田院剛 周三平

(西安石油大學(xué)， 西安 710000)

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深水鉆井隨鉆氣侵模型研究

田院剛 周三平

(西安石油大學(xué)， 西安 710000)

以地層滲流理論為基礎(chǔ)，建立了深水鉆井隨鉆氣侵模型，結(jié)合南海某井實(shí)際氣侵情況，模擬深水鉆井井筒氣體膨脹規(guī)律。研究結(jié)果表明：發(fā)生氣侵后，氣侵量隨氣侵時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；當(dāng)機(jī)械鉆速加大后，在相同時(shí)間內(nèi)打開產(chǎn)層的厚度變大，進(jìn)入到井筒的氣體越多，氣侵量越大；滲透率增大后，在相同時(shí)間內(nèi)流入到井筒的氣體越多，氣侵量越大。

深水鉆井； 氣侵； 隨鉆； 溢流

在進(jìn)行深水鉆井時(shí)，當(dāng)遇到復(fù)雜地層，或?qū)Φ貙犹匦圆皇煜r(shí)，可能會(huì)發(fā)生氣侵。當(dāng)井筒發(fā)生氣侵時(shí)，地層流體進(jìn)入井筒后處于多相流動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜多變，很難精確的預(yù)測(cè)，當(dāng)井底壓差為負(fù)時(shí)，如果處置不及時(shí)，就有可能導(dǎo)致井噴的發(fā)生。這些不僅會(huì)給產(chǎn)層帶來(lái)?yè)p害，更為嚴(yán)重的是會(huì)危及人的生命安全。因此，了解深水鉆井隨鉆氣侵的發(fā)生條件是非常有必要的。

深水鉆井時(shí)，當(dāng)產(chǎn)層被打開后，產(chǎn)層的油氣主要通過(guò)4種形式進(jìn)入井筒[1-4]：(1) 通過(guò)泥餅擴(kuò)散到井筒內(nèi)；(2) 大量氣體在壓力差作用下流入井筒內(nèi)；(3) 在鉆頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨鉆屑涌入井筒內(nèi)；(4) 水合物分解產(chǎn)生的氣體進(jìn)入井筒。

當(dāng)氣體進(jìn)入井筒后，主要以2種形式存在：一種是以氣泡的形式存在于鉆井液中；另一種則是以氣柱的形式存在于鉆井液中。當(dāng)鉆井液上返至上部地層時(shí)，由于壓力的減小，鉆井液中的氣泡、氣柱開始膨脹，使得鉆井液的密度、總體液柱壓力降低，有可能導(dǎo)致井底壓力小于地層壓力。如果長(zhǎng)時(shí)間不處理，就會(huì)導(dǎo)致大量氣體進(jìn)入井筒，發(fā)生井噴。因此，必須對(duì)不同地質(zhì)條件及井筒狀況下的氣侵量進(jìn)行精確計(jì)算，才能防止氣侵造成的嚴(yán)重危害。

1 深水鉆井氣侵流動(dòng)模型

(1) 連續(xù)性方程。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，得到深水鉆井氣體在地層中流動(dòng)的連續(xù)性方程[5]：

(1)

式中：ρg—— 氣體的密度，kg/m3；

vx、vy、vz—— 氣體速度分別沿x、y、z方向上的分量，m/s；

φ—— 孔隙度，%。

(2) 運(yùn)動(dòng)方程。假設(shè)鉆井過(guò)程中，氣體從地下侵入到井筒的過(guò)程中服從線性滲流規(guī)律，那么該流體的運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式為：

(2)

式中：ν—— 流體的速度，m/s；

K—— 滲透率，10-3μm2；

μ—— 氣體的黏度，mPa·s；

p—— 壓力，MPa。

(3) 狀態(tài)方程。對(duì)于真實(shí)氣體：

(3)

