超臨界流體對環(huán)空壓力的影響

王朋飛

(1.中原石油工程公司 西南鉆井分公司，河南 濮陽 457000；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

超臨界流體對環(huán)空壓力的影響

王朋飛1，2

(1.中原石油工程公司 西南鉆井分公司，河南 濮陽 457000；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

針對川東北羅家寨、普光和元壩等區(qū)塊CO2、H2S含量高，井底處于超臨界狀態(tài)。從氣侵后井筒環(huán)空氣液兩相流動壓降計算模型出發(fā)，對地層中超臨界流體在環(huán)空中運移和相態(tài)變化進(jìn)行分析。基于元壩區(qū)塊某井實際混合氣體氣侵后的視臨界壓力為5.11 MPa，視臨界溫度為-53.82 ℃，研究了氣體在環(huán)空中運移的壓縮因子比值、壓力和溫度比值變化，給出了體積比值的變化曲線和氣體在環(huán)空空間上的分布規(guī)律，為海相高酸酸性氣田勘探開發(fā)提高理論基礎(chǔ)。

超臨界流體；元壩區(qū)塊；臨界參數(shù)；相態(tài)

含酸性油氣藏在鉆井過程中，發(fā)生氣侵后，超臨界流體侵入井底，在上升運移過程中，隨著環(huán)空壓力和溫度的不斷減小，當(dāng)?shù)陀谂R界點時瞬間發(fā)生相態(tài)變化，侵入流體成為氣體。這將造成體積在井口處膨脹，極易誘發(fā)井噴。而不同區(qū)塊流體存在差異性，地層壓力系數(shù)和地溫系數(shù)變化大，這就需要具體分析和計算。在實際施工過程中，首先要充分認(rèn)識到環(huán)空氣侵后的流態(tài)分布，超臨界流體相態(tài)變化過程中對井筒環(huán)空壓力的影響，根據(jù)井筒監(jiān)測的氣體組分和井筒條件進(jìn)行臨界參數(shù)計算，依據(jù)實際氣體狀態(tài)方程求出侵入流體的體積變化比?，F(xiàn)場根據(jù)體積變化比值可直觀的看出井筒流體狀態(tài)分布，通過環(huán)空壓力來控制體積膨脹變化。

1 井筒環(huán)空循環(huán)壓力模型

1.1氣侵井筒環(huán)空流態(tài)分布

實際鉆井氣侵發(fā)生后，環(huán)空中存在的兩相流包括泡狀流、分散泡狀流、段塞流、環(huán)狀流、分層流五種流型。根據(jù)單位時間內(nèi)氣侵量的不同可分為以下情況。1)微小氣侵量，整個井眼均為泡狀流，鉆井液池內(nèi)有氣泡。2)小氣侵量，井眼中、下部均為泡狀流，上部為段塞流，井口可以看到呈噴狀的干氣。3)中氣侵量，井底為泡狀流，中上部為段塞流，井口為環(huán)狀流，井口出現(xiàn)連續(xù)的噴勢。4)大氣侵量，對于高裂縫溶洞性和高產(chǎn)氣藏，進(jìn)入井眼的氣體流量大，井眼底部會出現(xiàn)段塞流，中上部將出現(xiàn)環(huán)狀流，地面易形成強烈的井噴。

1.2壓降計算模型

2 含超臨界流體對井筒壓力的影響

2.1超臨界流體特性

超臨界態(tài)流體是指處于臨界溫度和臨界壓力以上的流體。其密度約為液體的1/3，為氣體的數(shù)百倍，且具有類似液體的溶解能力。對于元壩區(qū)塊氣井來說，組分以甲烷和乙烷為主，其酸性氣體以硫化氫和二氧化碳為主。其臨界條件和物性見表1。

表1 常見烴類和非烴類氣體的物性常數(shù)表

超臨界態(tài)流體具有特殊的相態(tài)特征(見表2)，既具有氣體的特性，也具有液體的特性。其擴(kuò)散系數(shù)、粘度接近于氣體，而其又具有粘度小、擴(kuò)散系數(shù)大、密度大、流動性好、良好的溶解性。

表2 不同狀態(tài)的性質(zhì)比較

2.2溢流期間環(huán)空相態(tài)變化

高含硫氣井發(fā)生溢流后，侵入流體一般有甲烷、二氧化碳、硫化氫、乙烷等。氣侵發(fā)生時，超臨界流體以微小氣泡吸附在鉆井液中顆粒的表面，隨著鉆井液的循環(huán)上升。超臨界流體在上升的過程中，隨著壓力和溫度的不斷減小，環(huán)空流體將會發(fā)生不同的相態(tài)變化。下面就從元壩區(qū)塊不同的氣體組分的飽和蒸汽壓曲線與井筒環(huán)空條件對比來說明其環(huán)空相態(tài)變化。

