氣體鉆井關(guān)鍵點問題研究以及最小注氣量計算

朱忠喜，安錦濤,武興勇

（1.油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室，長江大學(xué)（武漢校區(qū)）石油工程學(xué)院，湖北武漢430100; 2.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

氣體鉆井關(guān)鍵點問題研究以及最小注氣量計算

朱忠喜1，安錦濤1,武興勇2

（1.油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室，長江大學(xué)（武漢校區(qū)）石油工程學(xué)院，湖北武漢430100; 2.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

氣體鉆井技術(shù)不但具有避免井漏、泥頁巖水化膨脹和儲層污染等問題的優(yōu)點，而且能夠大幅度提高鉆井速度，提高鉆井速度4～8倍，有利于及時發(fā)現(xiàn)和有效保護儲層及提高油氣采收率和單井產(chǎn)量，特別對堅硬地層、致密儲層勘探有著重要的意義。但是氣體攜屑困難、井眼堵塞等問題一直是阻礙該鉆井方式推廣的瓶頸問題，解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)之一就是最小注氣量的確定。目前多數(shù)文獻是用地層溫度代替環(huán)空溫度來進行最小注氣量計算，但由于氣體的PVT效應(yīng)，溫度受壓力流速影響較大，若用地層溫度代替環(huán)空溫度存在較大誤差。同時，以往最小注氣量計算方法均將關(guān)鍵點設(shè)置為鉆鋌頂部，然而本研究中發(fā)現(xiàn)井筒內(nèi)氣體的攜巖動能并非一定在鉆鋌頂部最小，井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合對關(guān)鍵點位置的影響較大。應(yīng)用溫度-壓力耦合計算方式，確定的氣體鉆井最小注氣量與現(xiàn)場施工更加接近，在給定工況下，最小注氣量誤差在0.4%左右。

氣體鉆井；壓力溫度耦合；關(guān)鍵點；最小注氣量

在進行氣體鉆井工程設(shè)計時，需要計算所需的最小氣體流量和地面注入壓力，以便選擇合適的地面裝備（空壓機，增壓機等）和準(zhǔn)確預(yù)計井底壓力。目前，現(xiàn)場一般采用Angel模型[1-4]計算氣體鉆井所需的最小體積流量。但鉆井實踐表明，該模型的計算結(jié)果往往比現(xiàn)場實際所需的最小體積流量低25%左右。歸結(jié)原因如下：①由于氣體的可壓縮性，氣體流動的壓力和溫度之間相互影響。因此氣體循環(huán)鉆井注氣量的計算，應(yīng)建立在鉆井過程中溫度壓力基礎(chǔ)之上。②以往最小注氣量計算方法均將關(guān)鍵點設(shè)置為鉆鋌頂部，但是本研究中發(fā)現(xiàn)，井筒內(nèi)氣體的攜巖動能并非一定在鉆鋌頂部最小，注氣量、就地溫度、就地壓力、井身結(jié)構(gòu)、井眼幾何尺寸之間相互影響，所以關(guān)鍵點位置的確定對于計算最小注氣量十分關(guān)鍵。

目前關(guān)于氣體鉆井時井筒流動模型往往將地層溫度當(dāng)作環(huán)空溫度，沒有考慮流體與地層巖石的傳熱，這將會導(dǎo)致誤差，且隨著井深的增加誤差也會相應(yīng)增大。因此在前人研究的基礎(chǔ)上，通過壓力-溫度耦合計算，考慮鉆柱內(nèi)流體與環(huán)空流體之間的傳熱、環(huán)空流體與井壁附近處地層之間的傳熱以及氣體流過鉆頭噴嘴過程的溫度變化[5]，求解了井眼內(nèi)部流體壓力溫度的耦合計算模型，針對不同的井眼幾何尺寸、井身結(jié)構(gòu)得出對應(yīng)的最小注氣量關(guān)鍵點位置，根據(jù)最小動能法的修正模型[3]進行了最小注氣量計算。

1 微分方程模型及求解

1.1 微分方程[4-13]

氣體鉆井井筒內(nèi)的流動方程為：

（1）質(zhì)量守恒方程

（2）動量守恒方程

（3）能量守恒方程

（4）鉆柱內(nèi)單位長度井段在單位時間的熱損失計算方程

式中：f—摩阻系數(shù)；

w—質(zhì)量流量，kg/s；

f(tD)—無因此時間函數(shù)[6]；

Uti—井筒總傳熱系數(shù)；

ke—地層導(dǎo)熱率，J/(m·k)。

得出壓力梯度方程：

溫度梯度方程：

環(huán)空壓力梯度方程以及環(huán)空內(nèi)溫度梯度方程與方程（1）～（6）相似，不再贅述。

圖1 井筒流動計算物理模型Fig.1 Wellbore flow physical model

1.2 微分方程求解

以環(huán)空出口為起點，環(huán)空內(nèi)溫度和鉆柱內(nèi)溫度初值都設(shè)為地溫，逆著流動方向進行壓力迭代求解，直到計算出鉆柱入口處壓力。再以鉆柱入口為起點，以上一次迭代出井筒壓力分布為已知值，沿著流動方向，迭代計算井筒溫度分布。

