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      氣體鉆井地層出水量與鉆具黏卡風(fēng)險預(yù)測模型

      2015-05-14 02:59:42陳燁閆鐵孫曉峰王克林張亞東
      斷塊油氣田 2015年6期
      關(guān)鍵詞:出水量水層巖屑

      陳燁,閆鐵,孫曉峰,王克林,張亞東

      (1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江 大慶163318;2.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院,新疆 庫爾勒 841000;3.中國石化中原石油工程有限公司技術(shù)公司,河南 濮陽 457001)

      0 引言

      氣體鉆井是一種欠平衡鉆井技術(shù),能夠顯著提高機(jī)械鉆速,縮短鉆井周期[1],但氣體鉆井也存在井眼清潔、井眼穩(wěn)定等一系列問題,其中地層出水是氣體鉆井最難解決的問題。地層出水將改變環(huán)空的流動型態(tài),開始聚并、黏結(jié),進(jìn)而泥包鉆頭,堵塞井眼,這一過程隨著地層水侵入量的變化而逐漸變化。因此,有必要在鉆前進(jìn)行地層出水量的預(yù)測[2-4],對不同出水量情況下的巖屑與地層水的相互作用情況進(jìn)行合理描述,預(yù)測鉆具黏卡的可能性,這對氣體鉆井的順利施工具有重要意義。對上述相關(guān)問題的研究,李祖光等[5]根據(jù)滲流力學(xué)基本原理,建立了4種情況下的地層出水量的理論預(yù)測模型。Y.F.Jiang等[6-7]建立了無界地層定井筒壓力為內(nèi)邊界的不穩(wěn)定滲流出水量的計算方法。唐貴等[8-9]利用微分的思想建立了欠平衡鉆井過程中儲層流體動態(tài)滲流模型。賈紅軍等[10]建立了氣體鉆井過程中非均質(zhì)圓形封閉地層瞬態(tài)產(chǎn)液理論模型。

      文章采用W.C.Lyons等[11]的環(huán)空壓力計算模型,通過分層迭代計算得出較為準(zhǔn)確的環(huán)空井底壓力,而后根據(jù)滲流力學(xué)中平面徑向流模型結(jié)合氣體鉆井過程中井底壓力公式建立地層出水量預(yù)測模型,并進(jìn)一步分析不同出水量情況下環(huán)空內(nèi)各個階段的地層水與巖屑的相互作用情況及流型分布,結(jié)合出水量計算模型以及工程巖土學(xué)中稠度的概念,建立了地層出水后鉆具黏卡定量風(fēng)險模型。

      1 地層水與巖屑相互作用物理描述

      不同出水量情況下,地層水與巖屑相互作用及運(yùn)移情況見圖1。

      圖1 不同出水量情況下地層水與巖屑相互作用情況示意

      圖1a是未鉆遇水層時環(huán)空的巖屑的運(yùn)移狀況。氣體鉆井過程主要依靠氣體的沖擊壓力及鉆頭破碎巖石,當(dāng)井底產(chǎn)生的巖屑非常小時,高速氣體能夠?qū)⑵渲苯訋е镰h(huán)空,而后被環(huán)空中的高速上升氣流帶至井口;對于中等粒徑的巖屑,可能在運(yùn)移過程中由于與管柱或其他巖屑碰撞而破碎成更小的顆粒,從而被高速氣流帶出井口;對于大顆粒巖屑,由于巖屑太大,氣體動能不能直接克服巖屑重力和摩擦阻力將其帶出井口,只能將其向上攜帶一定距離,而后又會落回井底,被沖擊氣流和鉆頭重復(fù)破碎,變成中等粒徑或者更小粒徑的巖屑顆粒,直到尺寸足夠小至能被高速上升氣流帶出井口。

      圖1b是剛進(jìn)入水層時環(huán)空內(nèi)巖屑與小液滴的運(yùn)移狀況。當(dāng)鉆遇水層時,地層水會在壓差的驅(qū)動下侵入井筒,當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入井眼并與高速氣體混合后,就會在井筒內(nèi)產(chǎn)生氣液固三相流。地層水進(jìn)入井底后,立即被高速氣流分成許多離散的小液滴,小液滴隨著高速氣體向井口方向運(yùn)移,這時,通常大部分地層水都以小液滴的形式被攜帶于中央氣流中,呈現(xiàn)霧狀流特征,很少或者基本沒有巖屑被潤濕。