從圖1可以看出，通過井筒環(huán)空邊界條件繪制出井筒壓力與溫度對應(yīng)關(guān)系曲線，某流體的飽和蒸汽壓曲線與其未相交并在左側(cè)，說明環(huán)空流體在井筒運移過程中隨著壓力和溫度的降低，當(dāng)井筒壓力低于流體臨界壓力時，流體從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，在臨界點附近滿足實際氣體的狀態(tài)方程，相變過程中體積會有所膨脹，但不會出現(xiàn)劇烈膨脹的現(xiàn)象。某流體的飽和蒸汽壓曲線與井筒壓力與溫度對應(yīng)關(guān)系曲線相交，說明環(huán)空流體在上升運移中壓力和溫度都降低，當(dāng)井筒溫度低于流體臨界溫度時，流體先轉(zhuǎn)變到液態(tài)，繼續(xù)上移當(dāng)井筒壓力低于流體臨界壓力時，流體再從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積將會在臨界點附近發(fā)生劇變。

當(dāng)溢流發(fā)生后，在敞井情況下，超臨界流體侵入井底，隨著滑脫上升運移，壓力和溫度下降。當(dāng)溫度低于硫化氫的臨界溫度，硫化氫將由超臨界態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，繼續(xù)上升運移，當(dāng)壓力降低至二氧化碳和甲烷的臨界壓力后，兩種流體將由超臨界態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，體積會出現(xiàn)膨脹，當(dāng)壓力接近至硫化氫飽和蒸汽壓線附近時，硫化氫將由液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積將發(fā)生劇烈的膨脹。在氣體的劇烈膨脹中，過多的鉆井液將會排出井筒，造成環(huán)空液柱壓力下降，井底壓力不平衡，引起再一次的溢流發(fā)生。

3 實際超臨界流體對井筒環(huán)空壓力影響

描述流體的狀態(tài)方程的數(shù)學(xué)式為，對于低壓情況，天然氣可視為理想氣體采用PV=nRT。而對于高溫高壓下的天然氣，就需要應(yīng)用天然氣壓縮型狀態(tài)方程，PV=ZnRT，其中Z為壓縮因子，，其值可通過壓縮因子圖版查得。

3.1實際混合氣體臨界參數(shù)計算方法

實際混合氣體與理想氣體符合對應(yīng)狀態(tài)原理，針對多組合烴類混合物的天然氣將引出視臨界參數(shù)，也就是臨界壓力、臨界溫度、臨界密度?；旌蠚怏w組分的臨界參數(shù)的計算方法如下:

PPC=ΣyiPci；TPC=ΣyiTci

式中:yi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù);PPC、TPC分別為混合物的擬臨界壓力和擬臨界溫度;Pci、Tci分別為組分i的臨界壓力和臨界溫度。

針對含有二氧化碳和硫化氫的混合氣體，引入以濃度為函數(shù)的視臨界溫度的校正系數(shù)，然后再校正視臨界壓力和視臨界溫度。

由實際氣體狀態(tài)方程PV=ZnRT，可得出氣侵后井筒環(huán)空氣體體積計算公式：

p(d)、T(d)、V(d)為已知井底氣體的壓力、溫度和體積；p(h)、T(h)、V(h)為環(huán)空某井深氣體的壓力、溫度和體積。

3.2實例分析

川東北元壩氣田某井二疊系飛仙關(guān)組氣層深度7 330.70 m，鉆井液密度1.70 g/cm3，井底溫度140 ℃，出口溫度57.4 ℃。混合氣體組分：甲烷86.72%，乙烷0.04%，二氧化碳6.35%，硫化氫6.61%，氮氣0.28%，相對密度0.658 5。

通過混合氣體各組分臨界溫度和壓力與組分含量乘積進(jìn)行求和得到混合氣體的臨界溫度和壓力，因為含有硫化氫和和二氧化碳酸性氣體，根據(jù)其摩爾分?jǐn)?shù)求出校正系數(shù)進(jìn)行校正，得出視臨界溫度和壓力。經(jīng)計算混合氣體組分的視臨界壓力5.11 MPa，視臨界溫度-53.82 ℃。氣侵井筒流體參數(shù)變化見圖2，從圖2中可看出，環(huán)空流體在上升中相態(tài)變化與甲烷相態(tài)變化相符。當(dāng)氣侵發(fā)生后，超臨界流體隨著鉆井液上升，流體溫度和壓力曲線逐漸減小，到達(dá)一定深度后由超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)，相態(tài)變化遠(yuǎn)離流體臨界點，不具備臨界點附近發(fā)生體積劇變，不會出現(xiàn)劇烈膨脹的現(xiàn)象。