以上兩個步驟為一個迭代循環(huán)，再用此方法迭代計算溫度和壓力，直至前后兩次迭代每個單元溫度誤差小于誤差允許值，則迭代成功。

2 實例分析

以文獻[2]中實例數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，已知井深3650 m，套管鞋深度2840 m，鉆桿內(nèi)徑108.6 mm，外徑127.0 mm，鉆鋌長度244 m，內(nèi)徑71.4 mm，外徑159.0 mm，鉆頭直徑215.9 mm，鉆速10 m/h，地面溫度9℃，注入溫度38℃，地溫梯度4.07℃/hm，空氣密度1.225 kg/m3，巖屑密度2.7 g/cm3，3個鉆頭噴嘴，直徑為12 mm，鉆頭切削顆粒直徑5 mm，排出巖屑直徑1 mm，破碎功指數(shù)為3.0 kW·h/t。當(dāng)取注氣量為98 m3/min時計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 井筒內(nèi)溫度壓力Fig.2 Temperature and pressure in the wellbore

圖2為溫度壓力耦合模型計算出來的此工況井筒壓力和溫度分布，井底附近巖石溫度為157.5℃，而環(huán)空井底氣體溫度僅為103.7℃,兩者差距為53.8℃，由此看出環(huán)空溫度和地層溫度有較大差距。

若改變其鉆具組合和井深，如表1所示。

表1 不同鉆具組合和井深工況Table1 Different assembly and well depth

工況2計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 工況2井筒內(nèi)溫度壓力Fig.3 Temperature and pressure in the wellbore about working condition 2

從圖2和圖3對比來看，只改變鉆頭和鉆鋌的尺寸，溫度和壓力的分布上變化較小，但是在最小注氣量的計算選取關(guān)鍵點位置上卻有很大差別。對比圖4，由于鉆具尺寸的改變，氣體動能最小值所在的位置，即關(guān)鍵點的位置由上層套管鞋處改變?yōu)殂@鋌和鉆桿的連接處。

圖4 工況1,2井筒內(nèi)氣體動能Fig.4 Gas kinetic energy in the wellbore about working condition 1 and 2

工況3計算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出當(dāng)鉆頭底部離上層套管距離較短的情況下，關(guān)鍵點位置不再是工況2中的鉆鋌頂端，而是上層套管鞋處，說明井深對關(guān)鍵點位置的確定也有影響。

圖5 工況3井筒內(nèi)氣體動能Fig.5 Gas kinetic energy in the wellbore about working condition 3

3 最小注氣量的計算[6,17,19,20]

計算最小注氣量時引入柳貢慧最小動能法的修正模型[6]，并對關(guān)鍵點進行計算。

計算步驟如下：

（1）假定一個標(biāo)準(zhǔn)狀況下最小注氣量Qg0的初值；

（2）通過本文第一節(jié)溫度壓力耦合計算方法找出關(guān)鍵點并計算出關(guān)鍵點壓力、溫度、速度和密度；

（3）根據(jù)文獻[2]計算出關(guān)鍵點單位體積內(nèi)所有顆粒的碰撞破碎能耗W0（計算碰撞破碎能耗時，對巖屑的體積分?jǐn)?shù)取值十分重要，根據(jù)文獻[17]中內(nèi)容取巖屑體積分?jǐn)?shù)為0.004）；

（4）計算出修正地面攜巖速度，并計算攜巖最小動能Eg0，由關(guān)鍵點速度密度計算出此點Eg；

（5）比較0＜Eg-Eg0＜?，（?為計算精度），如果成立，則此Qg0為最小注氣量，若不成立，則改變Qg0重新繼續(xù)計算。

此三種工況的關(guān)鍵點位置以及計算出來的最小注氣量如表2所示。

表2 三種工況對應(yīng)最小注氣量Table2 Minimum air injection volume of 3 kinds of operating mode

由上述分析可知，鉆具組合以及井深的變化對最小注氣量的計算有較大影響，因此傳統(tǒng)計算最小注氣量時用鉆鋌頂部直接作為“關(guān)鍵點”的方法并不準(zhǔn)確。

文獻[20]中比較了Guo模型以及修正模型，當(dāng)井深3 558 m時，由不同計算模型計算出來的結(jié)果如表3所示。

表3 三種模型對應(yīng)最小注氣量Table3 Minimum air injection volume of 3 kinds of model

本文通過引入重復(fù)破碎模型運用最小動能法選擇合適的攜巖困難關(guān)鍵點計算最小注氣量，計算出此工況最小注氣量為98.4 m3/min，比Angel模型的計算結(jié)果高71.3%，比文獻[10]中模型的計算結(jié)果高24.2%。本結(jié)果與現(xiàn)場實際的注氣量98 m3/min誤差僅有0.4%，說明通過本方法計算出來的結(jié)果更符合實際。

