氣體鉆井地層出水隨鉆監(jiān)測(cè)與攜水規(guī)律研究

趙向陽(yáng)，孟英峰，楊順輝，李皋，李永杰，周玉良

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500）

氣體鉆井地層出水隨鉆監(jiān)測(cè)與攜水規(guī)律研究

趙向陽(yáng)1，孟英峰2，楊順輝1，李皋2，李永杰2，周玉良2

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500）

氣體鉆井在某些方面具有常規(guī)鉆井液鉆井不可比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其在深層海相地層勘探開(kāi)發(fā)中提高鉆速、降低成本方面，應(yīng)用前景廣闊；然而地層出水后，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，有可能造成井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜事故，影響氣體鉆井的安全性。文中系統(tǒng)總結(jié)了氣體鉆井地層出水的預(yù)測(cè)方法，介紹了氣體鉆井地層出水的監(jiān)測(cè)原理、儀器和解釋方法，建立了氣體鉆井地層出水井筒氣液兩相流流型轉(zhuǎn)化模型、液滴大小和尺寸分布模型、氣體攜液模型，結(jié)合具體應(yīng)用情況，對(duì)氣體鉆井過(guò)程中地層出水后的攜水規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析。分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工情況吻合，表明文中給出的模型具有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

氣體鉆井；地層出水；預(yù)測(cè)方法；隨鉆監(jiān)測(cè)；攜水規(guī)律

1 氣體鉆井地層出水預(yù)測(cè)方法

目前，預(yù)測(cè)地層出水的方法主要有地質(zhì)水文資料分析、測(cè)井資料分析、射開(kāi)水層測(cè)試、欠平衡鉆開(kāi)水層的隨鉆測(cè)試和解釋［1-3］。

地質(zhì)水文資料分析方法可以對(duì)淺層或大水層有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)，但對(duì)深部、小水層常常缺乏有用的信息。測(cè)井資料預(yù)測(cè)基于孔隙度測(cè)井、滲透率測(cè)井和孔隙流體測(cè)井，來(lái)判斷水層的位置、厚度、孔隙滲透性、礦化度等，進(jìn)而推測(cè)出水量。射開(kāi)水層測(cè)試方法最為直接，并且能夠定量，比較準(zhǔn)確，但選擇射開(kāi)層位時(shí)存在人為誤差，有可能真正水層沒(méi)有被選中，在鉆井或射孔過(guò)程中會(huì)對(duì)水層造成一定程度的傷害，從而改變總表皮系數(shù)，使試水結(jié)果偏離真實(shí)值。欠平衡鉆開(kāi)水層的隨鉆測(cè)試方法通過(guò)分析壓力和注入?yún)?shù)的變化，就可以得出水層個(gè)數(shù)、位置、段長(zhǎng)、出水量及出水量的衰竭情況。

2 氣體鉆井地層出水隨鉆監(jiān)測(cè)

2.1 地層出水隨鉆監(jiān)測(cè)原理

氣體鉆井中，當(dāng)排砂管線能夠觀測(cè)到出水時(shí)，返出氣體的相對(duì)濕度早已達(dá)到100%，井下早已出水。因此，監(jiān)測(cè)返出氣體中的相對(duì)濕度變化，更能及時(shí)發(fā)現(xiàn)地層出水跡象，防止井下復(fù)雜事故［4-9］。濕空氣中水蒸氣的分壓力很低，可視水蒸氣為理想氣體。一般情況下，可將濕空氣看作理想混合氣體。根據(jù)道爾頓定律，濕空氣的總壓力等于水蒸氣的分壓力與干空氣的分壓力之和：p=pv+pa。濕空氣的絕對(duì)濕度與同溫度下飽和濕空氣的絕對(duì)濕度之比，稱為濕空氣的相對(duì)濕度，計(jì)算公式為

式中：ρv，ρs分別為濕空氣、飽和濕空氣的絕對(duì)濕度，無(wú)因次；pv，ps分別為水蒸氣、干空氣的分壓力，MPa。

在氣體鉆井中，由于鉆具、環(huán)空流動(dòng)的各種流動(dòng)阻力，井口氣體的注入壓力多在2 MPa以上，空氣經(jīng)過(guò)空氣壓縮機(jī)、除水分離器、冷卻器后，進(jìn)入注入管線供鉆井工程使用。在2 MPa、常溫25℃的注入狀態(tài)下，注入空氣為飽和濕空氣狀態(tài)，采用除水分離器后，濕空氣的含濕量為

