深水钻井随钻气侵模型研究

田院刚 周三平

(西安石油大学， 西安 710000)



深水钻井随钻气侵模型研究

田院刚 周三平

(西安石油大学， 西安 710000)

以地层渗流理论为基础，建立了深水钻井随钻气侵模型，结合南海某井实际气侵情况，模拟深水钻井井筒气体膨胀规律。研究结果表明：发生气侵后，气侵量随气侵时间的延长而增加；当机械钻速加大后，在相同时间内打开产层的厚度变大，进入到井筒的气体越多，气侵量越大；渗透率增大后，在相同时间内流入到井筒的气体越多，气侵量越大。

深水钻井； 气侵； 随钻； 溢流

在进行深水钻井时，当遇到复杂地层，或对地层特性不熟悉时，可能会发生气侵。当井筒发生气侵时，地层流体进入井筒后处于多相流动，流动状态复杂多变，很难精确的预测，当井底压差为负时，如果处置不及时，就有可能导致井喷的发生。这些不仅会给产层带来损害，更为严重的是会危及人的生命安全。因此，了解深水钻井随钻气侵的发生条件是非常有必要的。

深水钻井时，当产层被打开后，产层的油气主要通过4种形式进入井筒[1-4]：(1) 通过泥饼扩散到井筒内；(2) 大量气体在压力差作用下流入井筒内；(3) 在钻头旋转过程中，随钻屑涌入井筒内；(4) 水合物分解产生的气体进入井筒。

当气体进入井筒后，主要以2种形式存在：一种是以气泡的形式存在于钻井液中；另一种则是以气柱的形式存在于钻井液中。当钻井液上返至上部地层时，由于压力的减小，钻井液中的气泡、气柱开始膨胀，使得钻井液的密度、总体液柱压力降低，有可能导致井底压力小于地层压力。如果长时间不处理，就会导致大量气体进入井筒，发生井喷。因此，必须对不同地质条件及井筒状况下的气侵量进行精确计算，才能防止气侵造成的严重危害。

1 深水钻井气侵流动模型

(1) 连续性方程。根据质量守恒原理，得到深水钻井气体在地层中流动的连续性方程[5]：

(1)

式中：ρg—— 气体的密度，kg/m3；

vx、vy、vz—— 气体速度分别沿x、y、z方向上的分量，m/s；

φ—— 孔隙度，%。

(2) 运动方程。假设钻井过程中，气体从地下侵入到井筒的过程中服从线性渗流规律，那么该流体的运动方程表达式为：

(2)

式中：ν—— 流体的速度，m/s；

K—— 渗透率，10-3μm2；

μ—— 气体的黏度，mPa·s；

p—— 压力，MPa。

(3) 状态方程。对于真实气体：

(3)

式中：γ—— 天然气重率，无量纲；

R—— 气体常数，无量纲；

T—— 地层温度，K；

Z—— 天然气压缩因子，无量纲。

气体的等温压缩系数：

(4)

对于均质地层，理想气体稳定侵入的微分方程可以写成：

▽2p2=0

(5)

设某个压力状态下的压力为pa，在该压力状态下的其他参数用Za、Ta、γa表示。在等温条件下：

(6)

若气体为真实气体，γ应符合真实气体的状态方程：

(7)

2 深水钻井随钻气侵模型

根据深水钻井气侵流动控制方程，对由地层进入井筒的流动过程进行描述。通过建立深水钻井随钻气侵模型，了解流体的流动规律及在气侵过程中气侵量、井底压力的变化规律。

随钻过程中，气体的侵入过程属于弹性不稳定渗流[6]。基本假设条件为：

(1) 地层的传热过程是等温的；

(2) 侵入气体黏度为定值；

(3) 地层均质，地层系数均不随压力发生变化；

(4) 服从线性渗流定律。

气体不稳定侵入的连续性方程可表示为[6-8]：

(8)

将运动方程和状态方程代入式(8)可得：

(9)

当气体黏度是随压力变化的函数时，则

(10)

根据不稳定渗流气体侵入的二项式定律计算模型[6-7]，并引入机械钻速v1：

v1=h/t

(11)

得到：

(12)

则气侵量的表达式为：

(13)

因此得到的随钻气侵量模型为：

(14)

式(11)—(14)中：

K—— 渗透率，10-3μm2；

h—— 打开储层厚度，m；

pe—— 地层压力，MPa；

pw—— 井底压力，MPa；

t—— 时间，s；

v1—— 机械钻速，m/s；

re—— 气体有效侵入半径，m；

rw—— 井底半径，m；

β—— 紊流引起的惯性阻力系数；

Qg—— 标准状态下的气侵量，m3；

S—— 表皮系数；

z—— 平均气体偏差系数；

μ—— 平均气体黏度，mPa·s。

Ramey提出了拟压力的定义式后，推导出气体稳定流动的达西公式[9]：

(15)

pwf—— 井底压力，MPa。

Nickens等人建立的气井动态井控模型中，气体侵入流量的表达式为[8]：

(16)

