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      煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井注氣工藝研究

      2013-12-23 06:09:58龔才喜梁海波
      石油鉆采工藝 2013年2期
      關(guān)鍵詞:環(huán)空排量氣液

      龔才喜 梁海波 古 冉

      (1.中國石化華北分公司,河南鄭州 450006;2.西南石油大學(xué),四川成都 610500)

      煤層與油、氣儲集層不同,煤層極易垮塌、破碎,且煤儲集層很易被污染。近年來,在煤層氣的開采中多采用欠平衡技術(shù),而在欠平衡鉆井過程中,如果井底壓力控制不當(dāng),會造成過壓鉆井,甚至引起井漏或井噴等井下復(fù)雜事故,嚴(yán)重影響整體勘探開發(fā)效果和鉆井效果[1]。針對煤層的特殊性,現(xiàn)多采用充氣欠平衡技術(shù),主要的充氣方式有:常規(guī)鉆桿注氣法、寄生管注氣法、同心管注氣法、連續(xù)油管注氣法4種[2]。國內(nèi)高陡構(gòu)造煤層的煤層氣資源豐富、分布廣泛,且這類煤儲層大都傾角較大、滲透率較高,適合采用U 型井進行開采,U 型井充分結(jié)合了直井和定向井的技術(shù)優(yōu)勢,利用流體勢能原理對煤儲層進行排水降壓采氣[3]。其采用的注氣方式為連續(xù)油管注氣法:空氣由直井油管注入,與水平段環(huán)空返出的液相在直井造穴處進行混合,由于注氣油管直徑較小,壓縮空氣能在短時間內(nèi)進入環(huán)空,保證氣體注入的連續(xù)性,并改善了氣液兩相流的均勻性,使得欠平衡鉆井過程中的井底壓力更容易控制[4]。

      當(dāng)注氣量超過某一數(shù)值時,井口環(huán)空就會出現(xiàn)不合理的流型,不僅使得攜巖效果達不到要求,并且也無法保證井壁穩(wěn)定,所以進行充氣欠平衡鉆井時,如何精確控制流體流型十分關(guān)鍵。而影響充氣控壓鉆井氣液兩相流流型分布的主要因素有:流體的物理性質(zhì)和氣液比、地面回壓、流道的幾何形狀等[2,5]。應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件FLUENT,針對不同的注氣壓力、注氣量,以及井口排量的情況,對井下造穴處的情況進行數(shù)值模擬,分析不同參數(shù)對洞穴壓降以及環(huán)空含氣量的影響規(guī)律。對煤層氣開發(fā)過程的優(yōu)選、安全鉆井具有較重要的意義。

      1 基本假設(shè)

      由于煤層氣欠平衡鉆井多注入清水、空氣,為了便于研究和計算,對環(huán)空內(nèi)多相流作如下基本假設(shè)[6-7]。

      (1)環(huán)空內(nèi)僅有氣、液兩相流,將煤塵、巖屑、清水視作液相;(2)流體流動是沿井眼軸線的非定常流動;(3)流體處于熱平衡,無熱交換;(4)氣液兩相間無水化作用;(5)液相為連續(xù)相,氣相為離散相;(6)不考慮模型周圍的地層壓力。

      氣液兩相流在環(huán)空管內(nèi)的流型主要考慮:泡狀流、段塞流、攪動流、環(huán)狀流4 類[8]。

      2 井筒多相流的基本控制方程

      連續(xù)方程

      動量方程

      式中,下標(biāo)i 為l(液相)或g(氣相);t 為時間; α 為各相的體積分?jǐn)?shù);u 為流動速度矢量;u、v、w 分別為流體在x、y、z 方向上的速度分量;gx、gy、gz分別為x、y、z方向的重力加速度;p 為相壓力標(biāo)量; ρ 為流體密度; Fi為總相間力,由曳力和垂直于流動方向的側(cè)向力組成。其中側(cè)向力包括側(cè)升力、壁面黏性力和湍流耗散力。

      3 模型的建立

      實驗?zāi)M按照圖1 中的參數(shù)建立模型,為簡化模型、減少計算量,不考慮注氣井洞穴以上井段,對注氣井間的環(huán)空井段、直井段的長度進行了5 ∶1 的縮放,并假定注氣油管插入洞穴為1 m 長。

      選擇非結(jié)構(gòu)Tgrid(三角形)網(wǎng)格對模型進行劃分,為提高計算精度,對洞穴區(qū)域進行了網(wǎng)格加密,生成網(wǎng)格數(shù)為619 263。圖1 為模型拓?fù)浜投囱ㄌ幘W(wǎng)格的局部放大圖。

      圖1 模型拓?fù)浼岸囱ňW(wǎng)格局部放大

      4 環(huán)空注氣工藝參數(shù)優(yōu)化

      U 型井段計算參數(shù)如下:水平井垂深750 m(pf=6.205 MPa),水平井與直井水平間距100 m,井徑152.4 mm,鉆柱外徑89 mm,注氣油管外徑76.2 mm,注入氣體為空氣,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度ρg為1.205 kg/m3,井底高壓下取空氣密度ρg′為74.4 kg/m3,動力黏度μ=18.25 μPa·s,比熱容比1.4,清水密度ρl為1 g/cm3,重力加速度9.8 m/s2;壁面粗糙度0.046 78 mm,鉆柱旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為60 r/min,不考慮鉆柱偏心,井口回壓為0.7 MPa。

