气体钻井最小注气量模型的优化

孙士慧，闫铁，毕雪亮 （东北石油大学提高油气采收率重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

张东 （安东石油技术 （集团）有限公司，北京 100102）

气体钻井最小注气量模型的优化

孙士慧，闫铁，毕雪亮 （东北石油大学提高油气采收率重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

张东 （安东石油技术 （集团）有限公司，北京 100102）

气体钻井施工中保持合理的气体体积流量对钻井的成功至关重要，为实现气体体积流量的准确预测，根据修正的Tabatabei携液最小动能理论，结合考虑岩屑和侵入流体影响的环空压降计算方法，建立了气体钻井连续携岩、携液的最小注气量模型。其中，Tabatabei携液最小动能理论的修正考虑了温度对表面张力的影响及雷诺数和液滴球形度对曳力系数的影响；由于模型所确定的最小注气量是地面条件下的，因此引入了原油体积系数、天然气体积系数、地层水体积系数来表征温度、压力对油、气、水等流体的影响。模型计算结果分析表明，气体钻井连续携岩、携液需要更大的注气量；注气量的大小与机械钻速、环空截面积、井口回压有关。

气体钻井；最小动能；最小注气量；携液；携岩

气体钻井技术因具有机械钻速高、成本低、有效控制漏失层、及时评价低压低渗油气层和保护油气层等优点而备受青睐。合理的注气量是气体钻井成败的关键，注气量太小，携岩能力不足将导致岩屑被重复破碎，严重影响机械钻速，同时岩屑还会向井底沉降，在井内堆积，造成扼流，致使钻井作业无法正常进行；注气量过大又会增大环空压降，从而增加井底压力，致使机械钻速降低，并会使井眼冲蚀扩大。因此有必要对气体钻井的注气量进行优化。

气体钻井最小注气量的计算，国内外学术界逐渐形成了井底清洁的三类标准，即最小动能标准、最小速度标准和最小井底压力标准，这三类标准都是基于携带岩屑标准提出的［1～5］；对于携液所需最小注气量，主要是借鉴气井生产携液理论进行研究，不考虑岩屑的影响［6～8］。而在气体钻井过程中，允许地层流体有控制的进入井内，环空流体流动是气、液、固多相流动，但对于气体钻井连续携岩、携液理论还没有统一的认识。笔者通过引入考虑温度影响的表面张力模型及考虑雷诺数和液滴球形度的滑脱系数理论，修正了Tabatabei携液最小动能模型；结合考虑岩屑及侵入流体影响的环空压降计算方法，改进了气体钻井最小注气量模型，用于更为准确地预测携带岩屑和侵入流体的最小注气量。

1 修正的气体钻井携液最小动能模型

2 气体钻井最小注气量模型的优化

式中：Dh为环空当量直径，in；DH为井眼直径，in；Dp为钻杆外径，in；qo、qw分别为侵入油、侵入水的体积流量，gal／min。

将式 （5）代入式 （20），采用Newton-Raphson循环算法求解，即可得到气体钻井最小注气量。

3 模型结果分析

某井井眼直径为165mm，钻杆外径为88.9mm，钻速为18m／h，地面温度为15℃，井口回压为0.1MPa，井筒侵入油、侵入水的体积流量分别为0.1m3／d和1m3／d。利用Tabatabei最小携液模型和本文优化的最小注气量模型分别求取所需的最小注气量，其结果对比如图1所示。不同机械钻速下井眼清洁所需的最小注气量如图2所示。

图1 Tabatabei模型与本文模型最小注气量对比图

图2 不同机械钻速所需最小注气量

由图1可知，修正Tabatabei模型由于忽略岩屑和涌入流体的影响，使得计算的最小注气量偏小，不能够保证井眼充分清洁。同时携带岩屑和涌入流体所需的注气量更大。

由图2可知，机械钻速与注气量成正比。机械钻速越高，所需的最小注气量越大。井眼直径为215.9mm，钻杆外径分别为88.9mm、114.3mm，不同水侵入量下其所需最小注气量对比如图3所示。

图3 不同侵入水体积流量下对应的最小注气量

由图3可知，相同井眼直径，较小钻杆外径的井眼需要的最小注气量较高。这是因为钻杆外径越小，环空面积越大，需要越高的注气量以满足井眼清洁条件。

岩屑体积流量对最小注气量的影响如图4所示。由图4可知，随着岩屑体积流量的增加，所需最小注气量增加，因为岩屑对井筒流体的流动有阻碍作用，降低了携液效率。为实现有效的携液，需要更高的注气量。从图4还可看出，随着井深的增加，岩屑体积流量的影响越显著。

相同井眼条件下，携带相同体积的侵入流体，不同井口回压下所需的最小注气量如图5所示。由图5可知，增加井口回压，所需的最小注气量显著增加。因此，为有效携带出井筒流体应保持尽可能低的井口回压值。

图4 不同岩屑体积流量对最小注气量的影响

图5 井口回压对最小注气量的影响

4 结论

1）模型考虑温度对表面张力的影响、雷诺数与球形度对曳力系数的影响，并引入原油体积分数、地层水体积分数、天然气体积分数表示温度、压力对侵入流体的影响，优化气体钻井最小注气量模型，更加符合实际情况，有效提高了模型预测精度。

2）模型计算结果分析表明，为有效保证井眼清洁，与最小携液标准相比，同时携带岩屑和侵入流体需要更大的注气量。

3）模型敏感性分析表明，机械钻速与注气量成正比，机械钻速越高，最小注气量越大；相同井眼直径，钻杆外径越小，环空面积越大，所需最小注气量越大；环空岩屑体积流量越大，注气量越大；增加井口回压，所需最小注气量相应增加，建议气体钻井过程中维持尽可能低的井口回压。

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［编辑］ 黄鹂

Optimized Model for Predicting Minimum Gas Injection Rate in Gas Drilling

SUN Shihui，YAN Tie，BI Xueliang，ZHANG Dong （First Author' s Address：MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery，Northeast Petroleum University，Daqing163318，Heilongjiang，China）

It was critical important for maintaining an adequate rate of a successful gas drilling operation.To accurately predict the volumetric gas flow，based on verified Tabatabei' s minimum kinetic energy theory and in combination with a method for calculating annulus pressure drawdown that considered the influence of rock cuttings and fluid invasion，a numerical model was established for determining the required minimum gas flow rate for continuously carrying cuttings.The effects of temperature on interfacial tension and Reynolds number and sphericity on drag coefficient were taken into account in modifying minimum kinetic energy theory.Because the required minimum flow rate was determined at surface condition，oil volumetric coefficient，gas volumetric coefficient and the volumetric coefficient of formation water were introduced to represent the impact of temperature and pressure on oil，gas and water.Model calculation results show that a higher gas injection rate is required for continuously carrying cuttings and liquid during gas drilling.And the size of required gas injection rate is related with ROP，annulus area and back-pressure on wellhead.

gas drilling；minimum kinetic energy；minimum gas injection rate；liquid carrying；cutting carrying

TE22

A

1000-9752（2014）04-0086-05

2013-10-10

国家科技重大专项 （2011ZX05021-006）；国家自然科学基金项目 （51374077）。

孙士慧 （1986-），女，2008年东北石油大学毕业，博士生，现主要从事气体钻井、欠平衡钻井多相流的研究。