式中：ω為含濕量，表示單位質(zhì)量濕空氣中含有的水蒸氣質(zhì)量，kg/kg；p為濕空氣的總壓力，MPa。

根據(jù)空氣鉆井過(guò)程中氣體的熱力學(xué)狀態(tài)變化規(guī)律，在干地層鉆進(jìn)過(guò)程中，氣體中的絕對(duì)含濕量基本不變，在正常鉆進(jìn)過(guò)程中，氣體的壓力逐漸下降到排砂管出口壓力0.1 MPa，氣體溫度逐漸變化到出口狀態(tài)溫度，接近常溫25℃。根據(jù)水蒸氣的焓濕圖，在絕對(duì)濕度不變時(shí)，該注入空氣經(jīng)過(guò)降溫、降壓，相對(duì)濕度將由入口時(shí)的飽和狀態(tài)（相對(duì)濕度100%）下降到在排砂管出口狀態(tài)下（0.1 MPa，25℃）的40%左右，隨著注入壓力的提高，出口狀態(tài)的相對(duì)濕度還會(huì)降低。所以，根據(jù)一定壓力和溫度下的進(jìn)出口空氣濕度，可以在地表觀察到出水之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)地層出水跡象，為避免井下復(fù)雜事故提供工程決策依據(jù)。

2.2 地層出水隨鉆監(jiān)測(cè)設(shè)備

西南石油大學(xué)CNPC欠平衡鉆井技術(shù)研究室對(duì)地層出水在線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研制了出水監(jiān)測(cè)儀，可以在隨鉆過(guò)程中監(jiān)測(cè)出水跡象。

2.3 地層出水隨鉆監(jiān)測(cè)解釋

根據(jù)隨鉆監(jiān)測(cè)和解釋軟件，可以直觀地觀察到：正常鉆進(jìn)過(guò)程中地層沒(méi)有出水時(shí)，相對(duì)濕度與溫度曲線都比較平穩(wěn)；如果相對(duì)濕度曲線有較大波動(dòng)，同時(shí)溫度曲線也有較大波動(dòng)，但是溫度與相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)符合氣體溫度對(duì)相對(duì)濕度的影響規(guī)律，雖然相對(duì)濕度有變化，仍然可以確定地層并沒(méi)有出水。地層出水時(shí)，相對(duì)濕度上升比較明顯。因此，通過(guò)相對(duì)濕度的變化，可以判別地層出水的跡象。

3 氣體鉆井地層出水?dāng)y水規(guī)律

氣體鉆井地層出水時(shí)，井筒為氣液兩相流，分析氣液兩相流動(dòng)規(guī)律，可以為設(shè)計(jì)氣體鉆井排水工藝參數(shù)和霧化劑注入量提供依據(jù)［10-11］。

3.1 垂直環(huán)空中的流型及轉(zhuǎn)化

試驗(yàn)研究表明，環(huán)空管內(nèi)氣-液兩相流的流型可分為泡狀流、分散泡狀流、彈狀流、攪動(dòng)流、環(huán)霧流等5種類(lèi)型。

氣體鉆井?dāng)y水所處的合理流態(tài)應(yīng)為“環(huán)霧流”。一旦井底關(guān)節(jié)點(diǎn)處的流態(tài)由于含水量過(guò)大，而由環(huán)霧流轉(zhuǎn)化為攪動(dòng)流，則霧化鉆井失效，必須轉(zhuǎn)為泡沫鉆井，否則井內(nèi)攜巖攜水能力會(huì)嚴(yán)重不足。轉(zhuǎn)換的判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)式（3）和式（4）。

攪動(dòng)流判別式:

環(huán)霧流判別式：

式中：σ為氣液相間界面張力，N/m；ρg，ρl分別為氣、液相密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；D為管徑，m；f為摩阻系數(shù)；vM為混合物速度，m/s；vsg為氣相折算速度，m/s。