      湍流模型選用歐拉模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型;壓力、動量、體積參量采用二階迎風(fēng)式;壁面采用不可滲透、無滑移邊界,選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);壓力和速度解耦采用SIMPLEC[9]。

      4.1 注氣壓力

      圖2為不同注氣壓力條件下洞穴壓降和注氣量、排量之間的關(guān)系曲線??梢?,當(dāng)注氣壓力一定,洞穴壓降隨排量增大遞減;注氣量越大,洞穴壓降越大;當(dāng)注氣壓力越接近煤儲集層壓力(pf=6.205 MPa)時,注氣效果好,洞穴壓降隨排量變化穩(wěn)定,隨注氣量變化較小。

      根據(jù)圖2 曲線和煤層氣欠平衡鉆井工程要求(-0.5 MPa ≤pf≤-0.2MPa)[6]可得出,注氣壓力在6.2~6.5MPa 皆符合,而能穩(wěn)定在6.2 MPa 最佳。

      圖2 不同注氣壓力條件下洞穴壓降與注氣量、排量的關(guān)系

      4.2 注氣量

      用最佳注氣壓力(p=6.2 MPa)進行模擬計算,圖3 為排量不同時洞穴壓降和注氣量的關(guān)系曲線。充氣鉆井時,井底壓力對注氣量大小較敏感[10]。從圖3 可見,在一定注氣壓力下,排量一定時,洞穴壓降隨注氣量的增大總體上是遞增的,但在注氣量24 m3/min 時略有反常,且24 m3/min 和22 m3/min 的結(jié)果差距并不大;不同排量下洞穴壓降隨注氣量的變化規(guī)律基本相似,即在同一注氣量條件下,隨著排量的增大,洞穴壓降減小。結(jié)合煤層氣欠平衡鉆井工程要求,在20~26 m3/min 的注氣量和所給出范圍內(nèi)的排量皆可滿足要求。

      圖3 不同排量下洞穴壓降與注氣量的關(guān)系

      4.3 排量

      圖4 是在最佳注氣壓力(p=6.2 MPa)、不同注氣量條件下洞穴壓降與排量的關(guān)系曲線。從圖中可以看出:當(dāng)注氣量一定時,洞穴壓降隨著排量的增大單調(diào)遞減;在同一排量條件下,隨著注氣量的增大,洞穴壓降增大。

      圖4 不同注氣量下洞穴壓降與排量的關(guān)系

      結(jié)合煤層氣欠平衡鉆井工程要求及環(huán)空返速最低排量要求,排量控制在13.5~15 L/min范圍內(nèi)較佳。

      5 結(jié)論

      (1)當(dāng)注氣壓力一定時,洞穴壓降隨排量增大單調(diào)遞增變化。當(dāng)注氣量一定,注氣壓力越接近煤儲集層壓力時,注氣效果越好,洞穴壓降隨排量變化越穩(wěn)定;

      (2)在最佳注氣壓力條件下,當(dāng)排量一定時,洞穴壓降隨注氣量的增大單調(diào)遞減;當(dāng)注氣量一定時,洞穴壓降隨著排量的增大而增大;

      (3)在滿足欠平衡鉆井工程要求的條件下,注氣壓力穩(wěn)定在6.2 MPa 時最穩(wěn)定;在此注氣壓力下,注氣量處于20~26 m3/min 的范圍內(nèi)皆可,取22 m3/min 及24 m3/min 更佳;在此注氣壓力下,排量處于13.5~15 L/min 范圍內(nèi)即可,越接近15 L/min,越符合工程要求。

      (4)為保證井筒穩(wěn)定,滿足欠平衡鉆井工程要求,各注氣工藝參數(shù)需取在優(yōu)化區(qū)間的范圍內(nèi)。

      [1] 周英操,劉永貴,鹿志文. 欠平衡鉆井井底壓力控制技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2007,29(2) :13-17.

      [2] 趙向陽,孟英峰,李皋,等. 充氣控壓鉆井氣液兩相流流型研究[J].石油鉆采工藝,2010,32(2) :6-10.

      [3] 鮮保安,夏柏如,張義,等. 煤層氣U 型井鉆井采氣技術(shù)研究[J].石油鉆采工藝,2010,32(4) :91-95.

      [4] 喬磊,申瑞臣,黃洪春,等. 煤層氣多分支水平井鉆井工藝研究[J].石油學(xué)報,2007,28(3):112-115.

      [5] 潘軍. 直井與水平井欠平衡鉆井?dāng)?shù)值模擬研究[D].成都:西南石油大學(xué),2000.

      [6] 張義,鮮保安,趙慶波,等. 煤層氣欠平衡鉆井環(huán)空注氣工藝優(yōu)化[J].石油勘探與開發(fā),2009,36(3):398-402.

      [7] 朱忠喜,張迎進. 井口回壓和注氣量對井底壓力的影響[J].鉆采工藝,2007,30(5) :11-12.

      [8] 張軍,陳聽寬,金友煌. 環(huán)空管內(nèi)氣液兩相流流型研究進展[J].油氣井測試,1999,8(4):63-68.

      [9] 張德良. 計算流體力學(xué)教程[M]. 北京:高等教育出版社,2010.

      [10] 夏宏南,韓先柱,朱忠喜. 充氣鉆井井筒流動穩(wěn)定性研究[J].石油天然氣學(xué)報,2009,31(6):123-126.

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