气体钻井携带液体最小注气量计算.pdf

天然气技术 摘要气体钻井是以空气或氮气作为循环相把钻屑和液滴带到地面的钻井技术 井筒出水未带出的液滴与 钻屑混合形成的泥环 会导致岩屑和液体在井底聚集并降低渗透率 影响油气产量 因此 准确预测能携带岩屑 和液体的最小注气量是目前亟待解决的问题 基于Boyun Guo的井底压力四相流模型和携带液体最小动能理论 并引入Qian Fang考虑的雷诺数和液滴球形度的滑脱系数理论 建立了求解气体钻井中携带液体的最小注气量方 程 注气量计算结果与现场实测数据非常接近 并得出了相比仅携带固体钻屑 同时携带固体钻屑和液滴所需注 气量更大的结论 关键词气体钻井压力携带液体滑脱系数注气量 气体钻井携带液体最小注气量计算 庞东豪 1 袁骐骥 2 周开吉 2 李勇政 3 1 中海石油能源发展监督监理技术分公司 天津300452 2 油气藏地质及开发工程 国家重点实验室 西南石油大学 四川成都610500 3 中国石油川庆钻探工程有限公司川东钻探公司 重庆400021 收稿日期 2010 03 08修订日期 2010 08 29 本文为中国石化工程技术导向项目 四川地区低可钻性地层气体钻井提速试验 编号 G0800 07 KK 121 的研究成果 作者简介 庞东豪 1981 硕士 从事钻井工程方面的研究工作 E mail 39313597 中图分类号 TE242 7文献标识码 A Vol 4 No 5 Oct 2010 doi 10 3969 j issn 1673 9035 2010 05 012 天 然 气 技 术 Natural Gas Technology 2010年 第4卷 第5期 文章编号 1673 9035 2010 05 0035 03 0引言 气体钻井是以空气或氮气作为循环相把钻屑和 液滴带到地面的钻井技术 当井筒出水或出油时 由于液体速度较慢 未带出的液滴与钻屑混合就可 能形成泥环 泥环抑制了液体流动并增大了井底压 力和液体浓度 从而降低了流速和携岩能力 导致 岩屑聚集 同时 当钻遇导致压差明显降低的潮湿 地层时 由于携带液体的能力不足 液体也可能在 井底聚集并降低渗透率 1 4 因此 确定既能携带岩 屑又能携带液体的注气量就显得非常重要 Boyun Guo等在2002年的著作中确定了气体钻井 的最小注气量 并且发展了计算井底压力的四相流 模型 5 1四相流模型 为了确定井下环境气体的性质 需要准确预测 井底压力 Boyun Guo等在2006年已经研究出1个气 油 水 固四相混合流模型 根据这个模型 井 深L处的压力可由下式得出 书书书 槡 槡 槡 1 其中 书书书 2 书书书 3 书书书 4 书书书 5 书书书 6 天然气技术 35 Natural Gas Technology 书书书 7 书书书 8 书书书 9 式中p为井深L处的环空压力 Pa phf为套管压力 Pa L为计算井深 m Ss为岩屑的重度 kgf m3 Qs为钻屑产生的速度 m3 s Sw为地层产水的重 度 kgf m3 Qw为地层产水的速度 m3 s So为地 层产油的重度 kgf m3 Qo为地层产油的速度 m3 s Sg为注入气体的重度 kgf m3 Qg为注气 量 m3 s 为井斜角 Tav为平均温度 K Ai 为流道横截面积 m2 Dh为井眼直径 m g为重力 加速度 m s2 f为摩阻系数 为钻柱和套管的 绝对粗糙度 m 2气体的最小动能 单位体积气体的动能可由下式表示 书书书 10 式中 Ek为单位体积气体的动能 J g为气体的密 度 kg m3 vg为气体的速度 m s gc为单位转换 因子 要计算能持续把液滴带到地面所需的最小动 能 须求出所需气体的最小速度 液滴在环空主要受到向下的重力和气流向上的 拉力 当拉力等于重力时 在气流中自由下落的液 滴就达到1个最终沉降速度 Turner等在1969年研 究的携带钻屑模型预测了此速度 钻屑最终沉降速 度为 书书书 11 式中vsl为钻屑最终沉降速度 m s 为界面张力 N m L为液体密度 kg m3 Cd为滑脱系数 根据研究 携带液滴到地面的最小气体速度vgm 可表达为 vgm 1 2 vsl 12 上接第21页 精细处理技术的剖面 由图可见 新 剖面浅 中 深层信噪比均优于老剖面 目的层同 向轴连续性更好 特别是浅层反射从无到有 浅层 背斜构造明显 剖面构造与地面地质构造完全吻 合 细节清楚 深层T8反射由弱变强 可连续追踪 4结论与认识 1 通过对地震地质条件的分析 利用双套激发 技术和配套浅层精细处理技术 对迪那3号构造进行 了地震勘探及资料处理 