气体钻井地层出水条件下井筒湿度研究

2016-09-23李海涛李永杰翟小强孟英峰陶祖文

天然气技术与经济 2016年4期

关键词：出水量环空井口

李海涛　魏　纳　李永杰　翟小强　孟英峰　李　皋　陶祖文

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川　成都　610500；

2.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京　102206；

3.中国石化西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川　德阳　618000）

气体钻井地层出水条件下井筒湿度研究

李海涛1魏纳1李永杰1翟小强2孟英峰1李皋1陶祖文3

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500；

2.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206；

3.中国石化西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川德阳618000）

建立了稳态钻杆—环空流动模型，与此同时耦合井筒压力、温度分布以及井筒相对湿度模型，通过数值模拟求解从而得到井筒压力分布、气体最大含湿能力、相对湿度分布以及露点条件下的地层临界出水量和相对湿度。研究结果表明：当相对湿度高于露点条件下的临界相对湿度时，虽在井口未见凝液出现，但井底已有凝液出现，随着地层水在井筒内对岩屑和井壁的的不断作用，最终导致井下复杂情况的发生。

气体钻井湿度压力出水量数值模拟

0　引言

气体钻井技术是以气体为循环介质进行钻井的新技术，它与常规钻井相比，具有很多的优点：提高机械钻速，保护储层和防止漏失等［1-2］。在气体钻井施工过程中，环空压力始终低于地层压力，能够及时地发现和保护好油气储层，提高油气勘探效益。在气体钻井钻遇出水层的过程中，有可能引起携岩困难、水敏性地层的井壁失稳，造成井壁垮塌，进而引发卡钻、埋钻等井下复杂事故，从而给钻井施工带来巨大的损失［3］。因此，地层出水是限制气体钻井技术发展的重大难题之一，西南石油大学欠平衡钻井研究室通过对返出气体相对湿度等参数的随钻监测，来发现地层出水情况，但该方法只适用于少量出水层位［4］。2012年赵向阳、孟英峰等人探索了通过监测返出气体相对湿度变化随钻识别出水地层的原理［5］。

但是，以上研究均未详细研究气体钻井过程中全井筒的气体相对湿度分布及其影响因素，并且在气体钻井过程中，井口相对湿度达到100%之前，井筒中就可能在一定深度因温度、压力等因素的变化而出现气体携带饱和水的能力降低的现象，从而导致析出液态水的情况出现。针对此类问题，笔者把井筒温度场和压力场计算耦合到井筒相对湿度数学模型中，通过数值模拟得出全井筒的压力分布、循环气体的最大含湿能力、相对湿度分布及井筒出现液滴析出的井口临界相对湿度和临界地层出水量，同时，通过对井口相对湿度的监测分析全井筒的相对湿度分布情况，进一步保障气体钻井施工过程中的井下安全。

1　钻柱内与环空内压力的计算

对井筒相对湿度进行研究可知，井筒内的温度分布及压力分布对井筒湿度均有影响。笔者假设井筒温度与地层温度相等，建立井筒压力分布相关模型。

由气体动力学理论，在环空中取微元段dh，假设微元段的流速不变，根据能量方程与达西公式可得：式中，dh为微元段的深度，m；dp为微元段的压差，Pa；ρm为环空中流体的混合密度，kg/m3；v为环空中流体的流速，m/s；f为摩阻系数；Dai为环空的内径，m；D0为钻柱的外径，m。

考虑环空中流体可能存在气、液、固三相，混合物的密度ρm［6］为：式中，ρg、ρ1、ρs分别为气、液、固三相的密度，kg/m3，岩屑密度ρs可根据录井资料获得；βg、β1分别为体积含气率、体积含液率。

其中：液体的密度ρ1为：

根据气体的状态方程可知气体的密度为：式中，气体密度，kg/m3；Mg为混合气体的相对分子质量；p为气体的压力，Pa；T为气体的温度，K；R为气体常数，8.314J/（mol/K）；Zg采用Hall和Yarborough提出的气体的偏差因子计算公式计算［7］。体积含气率为：

体积含液率为：式中，Qg为环空中气相的体积流量（包括井筒的注气量Qgo及地层的产气量Qgoin），m3/s。

式（1）中混合流体流速v为：式中，Aa为环空面积，m2。Qs为环空流体中固相的体积流量，m3/s。

把式（1）积分整理后得环空压力分布的表达式为：式中，Pannul为环空压力，Pa。

同理：根据环空压力分布模型可推导出钻柱内的压力分布公式为：式中，Di为钻柱内径，m；Ppipe为钻柱内压力，Pa。

2井筒内湿度计算

对于地层出水造成井下复杂事故的问题，虽然可以在井身设计中，依据地质资料和邻井资料，尽可能封掉出水层，但是在实际气体钻井施工过程中，仍难以完全避开钻遇含水地层。因此，及时发现地层出水，采取适当应对措施，仍是避免发生井下复杂事故的重要技术手段。笔者根据含湿气体的热力学原理进行气体钻井过程中井筒相对湿度计算。