式中：γ—— 天然氣重率，無(wú)量綱；

R—— 氣體常數(shù)，無(wú)量綱；

T—— 地層溫度，K；

Z—— 天然氣壓縮因子，無(wú)量綱。

氣體的等溫壓縮系數(shù)：

(4)

對(duì)于均質(zhì)地層，理想氣體穩(wěn)定侵入的微分方程可以寫成：

▽2p2=0

(5)

設(shè)某個(gè)壓力狀態(tài)下的壓力為pa，在該壓力狀態(tài)下的其他參數(shù)用Za、Ta、γa表示。在等溫條件下：

(6)

若氣體為真實(shí)氣體，γ應(yīng)符合真實(shí)氣體的狀態(tài)方程：

(7)

2 深水鉆井隨鉆氣侵模型

根據(jù)深水鉆井氣侵流動(dòng)控制方程，對(duì)由地層進(jìn)入井筒的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行描述。通過(guò)建立深水鉆井隨鉆氣侵模型，了解流體的流動(dòng)規(guī)律及在氣侵過(guò)程中氣侵量、井底壓力的變化規(guī)律。

隨鉆過(guò)程中，氣體的侵入過(guò)程屬于彈性不穩(wěn)定滲流[6]?；炯僭O(shè)條件為：

(1) 地層的傳熱過(guò)程是等溫的；

(2) 侵入氣體黏度為定值；

(3) 地層均質(zhì)，地層系數(shù)均不隨壓力發(fā)生變化；

(4) 服從線性滲流定律。

氣體不穩(wěn)定侵入的連續(xù)性方程可表示為[6-8]：

(8)

將運(yùn)動(dòng)方程和狀態(tài)方程代入式(8)可得：

(9)

當(dāng)氣體黏度是隨壓力變化的函數(shù)時(shí)，則

(10)

根據(jù)不穩(wěn)定滲流氣體侵入的二項(xiàng)式定律計(jì)算模型[6-7]，并引入機(jī)械鉆速v1：

v1=h/t

(11)

得到：

(12)

則氣侵量的表達(dá)式為：

(13)

因此得到的隨鉆氣侵量模型為：

(14)

式(11)—(14)中：

K—— 滲透率，10-3μm2；

h—— 打開儲(chǔ)層厚度，m；

pe—— 地層壓力，MPa；

pw—— 井底壓力，MPa；

t—— 時(shí)間，s；

v1—— 機(jī)械鉆速，m/s；

re—— 氣體有效侵入半徑，m；

rw—— 井底半徑，m；

β—— 紊流引起的慣性阻力系數(shù)；

Qg—— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣侵量，m3；

S—— 表皮系數(shù)；

z—— 平均氣體偏差系數(shù)；

μ—— 平均氣體黏度，mPa·s。

Ramey提出了擬壓力的定義式后，推導(dǎo)出氣體穩(wěn)定流動(dòng)的達(dá)西公式[9]：

(15)

pwf—— 井底壓力，MPa。

Nickens等人建立的氣井動(dòng)態(tài)井控模型中，氣體侵入流量的表達(dá)式為[8]：

(16)

(17)

式中：pp—— 地層壓力，MPa；

pb—— 井底壓力，MPa；

t1—— 溢流時(shí)間，s；

μg—— 平均氣體黏度，mPa·s；

tD—— 無(wú)因次時(shí)間。

3 實(shí)例計(jì)算及結(jié)果分析

利用隨鉆氣侵井筒溫度壓力模型和深水鉆井隨鉆氣侵模型，以南海某深水井為例，模擬深水鉆井井筒氣體膨脹規(guī)律。該井的鉆井基本參數(shù)見(jiàn)表1。

3.1 氣侵速度隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖1是由3種不同模型得到的氣侵速度隨時(shí)間的變化曲線(ρ=1 300 kg/m3，Q=30 L/s，機(jī)械鉆速v1=3 m/h)。從3條曲線可以得到同樣的結(jié)論，即深水鉆井隨鉆過(guò)程中發(fā)生氣侵后，氣侵速度隨氣侵時(shí)間的增長(zhǎng)不斷增加。原因是發(fā)生氣侵后，氣體進(jìn)入井筒后導(dǎo)致液柱壓力降低，井底壓力降低，壓差增大，進(jìn)而氣侵速度也不斷增大。