      圖1c是小水侵量下地層水與巖屑的相互作用及運(yùn)移狀況。隨著鉆頭的繼續(xù)鉆進(jìn),打開水層的范圍增大,地層水的侵入量也隨之增大。此時,由于地層水和鉆井用的氣體之間的密度差異,依據(jù)重力分離原理,地層水隨氣體滑脫上升現(xiàn)象將變得明顯,高速氣體已經(jīng)不能將進(jìn)入井筒的氣體全部割散成小液滴并及時帶走,而是聚并成稍大的液滴,這些稍大的液滴會有一部分潤濕巖屑,另一部分還是以液滴的形態(tài)緩慢隨著高速氣流向井口運(yùn)移,但潤濕的巖屑尚未發(fā)生黏結(jié)。

      圖1d是中水侵量下地層水與巖屑的相互作用及運(yùn)移狀況。地層出水量隨著鉆頭的繼續(xù)鉆進(jìn)而進(jìn)一步增加,液滴變得更大,巖屑幾乎全部被潤濕,巖屑間發(fā)生明顯的黏結(jié),聚集成團(tuán),有部分潤濕的巖屑甚至開始在鉆柱和井壁上形成泥包,氣體只能將聚集成團(tuán)的巖屑向上帶一段距離,大尺寸巖屑團(tuán)會沉降,落到井底,這部分被潤濕的巖屑和井底新產(chǎn)生的巖屑將有部分黏附到鉆頭上,鉆頭開始出現(xiàn)部分泥包。此時,井眼清潔已經(jīng)變得極為困難,鉆速下降明顯,氣體鉆井已經(jīng)無法正常實(shí)現(xiàn)。

      圖1e是大水侵量下地層水與巖屑的相互作用及運(yùn)移狀況。隨著水侵量的繼續(xù)增加,巖屑間的黏結(jié)現(xiàn)象變得更為嚴(yán)重,巖屑團(tuán)變得越來越大;而另一方面,由于巖屑黏附在鉆柱上和井壁泥包,井眼環(huán)空不斷減小,加上大尺寸巖屑團(tuán)的繼續(xù)沉降,巖屑團(tuán)不斷聚集膨脹,井眼被堵卡,鉆頭幾乎被全包,此時鉆速基本為0,很可能發(fā)生嚴(yán)重的井下事故。

      2 地層出水量預(yù)測模型

      模型的建立基于達(dá)西穩(wěn)定滲流原理。

      基本假設(shè):1)地層物性不存在非均質(zhì)性;2)將氣體鉆井地層出水近似看成單相流體,穩(wěn)定滲流;3)可壓縮氣體符合氣態(tài)物質(zhì)的性質(zhì);4)可壓縮氣體和不可壓縮液體的混合可以達(dá)到均質(zhì);5)大小、密度一致的巖屑能一直分布于氣液流中;6)巖屑隨氣液流以相同的速度流動。

      鉆至水層時,地層水開始侵入,地層出水主要表現(xiàn)為滲流形式。由于氣體鉆井的機(jī)械鉆速較高且變化不大,因此可以假設(shè)氣體鉆井時地層出水為單相的穩(wěn)定滲流。根據(jù)滲流力學(xué)的理論,可以采用平面徑向流的單井產(chǎn)量公式計算地層出水量,但地層出水量隨井底壓力的變化而變化較大,因此先給出氣體鉆井井底處的壓力計算公式。

      根據(jù)文獻(xiàn)[11]得到氣體鉆井的井底壓力,計算公式為設(shè)H0為出水層頂界面處深度,以鉆到水層頂界面為0時刻,此時的井底流動壓力為

      則dt時間后的井底壓力為

      則當(dāng)t時刻時,總的出水量為

      式中:Q 為出水量,m3/s;pe為供給壓力,Pa;pat為鉆井作業(yè)出口處在環(huán)空頂部的壓力,Pa;Tav為氣體平均溫度,K;K 為滲透率,μm2;ROP 為機(jī)械鉆速,m/h;μ 為液體的黏度,Pa·s;re為供給半徑,m;rw為油井半徑,m;aa,ba為中間參數(shù);t為進(jìn)入水層的時間,h。

