朱麗紅,劉建林,殷琨,黃勇
(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島266555;2.中國煤炭科工集團西安研究院,陜西西安710054;3.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春130026)
空氣反循環(huán)鉆井技術(shù)是欠平衡鉆井技術(shù)的重要分支,與傳統(tǒng)鉆井液鉆井相比具有高鉆速、保護油氣層、降低成本等優(yōu)勢,已成功應(yīng)用于開發(fā)淺層天然氣和煤層氣中[1-2],其工作原理是以壓縮空氣為主的鉆井循環(huán)流體沿鉆桿內(nèi)壁到達井底,冷卻鉆頭,并攜帶鉆頭鉆進產(chǎn)生的巖屑沿環(huán)空上返至地表。該項技術(shù)具有機械鉆速高等優(yōu)點,在低壓、低滲地層等非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)中具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢,應(yīng)用前景較為廣闊[3]。
由于氣體具有可壓縮性,常規(guī)泥漿鉆井的有關(guān)理論對空氣鉆井而言己不適用??諝忏@井在國內(nèi)剛剛起步,很多理論分析、計算方法尚未形成[4-5]。面對空氣鉆井的日益發(fā)展壯大,急需開展空氣鉆井理論方面研究,為空氣鉆井的設(shè)計、設(shè)備選型、工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論保證和技術(shù)支持。
結(jié)合空氣鉆井技術(shù)特點,模型基本假設(shè)如下[3]:⑴直井鉆進;⑵不考慮溫度變化的影響;⑶忽略巖屑顆粒和設(shè)備器壁的端末效應(yīng)影響;⑷鉆進中循環(huán)空氣滿足理想氣體狀態(tài)方程;⑸環(huán)空內(nèi)處于紊流完全粗糙區(qū);⑹不考慮鉆柱旋轉(zhuǎn)的影響;⑺可壓縮氣體與不可壓縮氣體均勻的混合在一起并以相同速度流動;⑻當(dāng)固體巖屑混入氣液流時,假定在大小、密度上一致的巖屑能一直的分布于氣液流中。
由空氣壓縮機輸出的壓縮氣體,沿地表進氣管進入鉆具開始孔內(nèi)循環(huán),到達孔底后攜帶鉆頭鉆進產(chǎn)生的巖屑沿環(huán)空上返至地表,完成循環(huán)。在井內(nèi)某一深度處取微元體,建立微分方程[4]。壓力梯度d p,在兩相流向上流動中隨d h而變化,固體巖屑體積忽略不計。其關(guān)系式可表示為
由理想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒定律知
將式(2)和式(3)代入式(1)則有
做如下定義
則式(4)可改寫成
借助微分方程求解方法對式(5)進行求解,略去過程,方程結(jié)果為
其中C常由邊界條件確定。
假設(shè)邊界條件已知環(huán)空出口壓力Pe,所求壓力為Px。以上各式中參數(shù)說明如下:
①wt——從環(huán)空井底到地面的流體總的重量流量
式中wg——空氣的重量流量,N/s
ws——固體巖屑的重量流量,N/s
②范寧系數(shù)f[5]
其中,e為環(huán)空表面的絕對粗糙度,e=0.001524m;d為當(dāng)量直徑,在環(huán)空處計算公式為
③絕對平均溫度Taν
式中Tr——井口絕對溫度,K
Th——井底絕對溫度,K tr——井口溫度,℃th——井底溫度,℃
規(guī)定系數(shù)如下
鉆桿環(huán)空處對應(yīng)的方程為
鉆鋌環(huán)空處對應(yīng)的方程為
式(11)和式(12)為空氣鉆井環(huán)空壓力計算模型,通過計算即可得到環(huán)空壓力變化特征。
算例原始數(shù)據(jù)見表1和表2,計算模型見圖1。
根據(jù)井段的不同,對應(yīng)系數(shù)C0、C1、C2、C常1、C常1見表3。
采用C語言編程,采用牛頓迭代法,當(dāng)
表1 通用算例數(shù)據(jù)說明(一)
表2 通用算例數(shù)據(jù)說明(二)
圖1 算例模型
由上圖可知,環(huán)空壓力從井口到井底逐漸升高。其中在鉆桿與鉆鋌交接處,壓力梯度迅速增加,壓力急劇升高。這主要是由于鉆桿與鉆鋌外徑相差較大,使得環(huán)空橫截面積突然減小,流速迅速增加導(dǎo)致壓力升高。在鉆桿環(huán)空段,P-H基本遵循線形關(guān)系,壓力分布均勻連續(xù)。
表3 各個系數(shù)對應(yīng)表
圖2 空氣鉆井環(huán)空處P-H分布曲線
從循環(huán)系統(tǒng)的壓力分布入手,通過優(yōu)化理論模型等手段,推導(dǎo)出環(huán)空壓力計算模型。并將理想狀態(tài)方程應(yīng)用到環(huán)空壓力的求解過程中,得出環(huán)空壓力隨深度變化的通用解。采用C語言編程計算,得到壓力P隨井深H曲線,歸納出空氣鉆井中壓力隨井深變化規(guī)律,為現(xiàn)場工作人員提供了有效的參照,同時為空氣鉆井的設(shè)計、設(shè)備選型、工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論保證和技術(shù)支持。
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