中淺層氮?dú)忏@井可混空氣量臨界值計(jì)算模型及應(yīng)用

周毅　（大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部）

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中淺層氮?dú)忏@井可混空氣量臨界值計(jì)算模型及應(yīng)用

周毅（大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部）

由于氮?dú)忏@井需要制氮設(shè)備造成鉆井成本高，在不發(fā)生燃爆的前提下，應(yīng)用可混空氣臨界濃度計(jì)算模型和編制的計(jì)算軟件計(jì)算確定了可混入空氣的氣量臨界值，并優(yōu)化配置了中淺層儲(chǔ)層氮?dú)忏@井配套設(shè)備，減少氮?dú)庠O(shè)備的使用。通過現(xiàn)場4口井的應(yīng)用，節(jié)約柴油8.8 t，有效降低成本，為氮?dú)忏@井的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用提供了依據(jù)。

中淺層儲(chǔ)層；氮?dú)忏@井；可混空氣臨界值；計(jì)算模型

氣體鉆井具有鉆井速度快，對儲(chǔ)層污染小等優(yōu)點(diǎn)，可用于提高非產(chǎn)層鉆井速度和保護(hù)油氣層。對于儲(chǔ)層應(yīng)用空氣鉆井，為預(yù)防燃爆，可選用氮?dú)忏@井，氮?dú)忏@井需要制氮設(shè)備，成本比空氣鉆井高，為了減少氮?dú)庠O(shè)備的使用，可以在不發(fā)生燃爆的前提下，混合適量的空氣，對混入氣量臨界值的計(jì)算模型進(jìn)行研究。

1　計(jì)算模型

燃燒需要可燃?xì)怏w和助燃?xì)怏w達(dá)到一定的濃度。可燃?xì)怏w是從地層出來，鉆井進(jìn)行中無法控制，助燃?xì)怏w是氧氣，可以控制注入氣體中氧氣含量，可燃?xì)怏w氧氣燃燒臨界濃度按下式計(jì)算：

qn=（10.35-1.68log10P）×10-2×100%（1）式中：P——井底環(huán)空壓力，MPa；

qn——氧氣濃度，%。

式（1）是燃燒所需氧氣濃度計(jì)算公式，根據(jù)井底壓力和氧氣濃度可以確定氮?dú)忏@井能夠混入空氣的氣量。

2　參數(shù)計(jì)算

2.1井底壓力計(jì)算

由于氣體在井眼中高速流過產(chǎn)生較大的壓耗，不同井深壓力不同，其流速也不同，需要求出氣體在不同井深下的壓力，對于等直徑的環(huán)空微元段［1-2］，則：

式中：dP——井底壓力增量；

v——井底氣體流速，m/s；

Dh——井眼直徑，m；

Dp——鉆柱外徑，m；

dZ——井深Z處的壓力增量；

γm——井深Z處混合物重度，N/m3；

f——摩擦系數(shù)。

混合物的重度可由下面公式得到：

式中：ws——固體的質(zhì)量流量，N/s；

wg——?dú)怏w的質(zhì)量流量，N/s；

r——環(huán)空中固體、氣體中質(zhì)量流量比；

ρg——?dú)怏w的密度，kg/m3；

T——井底溫度，℃；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度，℃；

ρs——巖屑密度，kg/m3；

ρ0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體壓力，Pa；

ρg0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體密度，kg/m3；

Qg0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體注入量，m3/s；

νpe——鉆速，m/s。

將式（3）代入式（2）可得：

式中：A——流道橫截面積，m2。

積分（4）式得：

式中：p上——單元上游壓力，Pa；

p下——單元下游壓力，Pa；

Z——井段長度，m。

2.2可混空氣量臨界值計(jì)算

制氮設(shè)備產(chǎn)出的氮?dú)舛加幸欢ǖ暮趿浚鯘舛葹閝n1，氮?dú)馀帕繛镼n，可混空氣量為Qa，則：

式（1）帶入式（6）得出可混空氣量臨界值為

式中：Qa——可混空氣量，m3/min；

Qn——氮?dú)馀帕浚琺3/min；

qn1——含氧濃度，%。

根據(jù)建立的可混空氣量臨界值數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用VB6.0（Visual Basic）語言，編制了中淺層氮?dú)忏@井可混入空氣量臨界值計(jì)算軟件。該軟件由參數(shù)輸入、計(jì)算以及結(jié)果輸出3個(gè)模塊組成，能夠計(jì)算不同井深、井眼尺寸條件下中淺層氮?dú)忏@井可混入空氣量臨界值。圖1為1500 m井深注入正常壓力不同氮?dú)馀帕靠苫炜諝饬颗R界值計(jì)算結(jié)果。在確保井下不發(fā)生燃爆前提下，通過對中淺層氮?dú)忏@井可混入空氣量臨界值進(jìn)行優(yōu)化，即使用3套膜制氮裝備在60 m3/min排量的基礎(chǔ)上，只需增加22 m3/min空氣排量，達(dá)到混合氣體82 m3/min排量便可滿足中淺層氮?dú)忏@井井底攜巖要求，只需1臺(tái)空壓機(jī)。

圖1　中淺層氮?dú)忏@井可混空氣量臨界值計(jì)算結(jié)果

3　現(xiàn)場應(yīng)用

利用中淺層氮?dú)忏@井可混空氣量臨界值數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，采用3套膜制氮裝備、1臺(tái)空壓機(jī)設(shè)備組合方式，以82 m3/min注氣量在 Y195-67、Y199-64、F16-X48、F175-X148共4口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，比原來減少了2臺(tái)空壓機(jī)，節(jié)約空壓機(jī)使用8臺(tái)/d，共節(jié)省柴油消耗8.8 t，有效地降低鉆井成本。

4　結(jié)論

1）應(yīng)用助燃?xì)怏w臨界濃度計(jì)算模型和井底壓力計(jì)算公式，編制了計(jì)算軟件確定氮?dú)忏@井可混入空氣臨界值，優(yōu)化了中淺層儲(chǔ)層氮?dú)忏@井配套設(shè)備。

2）采用優(yōu)化后中淺層儲(chǔ)層氮?dú)忏@井配套設(shè)備進(jìn)行了4口井現(xiàn)場應(yīng)用，共節(jié)省柴油消耗8.8 t，有效地降低鉆井成本，同時(shí)為氮?dú)忏@井的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用提供依據(jù)。

［1］楊毅，齊彬，黃琳，等.氮?dú)忏@井與篩管完井在中淺油層開采中的利用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，40（10）：5-8.

［2］楊決算.儲(chǔ)層氮?dú)鈱４蚣夹g(shù)在大慶油田的應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2012，29（4）：38-40.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.002

2016-07-28

（編輯莊景春）

周毅，工程師，2005年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），（勘查技術(shù)與工程專業(yè)），現(xiàn)從事鉆探HSE工作，E-mail：jx_zhouy1@163.com，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)乘風(fēng)南路10號(hào)大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部，163411。