      3 地層出水量鉆具黏卡的定量風(fēng)險模型

      鉆遇水層后,在壓差的驅(qū)動作用下,地層水將侵入井筒,地層水進(jìn)入井眼環(huán)空后,細(xì)小的巖屑(尤其是泥質(zhì)含量較高的巖屑)遇水后就會黏結(jié)成塊。隨著出水量的增加,當(dāng)巖屑和水的比例達(dá)到一定值時,巖屑就會黏附在鉆具表面與井壁表面,形成泥餅環(huán),使環(huán)空通道變小,使得巖屑不能被氣體攜帶到地面,從而造成鉆頭泥包、甚至黏附卡鉆和掩埋鉆具等井下復(fù)雜情況。

      工程巖土學(xué)中對黏性土不同含水量情況下的狀況和性質(zhì)有明確的描述[12],隨著含水量的增大,黏性土可由固態(tài)、半固態(tài)(堅硬或半堅硬狀態(tài))變?yōu)榭伤軤顟B(tài),最后變?yōu)轭愃朴阢@井液的流動狀態(tài)(見圖2)。黏性土這種因含水量變化而表現(xiàn)出的各種不同物理狀態(tài)的現(xiàn)象,在土壤學(xué)和工程巖土學(xué)中即稱為黏性土的稠度。黏性土的稠度,實(shí)際表征著土粒間的連接強(qiáng)度或土粒相對活動的難易程度。隨著含水量變化,黏性土逐漸由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài),相應(yīng)于轉(zhuǎn)變點(diǎn)的含水量,即界限含水量,也稱為稠度界限。黏性土稠度狀態(tài)的較為詳細(xì)劃分見表1。

      圖2 不同含水量情況下的黏土狀態(tài)示意

      氣體鉆井中,當(dāng)黏土處于固態(tài)和半固態(tài)時,巖屑顆粒能夠隨著氣體的運(yùn)移而向井口方向運(yùn)動。當(dāng)鉆遇水層,地層水將巖屑潤濕后,巖屑中含水量增加,而當(dāng)其含水率增大到塑限進(jìn)入可塑狀態(tài)時,巖屑間發(fā)生明顯的黏結(jié),聚集成團(tuán),有部分潤濕的巖屑甚至開始在鉆柱和井壁上形成泥包。氣體只能將聚集成團(tuán)的巖屑向上帶一段距離,大尺寸巖屑團(tuán)會沉降,落到井底,這部分被潤濕的巖屑和井底新產(chǎn)生的巖屑將有部分黏附到鉆頭上,鉆頭開始出現(xiàn)部分泥包。當(dāng)出水量進(jìn)一步增大,達(dá)到液限時,此時實(shí)際上已經(jīng)不是氣體鉆井,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槌R?guī)的鉆井液鉆井,因此也具有流動性。

      表1 黏性土的各種稠度狀態(tài)與稠度特征

      由稠度指標(biāo)可知,當(dāng)黏性土含水率處于塑限和液限之間時,黏性土處于可塑狀態(tài),此時具有塑性體性質(zhì),可塑成任意形狀,且能黏著于其他物體上,不具有流動性,因此,可將其引用到氣體鉆井中,將黏著界限作為黏卡鉆具的臨界條件。

      根據(jù)王浩[13]的計算,在井筒達(dá)到穩(wěn)定之前巖屑體積分?jǐn)?shù)的計算公式為

      由于t0較小,當(dāng)鉆遇水層前,井筒一般都達(dá)到了穩(wěn)態(tài),因此這里只討論當(dāng)t≥t0情況下鉆遇水層的問題。

      由于達(dá)到了穩(wěn)態(tài),故每米井筒內(nèi)的巖屑量為

      則地層出水后的含水量為

      當(dāng)ω剛剛大于黏著界限ωn時,即可認(rèn)為巖屑間發(fā)生明顯的黏結(jié),聚集成團(tuán),有部分潤濕的巖屑甚至開始在鉆柱和井壁上形成泥包。