在環(huán)（霧）狀流型中，通常大部分液體以液滴形式被攜帶于中央氣流中（氣核區(qū)），同時(shí)在流道壁面上（井壁和鉆具表面）吸附一層液膜，氣核與液膜之間的分界面也是高低不平的波面。由于氣相速度大于液膜的液相速度，氣流常把波面突出處的液體撕裂，形成液滴，進(jìn)入氣核，被氣流帶走；而由于氣流的橫向脈動(dòng)，又會(huì)使靠近液膜的一些液滴沉積于液膜中。隨著氣相速度的增加，液膜越來(lái)越薄，直至轉(zhuǎn)換為無(wú)液膜的環(huán)狀流。

3.2 液滴動(dòng)態(tài)分散與聚并規(guī)律

室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明：純氣體有效攜水的流態(tài)是環(huán)霧流流態(tài)，其次是霧狀流流態(tài)，當(dāng)流態(tài)為攪動(dòng)流時(shí)就不能有效攜水。3種流態(tài)的共同特點(diǎn)是都以氣體為連續(xù)相，液體為分散相，區(qū)別在于氣液比不同。攪動(dòng)流由于液相比例高，液相有成為連續(xù)相的趨勢(shì)。純氣體鉆井的液相來(lái)源于地層水，圖1為地層水在上升過(guò)程中的流態(tài)變化，顯示了上升氣流中液滴的變形、分散與聚并。

圖1 氣體攜水機(jī)理示意

3.2.1 霧化鉆井中液滴的大小

空氣霧化鉆井中，液滴大小及分布是十分重要的參數(shù)。液滴尺寸首先影響地層水能否快速有效地帶出到地面。在環(huán)空高速氣流的系統(tǒng)中，液滴尺寸的分布原則可根據(jù)能量守恒確定，由攪動(dòng)勢(shì)能與表面勢(shì)能的平衡得到。由努基亞瑪-塔那薩瓦經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算液滴的平均直徑，該公式采用國(guó)際單位制的形式如下：

式中：d為液滴平均直徑，m；vg為氣相速度，m/s；vl為液相速度，m/s；μl為液相黏度，mPa·s；Qg為氣體流量，m3/s；Qf為液體流量，m3/s。

對(duì)壁面的液膜而言，氣相的高流速將液膜卷席成液滴顆粒進(jìn)入氣流中，流型就會(huì)向霧狀流轉(zhuǎn)變。

3.2.2 霧化鉆井中液滴尺寸分布

在早期實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，噴霧中的液滴大小是不等的。為了評(píng)價(jià)霧化質(zhì)量和表示噴霧特征，前人已用大量實(shí)驗(yàn)方法得出液滴尺寸的頻譜一般符合正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布。努基亞瑪-塔那薩瓦經(jīng)驗(yàn)公式給出的分布函數(shù)形式為

式中：A，b為標(biāo)準(zhǔn)化因子；m，n一般為整數(shù)。

模擬結(jié)果表明，霧化液滴的直徑主要集中在150～700 μm，分布在這個(gè)范圍內(nèi)的概率為0.786。影響液滴尺寸分布的因素很多，凡是影響液滴大小的因素都將影響液滴尺寸分布。

3.3 垂直環(huán)空中環(huán)霧流數(shù)學(xué)模型

在環(huán)狀流中，液體的大部分通常以液滴的形式被攜帶于中央氣流中。因此，管子中央核心部分的流體密度不同于單相氣體的流動(dòng)密度。同時(shí)，管壁附近的液膜表面是一個(gè)不穩(wěn)定的“粗糙”面。如圖2所示，設(shè)外管壁內(nèi)側(cè)與內(nèi)管壁外側(cè)液膜厚度相等（實(shí)際上內(nèi)膜厚度略大），且都為δ（δ1=δ2=δ），則氣芯區(qū)的面積為

氣芯區(qū)面積占整個(gè)環(huán)空橫截面總面積的分?jǐn)?shù)為

式中：δ為液膜厚度，m；D2，D1分別為液膜外徑、內(nèi)徑，m；αcore為氣芯空泡率，無(wú)因次。

圖2 環(huán)空流截面積幾何結(jié)構(gòu)