(17)

式中：pp—— 地层压力，MPa；

pb—— 井底压力，MPa；

t1—— 溢流时间，s；

μg—— 平均气体黏度，mPa·s；

tD—— 无因次时间。

3 实例计算及结果分析

利用随钻气侵井筒温度压力模型和深水钻井随钻气侵模型，以南海某深水井为例，模拟深水钻井井筒气体膨胀规律。该井的钻井基本参数见表1。

3.1 气侵速度随时间的变化规律

图1是由3种不同模型得到的气侵速度随时间的变化曲线(ρ=1 300 kg/m3，Q=30 L/s，机械钻速v1=3 m/h)。从3条曲线可以得到同样的结论，即深水钻井随钻过程中发生气侵后，气侵速度随气侵时间的增长不断增加。原因是发生气侵后，气体进入井筒后导致液柱压力降低，井底压力降低，压差增大，进而气侵速度也不断增大。

表1 南海某井基本参数

图1 气侵速度随时间的变化规律

图2是由3种不同模型得到的气侵速度随机械钻速的变化规律(ρ=1 300 kg/m3，Q=30 L/s)。可以看出：当机械钻速由2 m/h增加到4 m/h时，同一时间点上，气侵速度是增大的。当气侵时间达到 20 min时，气侵速度由1.0 m3/h增加到2.0 m3/h。原因是发生气侵时，当机械钻速增大后，在相同时间内打开产层的厚度变大，进入到井筒的气体就会越多，气侵量就会增大。

图2 气侵速度随机械钻速的变化规律

图3是由3种不同模型得到的气侵速度随地层渗透率的变化规律曲线(ρ=1 300 kg/m3，Q=30 L/s，其他条件保持不变)。可以看出，渗透率对气侵速度的影响较大。当渗透率由5×10-3μm2增加到50×10-3μm2时，同一时间点上，气侵速度是增大的。当气侵时间达到 20 min 时，气侵速度由1.0 m3/h增加到2.0 m3/h。原因是发生气侵时，当渗透率增大后，在相同时间内流入到井筒的气体就会越多，气侵速度就会越大。

图3 气侵速度随地层渗透率的变化规律

4 结 论

以地层渗流理论为基础，建立了深水钻井气侵流动模型与深水钻井随钻气侵模型，结合南海某井实际气侵情况，模拟深水钻井井筒气体膨胀规律。研究得知：

(1) 深水钻井随钻过程中发生气侵后，气侵量随气侵时间的增长而不断增加。(2) 当机械钻速增大后，在相同时间内打开产层的厚度变大，进入到井筒的气体就会越多，气侵量就会越大。(3) 地层渗透率增大后，在相同时间内流入到井筒的气体就会越多，气侵量就会越大。

[1] CHEN Z M，NOVOTNY R J. Accurate Prediction Wellbore Transient Temperature Profile under Multiple Temperature Gradients: Finite Difference Approach and Case History[G]. SPE 84583, 2003.

[2] KELLER H H. Temperature Distribution in Circulating Mud Columns[G]. SPE 15362,1973.

[3] THOMPSON M，BURGESS T M. The Prediction of Interpretation of Downhole Mud Temperature while Drilling[G]. SPE 14180，1985.

[4] 范军，施太和．气井动态井控模型及计算机仿真[J]．天然气工业，1998，8(4)：58-61.

[5] 范军，王西安，韩松．油气层渗流与井筒多相流动的耦合及应用[J]．重庆大学学报(自然科学版)，2000，23(10)：154-157．

[6] 唐贵．气体钻井井筒与地层流动耦合分析[J]．石油钻采工艺，2005，27(4)：15-17．

[7] 汪志明．欠平衡钻井油气藏与井筒耦合模型[J]．石油勘探与开发，2009，36(5)：646-650．

[8] 任美鹏，李相方，刘书杰，等.深水钻井井筒气液两相溢流特征及其识别方法[J]．工程热物理学报，2011，32(12)：269-273.

[9] RAMEY H J.Wellbore Heat Transmission[J]. Journal of Petroleum Technology,1962(4):427-435.

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”国家科技重大专项“高含硫气藏安全高效开发技术”(2008ZX05017)；“十一五”国家科技重大专项“四川盆地普光大型高含硫气田开发示范工程”(2008ZX05048)

田院刚(1985 — )，男，工程师，研究方向为油气田开发。

TE24

A

1673-1980(2017)03-0007-03