      則鉆遇水層后,形成泥包的時間為

      式中:Qs為巖屑量,m3;ωi為天然含水率;L 為井深,m;Ca為環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù);t0為第一粒鉆屑返到井口的時間,h;Dbit為鉆頭直徑,m;D 為井眼直徑,m;d 為鉆柱直徑,m。

      4 實(shí)例分析

      基本數(shù)據(jù)和條件:井型為直井;水層頂界面4 160 m,計算井深4 160 m,計算步長60 m,地面溫度15℃,井口回壓200 kPa,供給壓力39.975 MPa,出水層滲透率 0.158 3×10-3μm2,供給半徑 1 000 m,黏土的塑限為25%,天然含水率為2%,第1粒鉆屑返到井口的時間(即達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間)為0.149 h。

      地層參數(shù):0~2 190 m為泥巖,機(jī)械鉆速為14 m/h;2 190~3 200 m 為粉砂巖,機(jī)械鉆速為 12 m/h;3 200~5 237 m為泥巖,機(jī)械鉆速為8 m/h。地溫梯度均為3℃/100 m。

      井身結(jié)構(gòu)參數(shù):采用φ339.7 mm×300 m+φ244.5 mm×3 260 m+φ215.9 mm的優(yōu)化井身結(jié)構(gòu),套管粗糙度均為0.003 0 mm,裸眼段粗糙度為0.020 0 mm。

      鉆具組合參數(shù)(3 260~5 916 m):φ215.9 mm 鉆頭×0.25 m+φ214 mm穩(wěn)定器×1.50 m+φ159 mm螺旋鉆鋌×1.38 m+φ214 mm 穩(wěn)定器×1.50 m+φ178 mm 鉆鋌×54 m+φ214 mm 穩(wěn)定器×1.50 m+φ165 mm 鉆鋌×54 m+φ214 mm穩(wěn)定器×1.50 m+φ159 mm雙向穩(wěn)定器×4.10 m+φ159 mm 鉆鋌×54 m+φ127 mm 加重鉆桿×135 m+φ127 mm鉆桿。鉆具粗糙度均為0.000 3 mm。

      氣體參數(shù):以空氣作為介質(zhì),以120 m3/min的流速注入,相對密度1.00。

      通過分層迭代計算可算出水層頂界面壓力為

      由于鉆到水層前達(dá)到了穩(wěn)態(tài),利用式(7)得出每米井筒內(nèi)的巖屑量Qs為1.05×10-5m3。

      則地層出水后的含水量為

      當(dāng) ωn≤ω(t)時,開始泥包:

      解得:

      由此可知,當(dāng)出水4.06 s后井下就開始泥包,速度非???。

      5 結(jié)論

      1)分階段對鉆遇水層后的出水過程、地層水與巖屑相互作用情況、巖屑運(yùn)移狀況進(jìn)行描述。地層水侵對氣體鉆井影響非常大,能夠在極短的時間內(nèi)改變原本的流型狀況,潤濕巖屑,從而改變巖屑的運(yùn)移條件,造成巖屑運(yùn)移困難,壓差卡鉆,堵塞井眼,危害巨大。

      2)建立了基于達(dá)西穩(wěn)定滲流的出水量預(yù)測模型,能夠計算鉆遇水層后任意時刻地層的出水量,對現(xiàn)場施工具有一定的指導(dǎo)意義,也為下一步預(yù)測鉆具黏卡奠定了理論基礎(chǔ)。另外,模型表明計算出水量的井底流壓就是水層頂界面的壓力,使計算簡便。

      3)引入工程巖土學(xué)中稠度的概念,將巖屑的黏著界限作為壓差卡鉆的臨界條件,建立了地層出水量黏卡鉆具的定量風(fēng)險模型,能夠預(yù)測地層出水到鉆具發(fā)生黏卡的具體時間,為氣體鉆井施工提供重要參考。從地層出水到鉆具發(fā)生黏卡時間十分短暫,基本在幾秒鐘之內(nèi)就會發(fā)生井下事故,因此,要提前做好出水層預(yù)測和轉(zhuǎn)換鉆井方式的準(zhǔn)備工作。

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