4 結(jié)論

（1）考慮氣體與地層之間傳熱時，計算出的環(huán)空內(nèi)氣體溫度與地層溫度之間有較大的差異，說明以往將氣體鉆井時井筒溫度直接按地溫進行計算的方法會存在較大的誤差，影響了井筒流動計算參數(shù)的計算準(zhǔn)確性。

（2）考慮井身結(jié)構(gòu)、井眼幾何尺寸對“關(guān)鍵點”位置有較大的影響，通過對3種工況的比較得出傳統(tǒng)計算最小注氣量時用鉆鋌頂部直接作為“關(guān)鍵點”的方法并不準(zhǔn)確。

（3）考慮井筒傳熱以及真實“關(guān)鍵點”的情況下計算出來的最小注氣量與現(xiàn)場施工運用的最小注氣量更加接近，誤差僅為0.4%，更為符合實際。

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鈦白粉將突破21000元/噸龍蟒佰利聯(lián)加速行業(yè)洗牌

近日寧波新?；⒔鸺t石型鈦白粉在原價格基礎(chǔ)上國內(nèi)上調(diào)1000元/噸，而攀枝花鈦海科技鈦海金紅石型鈦白粉內(nèi)貿(mào)價格上調(diào)1000元/噸；安徽安納達(dá)(002136)鈦業(yè)金紅石型鈦白粉鈦白粉國內(nèi)銷售基價上調(diào)800元/噸，銳鈦型鈦白粉國內(nèi)銷售基價上調(diào)500元/噸。

近期鈦白粉總體漲幅約為5-8%

從2016年初至今，國內(nèi)鈦白粉行業(yè)的大調(diào)價已經(jīng)歷了15輪，漲價潮持續(xù)15個月。鈦白粉市場售價，從2016年初的9500元/噸，躍升至如今約18000元/噸，漲幅近90%。

然而，由于，“去產(chǎn)能”政策下鈦白粉需求“供不應(yīng)求”；2017年新能源汽車的深入推廣；目前全球范圍的鈦白粉企業(yè)都在調(diào)漲價格;鈦精礦價格持續(xù)上漲等因素，導(dǎo)致目前鈦白粉市場供需格局偏緊，價格仍將持續(xù)上行。

業(yè)內(nèi)人士指出，截至目前為止鈦白粉的漲幅近90%，而隨著環(huán)保監(jiān)測、新能源汽車的深入推廣、出口需求擴大、礦精等因素促成鈦白粉供不應(yīng)求的局勢越演愈烈，鈦白粉在近期之內(nèi)將再次呈現(xiàn)上漲趨勢，幅度約為12%左右，21000元/噸。換言之，鈦白粉經(jīng)過1年多的時間，漲幅將達(dá)100%。

Study on“Key Point”Setting and Calculation of the Minimum Air Rate in Gas Drilling

ZHU Zhong-xi1,AN Jin-tao1,WU Xing-yong2
（1.College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Hubei Wuhan 430100，China；2.Engineering and Technology Research Institute of Xinjiang Oil Field Company,Xinjiang Karamay 834000，China）

Gas drilling technology not only has the advantages of avoiding the leakage of the well,the expansion of the mud shale and the pollution of the reservoir,but also can greatly improve the drilling speed,it is also beneficial to the timely detection and effective protection of reservoir and improve the recovery of oil and gas and the yield of single well.However,the difficulty for the chip carrying,the hole blocked hinder the development of this drilling technology. The key point to solve these problems is to determine the minimum air rate in gas drilling.At present,the formation temperature is always used to replace the annulus temperature to calculate the minimum air rate,but because of PVT effect of the gas,there will be a big error.Meanwhile,the traditional method of calculation takes the top of drill collar as the“key point”,the minimum rock carrying shaft gas kinetic energy is not necessary in the top of the drill collar,the“key point”is influenced by the well structure and drilling tool combination.In this paper,the temperature and pressure coupling calculation method was used to calculate the gas drilling minimum gas injection rate,calculated result was closer to the construction site condition;Under the given conditions,the minimum gas injection error was about 0.4%.

Gas drilling;Pressure temperature coupling;Numerical calculation;Minimum air injection volume

TE21

A

1671-0460（2017）03-0507-04

國家自然科學(xué)基金項目（51202024和51474036）、中國石油科技創(chuàng)新基金項目（2013D-5006-0307）和非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心創(chuàng)新基金項目（HBUOG-2014-4）資助。

2016-10-19

朱忠喜(1978-)，副教授，主要從事氣體鉆井、井控和井漏檢測方面的研究及教學(xué)工作。Email：zhuzhongxi@126.com。

安錦濤（1990-），男，碩士學(xué)位，研究方向：氣體鉆井。E-mail：406188284@qq.com。