氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計及軟件開發(fā)

胡 靖，鄭雙進，曾 勇 （長江大學石油工程學院，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、保護油氣層、降低鉆井綜合成本等諸多優(yōu)勢，在國內外應用越來越廣泛。在氣體鉆井過程中，由于環(huán)空氣體流動規(guī)律與攜巖機理較為復雜，施工現場多根據經驗確定注氣參數，如果注氣量不足，攜巖不干凈會造成井筒堵塞，鉆井無法繼續(xù)；如果注氣量過大，又勢必造成浪費，增加鉆井成本。因此，對氣體鉆井流體流動規(guī)律和井筒壓力分布規(guī)律進行系統(tǒng)深入的研究，形成一套科學、準確的氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計方法，對于保證環(huán)空攜巖效果、充分發(fā)揮氣體鉆井技術優(yōu)勢具有重要的實際意義。下面，筆者通過對氣體鉆井流體力學模型的研究，確定了氣體鉆井井筒壓力計算方法與注氣參數設計流程，開發(fā)了一套氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計軟件，并結合中原油田某井實際工況，分析了井口回壓、機械鉆速、井徑擴大率、氣體密度對氣體鉆井注氣流量的影響規(guī)律。

1 氣體鉆井環(huán)空攜巖關鍵點

氣體鉆井時，氣體從鉆柱頂端注入，沿鉆柱內向下流動，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。當氣體攜帶巖屑在環(huán)空中上返至鉆鋌頂部等處時，環(huán)空面積突然擴大，氣體流速減小，根據氣體對巖屑顆粒的拖曳力計算公式可知，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，由于氣體具有較強的可壓縮性，氣體在上返到該處時會發(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鍵點，氣體鉆井最小氣體流量就是以此點為標準進行確定的[1]。根據鉆井現場應用情況，筆者結合Angel最小動能模型，并充分考慮管柱和井眼的粗糙度計算氣體鉆井最小注氣量，計算結果更為接近現場實際[2]。

2 氣體鉆井井筒壓力計算

氣體鉆井循環(huán)壓力由壓風機或增壓機提供，因此準確計算氣體鉆井循環(huán)壓力是進行氣體設備配置的理論依據。

2.1 環(huán)空壓耗計算

由環(huán)空氣體流動方程可知，對于等直徑的環(huán)空微元段dh，假設氣體流速不變，由動量守恒方程可得：

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；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 鉆桿壓耗計算

根據鉆桿中的氣體流動方程，在忽略等直徑微元段dh內氣體流速變化的基礎上，可得鉆桿壓耗計算式[3]：

式中，γ為氣體重度，N／m3；Di為鉆桿內徑，m。

3 氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計

設計氣體鉆井注氣參數時，先假設一環(huán)空出口返氣量，并估計在Δh段內的壓力增量Δp1，認為該段流體處于相同溫度和壓力下，根據理想氣體狀態(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段內的壓力增量dp1。如果｜dp1-Δp1｜滿足精度要求ε，則將計算結果與上一段的壓力值相加，計算轉移到下一段Δh，重復上一段計算模式。如果｜dp1-Δp1｜不滿足精度要求ε，需要重新估計Δp1，計算Δh段內的壓力增量dp1，直到精度滿足要求。如此計算到攜巖關鍵點，然后根據最小動能模型理論，判斷環(huán)空攜巖關鍵點處的氣體動能是否滿足攜巖要求，如果不滿足要求，重新假設環(huán)空出口返氣量，在初值基礎上加上或減去一個小值ΔQ，重復上述步驟，按空間步長Δh迭代計算過程重新計算至攜巖關鍵點處，直到攜巖關鍵點處氣體動能滿足攜巖要求為止。環(huán)空計算結束后，計算鉆頭壓降，最后在鉆柱內按空間步長Δh迭代計算至井口，求得井口注氣量和注氣壓力。

4 氣體鉆井軟件開發(fā)與應用實例

以氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計模型為基礎，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優(yōu)化設計軟件，并用多口井現場數據進行了實算。以中原油田某井為例，其設計井深3200m，二開套管下深1500m，套管外徑244.5mm，三開鉆頭直徑215.9mm，鉆柱結構為?177.8mm鉆鋌×150m＋?139.7mm鉆桿×3050m，從1700m深處采用氣體鉆井技術，井口回壓0.11MPa，預計機械鉆速10m／h，井徑擴大系數0.2，利用軟件進行計算，并分析說明了井口回壓、機械鉆速、井徑擴大率、氣體密度對氣體鉆井注氣流量的影響規(guī)律。

4.1 注氣參數設計結果分析

利用開發(fā)的氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計軟件進行計算，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，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 注氣參數影響因素分析

1）井口回壓對注氣量的影響 氣體鉆井過程中，井口回壓對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）機械鉆速對注氣量的影響 氣體鉆井過程中，機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，機械鉆速增大，巖屑濃度增大，為安全有效地攜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 注氣流量隨機械鉆速變化曲線

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

4）氣體密度對注氣量的影響 氣體鉆井過程中，氣體密度對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 注氣流量隨井徑擴大率變化曲線

圖6 注氣流量隨氣體密度變化曲線

5 結 論

1）根據鉆井現場應用情況，結合Angel最小動能模型，并充分考慮管柱和井眼的粗糙度計算氣體鉆井最小注氣量，計算結果更為接近現場實際。

2）以氣體鉆井氣體流動研究為基礎，綜合考慮井口回壓、機械鉆速、井徑擴大率、氣體密度等因素的影響，提出了一套氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計方法。

3）根據氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計方法開發(fā)了一套氣體鉆井注氣參數優(yōu)化設計軟件，并結合中原油田某井為例進行了實算，計算結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[M].北京：中國石化出版社，2006：162-203.

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