结果显示 剖面各层信噪 比 目的层同向轴连续性较以往地震处理结果均有 明显改善 浅层反射从无到有 浅层背斜构造明 显 剖面构造与地面地质构造完全吻合 细节清 楚 深层T8反射由弱变强 可连续追踪 该处理结 果为该地区的勘探开发提供了重要的基础资料 对 类似地区的地震勘探具有指导意义 2 双套激发技术是采集浅层资料的核心技术 浅层精细处理技术是提高浅层成像的关键技术 两 种技术的配套使用是搞清类似迪那3高陡复杂构造的 重要技术措施 具有广阔的推广应用前景 参考文献 1 邓志文 倪宇东 陈学强 等 复杂山地三维地震勘探采 集技术 J 石油物探 2002 41 1 15 22 2 凌云 塔里木盆地山地地震勘探技术 J 中国石油勘 探 2003 8 1 25 31 3 吴云海 天山南部亚肯北地区三维地震勘探采集技术 J 石油物探 2004 43 4 380 383 4 徐峰 马在田 库车坳陷盐下含油气构造地震勘探的关键 技术 J 天然气工业 2003 23 3 31 34 5 陆基孟 地震勘探原理 M 石油大学出版社 1991 6 李庆忠 走向精确勘探的道路 M 石油工业出版社 1993 7 俞寿朋 高分辨率地震勘探 M 石油工业出版社 1993 8 凌云 激发药量与药型分析 J 石油地球物理勘探 2001 36 5 350 357 9 杨春峰 卢桂岚 王庆 等 浅层复杂构造地震资料高精 度处理关键技术 J 江汉石油学院学报 2009 3 2 263 265 编辑 胡应富 第4卷第5期庞东豪 等 气体钻井携带液体最小注气量计算 36 天然气技术 将式 11 和 12 代入式 10 可得最小动能 书书书 槡 13 Cd是1个与雷诺数NRe和球形度 相关的参数 为球体表面积与同体积的不规则颗粒的表面积之 比 根据Qian Fang等的研究 运动中液滴的形状是 圆盘状 为不规则的球形 环空液滴的Cd确定为 书书书 14 其中 A 2 295 4 2 262 6 4 439 5 2 2 982 5 3 B 0 419 3 1 901 4 3 341 6 2 2 040 9 3 C 0 111 7 0 055 3 0 146 8 2 0 114 5 3 15 书书书 书书书 16 式中De为液滴的最大等值直径 m g为气体的黏 度 Pa s 3以最小动能法确定最小注气量 根据式 1 可求得井下气体的密度和速度 书书书 17 书书书 18 式中T为计算井深处的温度 K 将式 17 和 18 代入式 10 得出井下气体的动 能 书书书 19 当井下气体的动能为最小动能Ekm 则Qg为携带 液体的最小注气量Qgm 即 书书书 20 将p代入式 20 即可求出井底最小注气量Qgm 由此再通过气体状态方程求得井口的最小注气 量 书书书 21 式中Qgm0为井口的最小注气量 m3 s T0为井口温 度 K p0为井口压力 Pa 4现场应用实例 用此方法计算某气田某井空气钻井所需的注气 量 参数为 井深 直井 3 370 m 井眼直径为 0 216 m 钻杆外直径为0 127 m 钻铤长度为241 2 m 钻速为 0 006 39 m s 井底环境温度为 298 62 K 井口温度为 290 44 K 温度梯度为 0 03 K m 当地大气压为 94 675 Pa 地层出水量为 0 000 694 m3 s 地层水密度为1 056 8 kg m3 地层产油的速 度为0 岩屑颗粒密度为2 700 kg m3 标态下的空 气密度为1 205 kg m3 计算结果得出携带液体的最 小井口注气量为1 389 m3 s 与现场的数据非常接 近 5结论 1 相比仅携带固体钻屑 持续同时携带固体钻 屑和液滴所需的注气量更大 2 基于Boyun Guo携带液体的最小动能理论 引入Qian Fang考虑雷诺数和液滴球形度的滑脱系数 理论 建立了气体钻井中携带液体的最小注气量方 程 3 运动中液滴的形状是圆盘状 其球形度小于 1 滑脱系数也不是常数0 44 由此算出的注气量与 以往研究的结果有所不同 参考文献 1 苏义脑 周川 窦修荣 空气钻井工作特性分析与工艺参 数的选择研究 J 石油勘探与开发 2005 32 2 86 90 122 2 庞东豪 袁骐骥 空气钻井携岩及防燃爆最小注气量计算 方法 J 天然气工业 2009 29 3 62 64 3 柳贡慧 刘伟 计算空气 氮气钻井最小气体体积流量 的新方法 J 石油学报 2008 29 4 629 632 4 ANGEL R R Volume requirements for air or gas drillin