氣芯區(qū)攜液量占總攜液量的分?jǐn)?shù)為

與氣芯區(qū)微元段相對(duì)應(yīng)的整個(gè)環(huán)空區(qū)域上的微分單元的動(dòng)量方程為

式中：μg為氣相黏度，Pa·s；ρg為氣相真實(shí)密度，g/cm3； ρcore為氣芯區(qū)氣體密度為氣芯平均速度，m/s； Dh為井眼直徑，m。

3.3.1 加大氣量的攜水規(guī)律及攜水極限能力

根據(jù)上述理論模型，結(jié)合鉆井實(shí)際參數(shù)，可以編程計(jì)算氣體鉆井的攜水規(guī)律和攜水極限能力。以某井為例，在正常鉆進(jìn)條件下，鉆進(jìn)速度10 m/h，注氣量60 m3/min。此時(shí)如果地層出水，水滴的聚并與分散規(guī)律如圖3a所示，最大水滴直徑出現(xiàn)在最低攜巖動(dòng)能的關(guān)節(jié)點(diǎn)處，為8 mm（達(dá)到了自然懸浮水滴的最大值），最小水滴直徑出現(xiàn)在井口處（0.45 mm），略大于極限分散尺寸0.3 mm。此時(shí)的攜水極限能力如圖3b所示，全井最小攜水能力點(diǎn)位于最小動(dòng)能的關(guān)節(jié)點(diǎn)處，攜水量為0.73 L/s。井眼上部的攜水能力是充足的，瓶頸點(diǎn)在下部關(guān)節(jié)點(diǎn)。

按照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，地層出水時(shí)首先將注氣量增大30%，即注氣量由60 m3/min增加至80 m3/min，分析攜水能力的變化。增大注氣量后，井下關(guān)節(jié)點(diǎn)處的最大水滴直徑由8 mm減小至3.6 mm，井下關(guān)節(jié)點(diǎn)處的極限攜水量由 0.73 L/s增大至 1.34 L/s，注入壓力由 3.3 MPa增加至4.2 MPa。

圖3 氣體鉆井?dāng)y水

室內(nèi)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)證明了上述計(jì)算的可靠性。但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中攜水量似乎比計(jì)算值偏低，這是由于地層水與水化巖屑的共同作用，造成了井內(nèi)的泥包和流道堵塞。

3.3.2 加入霧化液的攜水規(guī)律及攜水極限能力

地層出水后，當(dāng)出水量不大且?guī)r屑非水化時(shí)，可以采用增大30%注氣量的排水方法。如果出水量大于氣體鉆井的極限攜水量（即增大30%注氣量后的排水能力），則不宜繼續(xù)增大氣量。氣量過(guò)大，不但加重設(shè)備和燃料的負(fù)荷，而且造成敏感性井段的沖刷擴(kuò)大。此時(shí)應(yīng)該采用霧化鉆井，即將一定量的霧化液由地面注入，霧化液內(nèi)加有高濃度的表面活性劑。注入霧化液在井下與地層水混合，使混合液體成為“活性水”，從而便于攜帶。保持注氣量80 m3/min，注入霧化液，使表面張力減少50%。分析攜水能力的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 霧化鉆井?dāng)y水

對(duì)比無(wú)霧化液的氣體鉆井可見(jiàn)，井下關(guān)節(jié)點(diǎn)處的最大水滴直徑由3.6 mm減小至1.19 mm，井下關(guān)節(jié)點(diǎn)處的極限攜水量由1.34 L/s增大至2.8 L/s。

4 結(jié)論

1）氣體鉆井中監(jiān)測(cè)返出氣體中的相對(duì)濕度變化，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)地層出水跡象，防止井下復(fù)雜事故的發(fā)生。

2）建立的氣體鉆井液滴大小和尺寸分布模型、氣體攜水模型可以有效地指導(dǎo)氣體鉆井過(guò)程中施工參數(shù)的選擇。

3）氣體鉆井地層出水時(shí)，加入一定的霧化液可以提高氣體攜水能力。

［1］石建剛，陳一健，王贊，等.氣體鉆井地層出水監(jiān)測(cè)新方法［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37（2）：32-34. Shi Jiangang，Chen Yijian，Wang Zan，et al.A new method for monitoring formation water influx during gas drilling［J］.Petroleum Drilling Techniques，2009，37（2）：32-34.