表1 南海某井基本參數(shù)

圖1 氣侵速度隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖2是由3種不同模型得到的氣侵速度隨機(jī)械鉆速的變化規(guī)律(ρ=1 300 kg/m3，Q=30 L/s)。可以看出：當(dāng)機(jī)械鉆速由2 m/h增加到4 m/h時(shí)，同一時(shí)間點(diǎn)上，氣侵速度是增大的。當(dāng)氣侵時(shí)間達(dá)到 20 min時(shí)，氣侵速度由1.0 m3/h增加到2.0 m3/h。原因是發(fā)生氣侵時(shí)，當(dāng)機(jī)械鉆速增大后，在相同時(shí)間內(nèi)打開產(chǎn)層的厚度變大，進(jìn)入到井筒的氣體就會(huì)越多，氣侵量就會(huì)增大。

圖2 氣侵速度隨機(jī)械鉆速的變化規(guī)律

圖3是由3種不同模型得到的氣侵速度隨地層滲透率的變化規(guī)律曲線(ρ=1 300 kg/m3，Q=30 L/s，其他條件保持不變)?？梢钥闯觯瑵B透率對(duì)氣侵速度的影響較大。當(dāng)滲透率由5×10-3μm2增加到50×10-3μm2時(shí)，同一時(shí)間點(diǎn)上，氣侵速度是增大的。當(dāng)氣侵時(shí)間達(dá)到 20 min 時(shí)，氣侵速度由1.0 m3/h增加到2.0 m3/h。原因是發(fā)生氣侵時(shí)，當(dāng)滲透率增大后，在相同時(shí)間內(nèi)流入到井筒的氣體就會(huì)越多，氣侵速度就會(huì)越大。

圖3 氣侵速度隨地層滲透率的變化規(guī)律

4 結(jié) 論

以地層滲流理論為基礎(chǔ)，建立了深水鉆井氣侵流動(dòng)模型與深水鉆井隨鉆氣侵模型，結(jié)合南海某井實(shí)際氣侵情況，模擬深水鉆井井筒氣體膨脹規(guī)律。研究得知：

(1) 深水鉆井隨鉆過(guò)程中發(fā)生氣侵后，氣侵量隨氣侵時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷增加。(2) 當(dāng)機(jī)械鉆速增大后，在相同時(shí)間內(nèi)打開產(chǎn)層的厚度變大，進(jìn)入到井筒的氣體就會(huì)越多，氣侵量就會(huì)越大。(3) 地層滲透率增大后，在相同時(shí)間內(nèi)流入到井筒的氣體就會(huì)越多，氣侵量就會(huì)越大。

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Study on Gas Cut While Drilling in Deep Water

TIANYuangangZHOUSanping

(Xi′an Shiyou University, Xi′an 710000, China)

Based on the percolation theory of formation, gas cut model of deepwater drilling during drilling process is established. Combined with the practical gas cut condition in the south China sea, wellbore gas expansion law of deepwater drilling is simulated. The results show: as the growth of gas invasion time, gas influx is also increased; with the increase of penetration rate, the drilling depth increases, and gas in the wellbore will increase to cause larger influx. And when the permeability increases, gas in the wellbore will be more and gas influx will grow.

deep water drilling; gas cut; while drilling; overflow

2016-11-18

“十一五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高含硫氣藏安全高效開發(fā)技術(shù)”(2008ZX05017)；“十一五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“四川盆地普光大型高含硫氣田開發(fā)示范工程”(2008ZX05048)

田院剛(1985 — )，男，工程師，研究方向?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)。

TE24

A

1673-1980(2017)03-0007-03