氮氣鉆井安全攜巖最小注氣量計算

吳霞

摘? 要：氮氣體鉆井中，如果環空中氣體返速過低，則巖屑會落向井底，并在井內形成堆積，造成堵塞現象的發生，致使氮氣鉆井作業無法正常進行。采用最小速度法對XX井三開氮氣鉆井時氮氣注入量進行計算，得到攜帶不同粒徑巖屑（1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm）時所需要的最小注氣量分別為60.020m3/min、83.546m3/min、100.900m3/min、114.969m3/min、126.891m3/min、137.260m3min，設計井注氣量設計為90～150m3/min，實際現場氮氣鉆井時注氣量為100m3/min，施工狀況良好，滿足攜帶巖屑需求。

關鍵詞：氮氣鉆井 安全攜巖 最小注氣量 計算

氮氣鉆井是利用氮氣、作為循環介質，通過特殊的設備（如壓風機和增壓器）將氣體注入鉆柱的鉆井工藝。其氮氣作為鉆井循環介質，能從根本上避免常規鉆井技術發生儲層損害的物質基礎。不僅能避免固相堵塞和液相侵入引起的敏感性損害，還能徹底克服鉆井液濾液侵入引起的水鎖損害，有效保護基塊孔隙和裂縫。鉆進過程中地層流體迅速流入井筒，可為及時發現和準確評價油氣層提供最直接的地質信息，同時避免井漏和壓差卡鉆等井下復雜情況的發生。此外，鉆開儲層后通常采用裸眼完井，能避免固井、射孔和增產帶來的二次損害和作業施工費用，還能夠提高鉆速，縮短建井周期，降低作業成本。在致密砂巖儲層開發中，氮氣鉆井技術和水平井鉆井技術及大斜度鉆井技術的結合應用，能夠大幅提高單井產能，是實現“零傷害”解放儲量的有效方式。

在氮氣鉆井過程中，如果環空中的氣體返速過低，那么巖屑就會落向井底，并且在井內形成堆積，造成堵塞，導致氣體鉆井無法正常順利進行。因此氮氣鉆井的關鍵技術在于設計合理的注入氣體的體積流量，以便選擇合適的地面裝備和準確預計井底壓力及地面注入壓力。當前進行氮氣鉆氣體流量的具有代表性的計算方法主要有最小動能法、最小速度法、最低壓力法。本文主要采用最小速度法進行計算。最小速度法基于氣體最小流速準則的原理（如圖1），假設井下氣體流速等于顆粒的最終沉降末速度與巖屑運移速度之和。

1. 巖屑最小沉降速度

當固體顆粒被置于靜止的低密度流體中時，由于受到重力作用，固體顆粒將下沉。在下沉過程中顆粒也會受到來自流體的阻力，且下沉速度越大，阻力也越大，直到最后阻力與重力平衡，固體顆粒保持勻速下沉為止，該下沉速度即為固體顆粒的臨界速度。該速度受顆粒的尺寸、形狀及密度、液體的密度、黏度及流型、顆粒間相互作用和顆粒與管壁間的相互作用等因素的影響。借鑒Gray確定最小沉降速度的計算公式，假定顆粒為均一的圓形進行計算。

式中：

vsl-顆粒沉降末速度，m/s;

Ds-固體顆粒當量直徑，m;

ρs-固體顆粒密度，kg/m3;

ρg-為氣體密度，kg/m3;ρg為氮氣密度取為1.25kg/m3;

Cd-阻力系數;

Ψ-球形度;

DH-流道水力直徑，m;

其中，

式中：vp-鉆頭機械鉆速，m/h;

N-鉆頭的轉速，r/min;

阻力系數Cd是一個與雷諾數Re有關的系數，其數學表達式：

在氮氣氣鉆井中，環空中的空氣一般為紊流，這時鉆屑的阻力系數與流動速度無關，為一定值。選取Cd為0.44。

實際的巖屑為非規則形狀，其球形度Ψ小于1，為了簡化計算，假設所鉆巖屑為規則球形，取Ψ值為1進行計算。

2.巖屑運移速度

巖屑運移速度由鉆頭的鉆進速度和鉆進時井眼中允許的運動顆粒數決定，由Angel模型得到：

式中：vrt -攜帶巖屑所需的速度，m/s;

vP-鉆頭的機械鉆速，m/h;

CP-巖屑體積分數，其值取0.04;

A-井筒環空截面積，m2;

db-鉆頭直徑，m。

其中，環空截面積：

3. 攜帶固體顆粒的最小氣體流速

為了使巖屑及時離開井底，所需的最小氣體流速等于巖屑的沉降末速度與巖屑運移速度的和，故攜帶固體顆粒的氣體流速為：

4. 最小注氣量

依據攜巖所需的最小氣體流速，求得所需的最小注氣量為：

式中：P0-標準狀態的壓力，P0=0.101325MPa;

T0標準狀態下的溫度，T0=293K;

p-井底壓力，MPa;

T-井底溫度，K。

5.計算實例

XX井為目標層段為須二段致密砂巖氣藏的一口直井評價井，為獲得較好的產能，擬在三開井段實施產層氮氣鉆，其二開套管φ193.7mm套管，內徑165.1m，三開采用Φ152.4mm鉆頭進行氮氣鉆，鉆遇巖性以砂巖為主，ρs取2700kg/m3，鉆桿外徑88.9mm，巖屑顆粒當量直徑Ds，跟據對國外資料的收集，鉆頭附近巖屑的特征尺寸大都在一定范圍內。為進行計算，假定巖屑顆粒直徑為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm進行計算。得到不同巖屑顆粒當量直徑條件下，巖屑最小沉降速度及最小氣體流速如表1所示。

設計氮氣鉆井深為4563—4836m，將氣體攜巖的參考點設置在井底，取井深4836m，地層溫度127℃（400K）。

由氣體密度與對應井底壓力的關系：

可以求得井底的壓力P，計算得到不同巖屑顆粒直徑條件下，所需要的最小注氣量：

本井段設計機械鉆速10m/h，轉速40-50r/min，故實際破巖巖屑直徑約3.3mm，故滿足攜巖要求的最小注氣量進行設計，注氣量設計為90～150m3/min。現場實際采用100 m3/min的注氣量完成施工，施工狀況良好。

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作者單位：中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院