［2］鄒靈戰(zhàn)，鄧金根，汪海閣.氣體鉆井地層出水定量預(yù)測(cè)技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37（3）：30-33. Zou Lingzhan，Deng Jingen，Wang Haige.Quantitative prediction of formation water production during gas drilling［J］.Petroleum Drilling Techniques，2009，37（3）：30-33.

［3］蔣宏偉，周英操，崔猛，等.利用測(cè)井資料判斷地層出水的方法［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38（2）：28-32. Jiang Hongwei，Zhou Yingcao，Cui Meng，et al.Formation water production prediction based on well logging data［J］.Petroleum Drilling Techniques，2010，38（2）：28-32.

［4］Mitchell R F.Simulation of air and mist drilling for geothermal wells［A］.SPE 10234，1983.

［5］畢雪亮，陶麗杰，翟洪軍，等.空氣鉆井最小流量計(jì)算的修正模型［J］.斷塊油氣田，2008，15（2）：12-14. Bi Xueliang，Tao Lijie，Zhai Hongjun，et al.Modified model of calculating minimum flow in air drilling［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2008，15（2）：12-14.

［6］Lyons W C，Guo B，Seidel F A.Air and gas drilling manual［M］. Second Edition.New York：McGraw-Hill Book Company，2001：3-5.

［7］Guo B，Ghalamboe A.Gas volume requirements for underbalanced drilling［M］.Tulsa：PennWell Corporation，2002：29-34.

［8］劉彪，劉剛，劉成，等.空氣鉆井預(yù)測(cè)地層出水量的探討［J］.斷塊油氣田，2009，16（3）：93-95. Liu Biao，Liu Gang，Liu Cheng，et al.Further discussion on prediction of formation water discharge by air drilling［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2009，16（3）：93-95.

［9］冷先剛，孫衛(wèi)，解偉，等.西峰油田莊58井區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層出水原因［J］.斷塊油氣田，2009，16（2）：89-91. Leng Xiangang，Sun Wei，Xie Wei，et al.Causation of water producing for Chang 81 low permeability reservoir in Block Zhuang 58 of Xifeng Oilfield［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2009，16（2）：89-91.

［10］Turner R G，Hubbard M G，Dukler A E.Analysis and prediction of minimum flow rate for the continuous removal of liquids from gas wells［J］.JPT，1969，21（11）：1475-1482.

［11］Tabatabaei M，Ghalambor A，Guo A.The minimum required gasinjection rate for liquid removal in air/gas drilling［A］.SPE 116135，2008.

（編輯 趙衛(wèi)紅）

Monitoring while drilling and water carrying law for formation water production in gas drilling

Zhao Xiangyang1,Meng Yingfeng2,Yang Shunhui1,Li Gao2,Li Yongjie2,Zhou Yuliang2
(1.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

Gas drilling has some unparalleled advantages compared with conventional drilling in some aspects and especially it can shorten the drilling time and lower the drilling cost of exploration and development in deep marine strata,having the broad prospects for application.However,after the formation water produces,it may cause complex accidents such as borehole instability which affect the safety of gas drilling if not timely detecting and treating.This paper systematically summarizes the prediction method, introduces the monitoring principles,instrument and interpretation methods of formation water production during gas drilling and establishes the transformation model of wellbore gas-liquid flow patterns,the distribution model of droplet size and dimensions and the liquid carrying model of gas.The results are identical with field operations through the calculation and analysis of liquid carrying law after the formation water produces.It is shown that the model presented in this paper has a field application value.

gas drilling;formation water production;prediction method;monitoring while drilling;water carrying law

TE242.6

：A

1005-8907（2012）01-0120-04

2011-05-13；改回日期：2011-11-30。

趙向陽(yáng)，男，1985年生，工程師，2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，主要從事氣體鉆井、欠平衡鉆井、控壓鉆井與多相流理論方面的研究。電話：（010）84988570，E-mail：swpuzxy@163.com。

趙向陽(yáng)，孟英峰，楊順輝，等.氣體鉆井地層出水隨鉆監(jiān)測(cè)與攜水規(guī)律研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（1）：120-123. Zhao Xiangyang，Meng Yingfeng，Yang Shunhui，et al.Monitoring while drilling and water carrying law for formation water production in gas drilling［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（1）：120-123.