饱和含湿量的计算公式［8］：

式中，ps为气体中水蒸气的饱和蒸汽分压，Pa；p为气体的总压力，Pa；d为饱和含湿量，kg/kg。

水蒸气的饱和蒸汽分压ps公式［9］：

式中，A=18.591 6；B=3 991.11；C=233.84；T为井筒的温度，K。

由此可计算出钻柱内的饱和蒸汽压：

式中，Tp为钻柱内温度（Tp可由地温梯度确定），K。

同理：可计算出环空内的饱和蒸汽分压为：

式中，TM为环空内温度（TM可由地温梯度确定），K。

把式（9）、（12）代入式（10）可得钻柱内的最大含湿量为：

把式（8）、（13）代入式（10）可得环空内的最大含湿量为：

式中，pannul、ppipe分别由式（8）、式（9）确定。

3　现场应用实例

A井为重点评价井，设计第三次开钻钻进井段为：2 503～3 500 m，第二次开钻套管下至2 502 m，套管内径为436.5 mm，第三次开钻钻头外径为431.8 mm，此时的井深为2 588 m，正常施工时注气量为300 m3/min。钻井组合为：∅431.8 mmPDC钻头* 0.41 m+∅228 mm转换接头*0.91 m+∅300浮阀* 0.47 m+∅203.2 mm钻铤*189.52 m+∅203 mm震击器*6.87 m+∅206 mm挠性短接*3.18 m+∅203.2 mm钻铤*38.48 m+∅203 mm转换接头*0.65 m+∅139.7 mm加重钻杆*142.5 m+∅139.7 mm钻杆+∅133.35 mm方钻杆。

如图1、图2所示，由于不同的井身结构所需的注气量不同，分别对3种不同注气量（150 m3/min、300 m3/min、450 m3/min）下的井筒压力进行模拟分析，150 m3/min的注气量一般用于尺寸为165.1 mm的井眼，300 m3/min的注气量一般用于尺寸为431.8 m3/min的井眼，450 m3/min的注气量一般用于更高井眼的尺寸及通过增加注气量来携带气体钻井过程中井筒滞留的岩屑。在地层未出水和地层出水条件下，从图1可知，随着注气量的增加，立管压力随之增加。从图2可知，地层出水量为1 m3/d时，随着注气量的增加，立管压力随之增加。对比图1和图2可知，当地层出水量为1 m3/d时，井筒内压力分布基本不发生变化，这是由于气体钻井实际应用过程中，要求地层不出水或者出水量很小，在此条件下，出水量对井筒压力影响较小所致。

图1　地层未出水不同注气量工况下井筒压力分布图

图2　地层出水量为1 m3/d不同注气量工况下井筒压力分布图

如图3所示，分析了地层出水量为1 m3/d不同注气量（150 m3/min、300 m3/min、450 m3/min）下井筒内气体最大含湿能力分布。结果表明：随着注气量的增加，环空内的气体最大含湿能力在降低。这是由于随着注气量的增加，环空内的压力分布随之增加，从而使环空内气体的最大含湿能力降低。

图3　地层出水量为1 m3/d不同注气量工况下井筒内气体最大含湿能力分布图

如图4所示，分析了地层出水量为1 m3/d不同注气量（150 m3/min、300 m3/min、450 m3/min）下井筒内气体相对湿度分布。随着注气量的增加，环空内的气体相对湿度在增加。这是由于随着注气量的增加，环空内的压力分布随之增加，致使环空内气体的最大含湿能力降低，最终使环空内的气体相对湿度增加。

图4　地层出水量为1 m3/d不同注气量工况下井筒内气体相对湿度分布图

如图5所示，分析了注气量为300 m3/min不同出水量工况下（1.028 m3/d，1.195 m3/d，1.951 m3/d）井筒内气体相对湿度分布。结果表明：注气量为300 m3/min，模型计算的立管压力为2.75 MPa，现场监测到的立管压力为2.5～3 MPa，模型计算结果与实测数据吻合。地面检测到井口相对湿度由47.8%上升到57.9%，可知地层出水，通过模型计算可知此时井底的相对湿度为89.14%，此时地层的出水量为1.028 m3/d，此时环空气体为不饱和状态，故井底无液滴析出。通过模型计算，当地层出水量达到1.195 m3/d时，井口相对湿度为64.97%，井底环空相对湿度达到100%。当地层出水量达到1.951 m3/d时，井口环空湿度达到100%，井口开始有液滴析出。通过分析可知，地层出水量为1.195 m3/d是井底环空析出液滴的临界出水量，井口相对湿度64.97%是井底环空析出液滴时临界相对湿度，即在井口监测到的相对湿度高于64.97%时，虽在井口看不到液体水出现，但在井底环空中已经有液滴析出。地层出水量1.951 m3/d是井口有液滴析出的临界出水量。

图5　注气量为300 m3/min不同出水量工况下井筒内气体相对湿度分布图

在实际气体钻井施工过程中，通过模拟计算，确定井筒的压力分布情况，进而计算出井底环空析出液滴时地层临界出水量和井口临界相对湿度。在气体钻井施工过程中，在井口监测相对湿度达到井底环空析出液滴时临界相对湿度时，停止钻进，采取地层出水时的应对措施。与以前井口相对湿度达到100%时采取应对措施相比，降低气体钻井因地层出水而发生井下复杂情况的概率，提高了气体钻井的安全性。