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1、空气钻井携岩及防燃爆最小注气量计算方法3庞东豪1袁骐骥21.西南石油大学研究生院2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学庞东豪等.空气钻井携岩及防燃爆最小注气量计算方法.天然气工业,2009,29(3):62264.摘要空气钻井是一种特殊的欠平衡钻井方式,当钻遇气层时,天然气就会侵入井内与空气混合,在井下高温高压的环境下极易发生燃爆。注入的空气量既要能有效地携带岩屑,又要能防止井下燃爆。针对空气钻井中确定最小注气量的难题,根据修正的Angel模型,应用最小动能法和最小速度法,建立了携带岩屑的最小注气量方程;
2、根据气侵速度和甲烷在井下的燃爆极限,通过控制甲烷的体积浓度,得出了防止燃爆最小注气量的计算方法;通过计算机编程,对川中某气田空气钻井的最小注气量进行了计算,其结果与实际作业中的最小注气量数据非常吻合。关键词空气钻井欠平衡钻井压力携带岩屑DOI:10.3787/j.issn.100020976.2009.03.017燃爆最小注气量计算方法20引言空气钻井作为一种特殊的欠平衡钻井技术,具(2)f=1.74-2×lgDh其中e可由下式确定:epDp+ebDh有钻速高、成本低、环保性好等优势,在国内外应用得越来越广泛[123]。在
3、空气钻井中,井筒环空流动为气、固两相流动,当地层出水时,井筒环空为气、液、固三相流动,其计算十分复杂[4]。Angel在20世纪50年代末提出了气体钻井数值计算模型,在相当长的时间内被钻井工程师们所应用。(H-Hs)+epHsDh+Dp(3)e=H将式(2)、式(3)代入式(1)积分得:2aTs+βHabβps2Ts2p=+-a-βTs0.5ab(Ts+βH)2(4)a-β1空气钻井的修正Angel模型Angel模型适用于光滑的管壁,采用了平均温式(4)中:πDh2Ktρs+Qwρwa=M+4度,使得结果不很准确。要使结果
4、更接近实际,就必须使用修正的摩阻系数和实际温度[426]。根据一维定常流体力学理论,可建立井筒环空内任意计算井深处的压力计算微分方程:(5)Rp0Qg0T022Qg024fp0(6)b=2gπ(Dh-D)(D2D2)2T0-php式4)即计算环空压力的公式。2携带岩屑的最小注气量2.1最小动能法(dp=ρmix1+(1)dH为了使计算结果更接近实际,用井眼环空的实际温度代替Angel模型中的平均温度,同时考虑空气钻井的实际情况,用粗糙裸眼井段流体流动的摩阻系数(f)代替Angel模型中的光滑管流动摩阻系数:环空的气体在关键
5、点即钻铤顶部单位体积的动能为最小,假设此处携带岩屑的能力等效于空气在标准状况下携带岩屑的能力,就有:3本文为中国石化工程技术导向项目“四川地区低可钻性地层气体钻井提速试验”(编号:G08002072KK2121)的研究成果。作者简介:庞东豪,1981年生,硕士;从事钻井工艺、压力控制、钻井模拟、自动控制等方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区西南石油大学国家重点实验室数字钻井研究室。电话:13980815808。E2mail:39313597@qq.com·62·fv22g(Dh-Dp)12e钻井工程第2
6、9卷第3期天然气工业1ρslvsl21ρbvb2根据气体速度可求得最小注气量井下的体积:(7)=22π22(Dh4Dp)vgQg=-气体在关键点的密度为:井口的最小注气量为:Mpbρb()8=βH-L)](R[Ts+πpbT022(Dh4Dp)vg(17)Qg0=-气体在关键点的速度为:+β(H-L)pT00p联立式(4)、(8)、(16)、(17),通过试算法或计算机编程可解出最小注气量。结果即为最小速度法确定的最小注气量。10(9)vb=Qg0π(Dh2T0-Dp2)4将式(8)、式(9)代入式(7)得关键点的压力:2
7、22防止井下燃爆的最小注气量空气钻井以空气作为循环介质,并且是绝对的欠平衡。因此,当空气钻井钻遇油气层时油气便会涌入井内,又由于井下高温,此时井下极易产生燃Ts+βH-LQ34Tp()sl0g0(10)pb=π(Dh2Dp2)2vsl2pslT0-联立式(4)和式(10)可得到用最小动能法求最小注气量的方程,其中:f、e、a、b分别由式(2)、(3)、(5)、(6)所确定。2.2最小速度法环空的气体在关键点的上升速度最小,注气的速度必须满足该点的最小携带岩屑速度。Ikoku等人根据质点在阻尼介质中的自由下落问题研究了气体钻
8、井中携带岩屑的最小速度计算模型,该方法确定最小注入气体体积流量(Qg0)时需要计算岩屑在气体中的终了沉降速度(vs)和输送速度(vtr)。岩屑终了沉降速度是其几何尺寸、形状、密度与气体密度、黏度及流动形态的函数,下式即为球状岩屑的终了沉降速度(vs):[7]爆。井下燃爆问题使得空气钻井适用范围受到限制,
