氮气钻井安全携岩最小注气量计算

吴霞

摘  要：氮气体钻井中，如果环空中气体返速过低，则岩屑会落向井底，并在井内形成堆积，造成堵塞现象的发生，致使氮气钻井作业无法正常进行。采用最小速度法对XX井三开氮气钻井时氮气注入量进行计算，得到携带不同粒径岩屑（1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm）时所需要的最小注气量分别为60.020m3/min、83.546m3/min、100.900m3/min、114.969m3/min、126.891m3/min、137.260m3min，设计井注气量设计为90～150m3/min，实际现场氮气钻井时注气量为100m3/min，施工状况良好，满足携带岩屑需求。

关键词：氮气钻井 安全携岩 最小注气量 计算

氮气钻井是利用氮气、作为循环介质，通过特殊的设备（如压风机和增压器）将气体注入钻柱的钻井工艺。其氮气作为钻井循环介质，能从根本上避免常规钻井技术发生储层损害的物质基础。不仅能避免固相堵塞和液相侵入引起的敏感性损害，还能彻底克服钻井液滤液侵入引起的水锁损害，有效保护基块孔隙和裂缝。钻进过程中地层流体迅速流入井筒，可为及时发现和准确评价油气层提供最直接的地质信息，同时避免井漏和压差卡钻等井下复杂情况的发生。此外，钻开储层后通常采用裸眼完井，能避免固井、射孔和增产带来的二次损害和作业施工费用，还能够提高钻速，缩短建井周期，降低作业成本。在致密砂岩储层开发中，氮气钻井技术和水平井钻井技术及大斜度钻井技术的结合应用，能够大幅提高单井产能，是实现“零伤害”解放储量的有效方式。

在氮气钻井过程中，如果环空中的气体返速过低，那么岩屑就会落向井底，并且在井内形成堆积，造成堵塞，导致气体钻井无法正常顺利进行。因此氮气钻井的关键技术在于设计合理的注入气体的体积流量，以便选择合适的地面装备和准确预计井底压力及地面注入压力。当前进行氮气钻气体流量的具有代表性的计算方法主要有最小动能法、最小速度法、最低压力法。本文主要采用最小速度法进行计算。最小速度法基于气体最小流速准则的原理（如图1），假设井下气体流速等于颗粒的最终沉降末速度与岩屑运移速度之和。

1. 岩屑最小沉降速度

当固体颗粒被置于静止的低密度流体中时，由于受到重力作用，固体颗粒将下沉。在下沉过程中颗粒也会受到来自流体的阻力，且下沉速度越大，阻力也越大，直到最后阻力与重力平衡，固体颗粒保持匀速下沉为止，该下沉速度即为固体颗粒的临界速度。该速度受颗粒的尺寸、形状及密度、液体的密度、黏度及流型、颗粒间相互作用和颗粒与管壁间的相互作用等因素的影响。借鉴Gray确定最小沉降速度的计算公式，假定颗粒为均一的圆形进行计算。

式中：

vsl-颗粒沉降末速度，m/s;

Ds-固体颗粒当量直径，m;

ρs-固体颗粒密度，kg/m3;

ρg-为气体密度，kg/m3;ρg为氮气密度取为1.25kg/m3;

Cd-阻力系数;

Ψ-球形度;

DH-流道水力直径，m;

其中，

式中：vp-钻头机械钻速，m/h;

N-钻头的转速，r/min;

阻力系数Cd是一个与雷诺数Re有关的系数，其数学表达式：

在氮气气钻井中，环空中的空气一般为紊流，这时钻屑的阻力系数与流动速度无关，为一定值。选取Cd为0.44。

实际的岩屑为非规则形状，其球形度Ψ小于1，为了简化计算，假设所钻岩屑为规则球形，取Ψ值为1进行计算。

2.岩屑运移速度

岩屑运移速度由钻头的钻进速度和钻进时井眼中允许的运动颗粒数决定，由Angel模型得到：

式中：vrt -携带岩屑所需的速度，m/s;

vP-钻头的机械钻速，m/h;

CP-岩屑体积分数，其值取0.04;

A-井筒环空截面积，m2;

db-钻头直径，m。

其中，环空截面积：

3. 携带固体颗粒的最小气体流速

为了使岩屑及时离开井底，所需的最小气体流速等于岩屑的沉降末速度与岩屑运移速度的和，故携带固体颗粒的气体流速为：

4. 最小注气量

依据携岩所需的最小气体流速，求得所需的最小注气量为：

式中：P0-标准状态的压力，P0=0.101325MPa;

T0标准状态下的温度，T0=293K;

p-井底压力，MPa;

T-井底温度，K。

5.计算实例

XX井为目标层段为须二段致密砂岩气藏的一口直井评价井，为获得较好的产能，拟在三开井段实施产层氮气钻，其二开套管φ193.7mm套管，内径165.1m，三开采用Φ152.4mm钻头进行氮气钻，钻遇岩性以砂岩为主，ρs取2700kg/m3，钻杆外径88.9mm，岩屑颗粒当量直径Ds，跟据对国外资料的收集，钻头附近岩屑的特征尺寸大都在一定范围内。为进行计算，假定岩屑颗粒直径为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm进行计算。得到不同岩屑颗粒当量直径条件下，岩屑最小沉降速度及最小气体流速如表1所示。

设计氮气钻井深为4563—4836m，将气体携岩的参考点设置在井底，取井深4836m，地层温度127℃（400K）。

由气体密度与对应井底压力的关系：

可以求得井底的压力P，计算得到不同岩屑颗粒直径条件下，所需要的最小注气量：

本井段设计机械钻速10m/h，转速40-50r/min，故实际破岩岩屑直径约3.3mm，故满足携岩要求的最小注气量进行设计，注气量设计为90～150m3/min。现场实际采用100 m3/min的注气量完成施工，施工状况良好。

主要参考文献;

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作者单位：中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院