直到精度滿足要求。如此計(jì)算到攜巖關(guān)鍵點(diǎn)，然后根據(jù)最小動(dòng)能模型理論，判斷環(huán)空攜巖關(guān)鍵點(diǎn)處的氣體動(dòng)能是否滿足攜巖要求，如果不滿足要求，重新假設(shè)環(huán)空出口返氣量，在初值基礎(chǔ)上加上或減去一個(gè)小值ΔQ，重復(fù)上述步驟，按空間步長Δh迭代計(jì)算過程重新計(jì)算至攜巖關(guān)鍵點(diǎn)處，直到攜巖關(guān)鍵點(diǎn)處氣體動(dòng)能滿足攜巖要求為止。環(huán)空計(jì)算結(jié)束后，計(jì)算鉆頭壓降，最后在鉆柱內(nèi)按空間步長Δh迭代計(jì)算至井口，求得井口注氣量和注氣壓力。

4 氣體鉆井軟件開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例

以氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，在Microsoft Windows的環(huán)境下，采用VB 6.0編程語言開發(fā)了一套氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，并用多口井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)算。以中原油田某井為例，其設(shè)計(jì)井深3200m，二開套管下深1500m，套管外徑244.5mm，三開鉆頭直徑215.9mm，鉆柱結(jié)構(gòu)為?177.8mm鉆鋌×150m＋?139.7mm鉆桿×3050m，從1700m深處采用氣體鉆井技術(shù)，井口回壓0.11MPa，預(yù)計(jì)機(jī)械鉆速10m／h，井徑擴(kuò)大系數(shù)0.2，利用軟件進(jìn)行計(jì)算，并分析說明了井口回壓、機(jī)械鉆速、井徑擴(kuò)大率、氣體密度對(duì)氣體鉆井注氣流量的影響規(guī)律。

4.1 注氣參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

利用開發(fā)的氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算，不同井深處的注氣流量和注氣壓力如圖1和圖2所示。在1700m～3200m的氣體鉆井施工段內(nèi)，注氣流量和注氣壓力隨井深增大而增大。

圖1 注氣流量隨井深變化曲線

圖2 注氣壓力隨井深變化曲線

4.2 注氣參數(shù)影響因素分析

1）井口回壓對(duì)注氣量的影響 氣體鉆井過程中，井口回壓對(duì)井底壓力有著較為顯著的影響。在其他條件不變的情況下，井口回壓增大，需要注入的氣體流量減小，如圖3所示。

2）機(jī)械鉆速對(duì)注氣量的影響 氣體鉆井過程中，機(jī)械鉆速大小直接影響著環(huán)空巖屑濃度。在其他條件不變的情況下，機(jī)械鉆速增大，巖屑濃度增大，為安全有效地?cái)y巖需要注入的氣量增大，如圖4所示。

圖3 注氣流量隨井口回壓變化曲線

圖4 注氣流量隨機(jī)械鉆速變化曲線

3）井徑擴(kuò)大率對(duì)注氣量的影響 氣體鉆井過程中，井徑擴(kuò)大率對(duì)注氣流量有著較為顯著的影響。在其他條件不變的情況下，井徑擴(kuò)大率增大，環(huán)空面積增大，氣體流速減小，氣體動(dòng)能減小，為安全有效地?cái)y巖需要注入的氣體流量增大，如圖5所示。

4）氣體密度對(duì)注氣量的影響 氣體鉆井過程中，氣體密度對(duì)注氣流量有著較為顯著的影響。氣體密度越大，在其他條件不變的情況下，氣體動(dòng)能越大，越有利于攜帶巖屑，因此需要注入的氣體流量減小，如圖6所示。

圖5 注氣流量隨井徑擴(kuò)大率變化曲線

圖6 注氣流量隨氣體密度變化曲線

5 結(jié) 論

1）根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，結(jié)合Angel最小動(dòng)能模型，并充分考慮管柱和井眼的粗糙度計(jì)算氣體鉆井最小注氣量，計(jì)算結(jié)果更為接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

2）以氣體鉆井氣體流動(dòng)研究為基礎(chǔ)，綜合考慮井口回壓、機(jī)械鉆速、井徑擴(kuò)大率、氣體密度等因素的影響，提出了一套氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

3）根據(jù)氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法開發(fā)了一套氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，并結(jié)合中原油田某井為例進(jìn)行了實(shí)算，計(jì)算結(jié)果滿足工程精度要求。

[1]趙業(yè)榮，孟英峰.氣體鉆井理論與實(shí)踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007：16-32.

[2]曾義金，樊洪海譯.氣體和氣體鉆井手冊(cè)[M].北京：中國石化出版社，2006：162-203.

[3]楊虎，王利國.欠平衡鉆井基礎(chǔ)理論與實(shí)踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009：34-46.