根據(jù)實際氣體狀態(tài)方程可知，環(huán)空某井深與井底氣體體積比值與溫度比值和壓縮因子比值成正比，與壓力比值成反比。隨著流體侵入井筒并隨鉆井液向上運移，根據(jù)環(huán)空溫度變化求出環(huán)空所求點溫度與井底溫度之比和鉆井液密度求出井底壓力與所求點壓力之比，根據(jù)壓力溫度和混合氣體視臨界參數(shù)，查表求出Z值，作出環(huán)空所求點的壓縮因子與井底壓縮因子之比。綜合三個比值便可求出環(huán)空所求點混合氣體的體積與井底氣侵體積的比值。通過計算可得到環(huán)空環(huán)空某井深與井底氣體體積比值如圖3。

從圖3中可看出溫度比值基本呈線性關(guān)系下降，壓縮因子比值在井深1 000 m出現(xiàn)拐點變化，兩者變化幅度均不大。壓力比值曲線分井段變化明顯，在1 500～7 300 m 井段曲線平緩上升，變化值較?。辉? 500～500 m井段壓力比值曲線變化迅速，基本保持成倍的增長；在500 m至井口段壓力比值曲線變化發(fā)生大幅變化。

影響環(huán)空混合氣體積比變化的主要因素為壓力比值大小，由于壓縮因子的影響，環(huán)空所求的體積與井底氣侵體積的比值曲線突變要比壓力比值曲線稍微延遲，在井深1 000 m出現(xiàn)明顯上升，接近井口300 m的范圍內(nèi)，壓力比值有較明顯的膨脹特征，會由幾倍直接變化到幾十倍，極易造成鉆井液溢出轉(zhuǎn)盤面。但流體在井筒運移過程中，不會出現(xiàn)在超臨界點附近處特有的瞬時體積劇烈膨脹幾百幾千倍的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)元壩區(qū)塊超臨界流體發(fā)生氣侵后，隨著溫度壓力的下降，二氧化碳和甲烷僅從超臨態(tài)至氣態(tài)，發(fā)生一次相變過程，而硫化氫將由超臨態(tài)至液態(tài)再到氣態(tài)，發(fā)生兩次相變過程。

2)元壩區(qū)塊實際流體在井筒環(huán)空中上升運移至井深1 000 m會出現(xiàn)體積上升，接近井口300 m的范圍內(nèi)，壓力比值會由幾倍直接變化到幾十倍，不會造成惡性井噴事故。

3)含有高組分的二氧化碳和硫化氫混合氣體視臨界參數(shù)，必須引入以濃度為函數(shù)的視臨界溫度的校正系數(shù)進(jìn)行修正。

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InfluenceofSupercriticalFluidinAnnulusPressure

WANG Peng-fei1，2

(1.Southwest Drilling Company of Zhongyuan Pertroleum Engineering Co., Ltd,Sinopec, Puyang 457000, Henan, China;2.Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,Sichuan, China)

The gas fluid of the bottom of well maintains the supercritical condition，when the content of the CO2and H2S is high in northeast gas fields in Sichuan, including Luojiazhai, Puguang and Yuanba area. This paper analyzed supercritical fluid migration and phase exchange to research the calculation model of the air-liquid two-phase flow pressure drop in the well annulus. Depending on the critical pressure 5.11 MPa and the critical temperature -53.82 ℃ after the gas incursion in the well of Yuanba area，we have calculated the volume ratio change curve and the law of the gas distribution in the annulus to study the change of the ratio of compressibility factor, pressure and temperature variations during the gas transport. It will improve the theoretical basis in the high acid reservoir exploration and development of southern marine strata.

supercritical fluid; Yuanba area; critical parameters; phase state

TE311

A

1008-9446(2017)04-0019-05

Hasan-Kabir模型，分析垂直圓管中氣液兩相流動形態(tài)轉(zhuǎn)變的機理，給出了圓管中流動型態(tài)的判別準(zhǔn)則及各種流動型態(tài)下的壓降計算方法。

2016-11-10

王朋飛(1979-)，男， 陜西渭南人，工程師,在職研究生，主要從事現(xiàn)場鉆井和固井技術(shù)研究和實踐工作,E-mail：xnzjwpf@163.com。