气体钻井注气参数优化设计及软件开发

胡 靖，郑双进，曾 勇 （长江大学石油工程学院，湖北荆州434023）

气体钻井是一种重要的欠平衡钻井方式，具有提高钻速、保护油气层、降低钻井综合成本等诸多优势，在国内外应用越来越广泛。在气体钻井过程中，由于环空气体流动规律与携岩机理较为复杂，施工现场多根据经验确定注气参数，如果注气量不足，携岩不干净会造成井筒堵塞，钻井无法继续；如果注气量过大，又势必造成浪费，增加钻井成本。因此，对气体钻井流体流动规律和井筒压力分布规律进行系统深入的研究，形成一套科学、准确的气体钻井注气参数优化设计方法，对于保证环空携岩效果、充分发挥气体钻井技术优势具有重要的实际意义。下面，笔者通过对气体钻井流体力学模型的研究，确定了气体钻井井筒压力计算方法与注气参数设计流程，开发了一套气体钻井注气参数优化设计软件，并结合中原油田某井实际工况，分析了井口回压、机械钻速、井径扩大率、气体密度对气体钻井注气流量的影响规律。

1 气体钻井环空携岩关键点

气体钻井时，气体从钻柱顶端注入，沿钻柱内向下流动，通过钻头或喷嘴后在井底携带岩屑，从环空中向上返出地面。当气体携带岩屑在环空中上返至钻铤顶部等处时，环空面积突然扩大，气体流速减小，根据气体对岩屑颗粒的拖曳力计算公式可知，拖曳力与气体密度和速度平方成正比，所以气体对岩屑颗粒的举升力减小，携岩能力降低。另外，由于气体具有较强的可压缩性，气体在上返到该处时会发生较大的膨胀，在该处存在能量损失，也影响了气体的携岩能力。工程上一般将这类位置视为携岩关键点，气体钻井最小气体流量就是以此点为标准进行确定的[1]。根据钻井现场应用情况，笔者结合Angel最小动能模型，并充分考虑管柱和井眼的粗糙度计算气体钻井最小注气量，计算结果更为接近现场实际[2]。

2 气体钻井井筒压力计算

气体钻井循环压力由压风机或增压机提供，因此准确计算气体钻井循环压力是进行气体设备配置的理论依据。

2.1 环空压耗计算

由环空气体流动方程可知，对于等直径的环空微元段dh，假设气体流速不变，由动量守恒方程可得：

式中，dp为环空微元段dh的压耗，N／m2；γmix为混合物重度，N／m3；f为摩擦系数；v为流体返速，m／s；g为重力加速度，m／s2；Dh为井眼直径，m；Dp为钻杆外径，m。

2.2 钻杆压耗计算

根据钻杆中的气体流动方程，在忽略等直径微元段dh内气体流速变化的基础上，可得钻杆压耗计算式[3]：

式中，γ为气体重度，N／m3；Di为钻杆内径，m。

3 气体钻井注气参数优化设计

设计气体钻井注气参数时，先假设一环空出口返气量，并估计在Δh段内的压力增量Δp1，认为该段流体处于相同温度和压力下，根据理想气体状态方程，求得h＋Δh处的气体流量，然后由环空压耗方程求得Δh段内的压力增量dp1。如果｜dp1-Δp1｜满足精度要求ε，则将计算结果与上一段的压力值相加，计算转移到下一段Δh，重复上一段计算模式。如果｜dp1-Δp1｜不满足精度要求ε，需要重新估计Δp1，计算Δh段内的压力增量dp1，直到精度满足要求。如此计算到携岩关键点，然后根据最小动能模型理论，判断环空携岩关键点处的气体动能是否满足携岩要求，如果不满足要求，重新假设环空出口返气量，在初值基础上加上或减去一个小值ΔQ，重复上述步骤，按空间步长Δh迭代计算过程重新计算至携岩关键点处，直到携岩关键点处气体动能满足携岩要求为止。环空计算结束后，计算钻头压降，最后在钻柱内按空间步长Δh迭代计算至井口，求得井口注气量和注气压力。

4 气体钻井软件开发与应用实例

以气体钻井注气参数优化设计模型为基础，在Microsoft Windows的环境下，采用VB 6.0编程语言开发了一套气体钻井注气参数优化设计软件，并用多口井现场数据进行了实算。以中原油田某井为例，其设计井深3200m，二开套管下深1500m，套管外径244.5mm，三开钻头直径215.9mm，钻柱结构为∅177.8mm钻铤×150m＋∅139.7mm钻杆×3050m，从1700m深处采用气体钻井技术，井口回压0.11MPa，预计机械钻速10m／h，井径扩大系数0.2，利用软件进行计算，并分析说明了井口回压、机械钻速、井径扩大率、气体密度对气体钻井注气流量的影响规律。

4.1 注气参数设计结果分析

利用开发的气体钻井注气参数优化设计软件进行计算，不同井深处的注气流量和注气压力如图1和图2所示。在1700m～3200m的气体钻井施工段内，注气流量和注气压力随井深增大而增大。

图1 注气流量随井深变化曲线

图2 注气压力随井深变化曲线

4.2 注气参数影响因素分析

1）井口回压对注气量的影响 气体钻井过程中，井口回压对井底压力有着较为显著的影响。在其他条件不变的情况下，井口回压增大，需要注入的气体流量减小，如图3所示。

2）机械钻速对注气量的影响 气体钻井过程中，机械钻速大小直接影响着环空岩屑浓度。在其他条件不变的情况下，机械钻速增大，岩屑浓度增大，为安全有效地携岩需要注入的气量增大，如图4所示。

图3 注气流量随井口回压变化曲线

图4 注气流量随机械钻速变化曲线

3）井径扩大率对注气量的影响 气体钻井过程中，井径扩大率对注气流量有着较为显著的影响。在其他条件不变的情况下，井径扩大率增大，环空面积增大，气体流速减小，气体动能减小，为安全有效地携岩需要注入的气体流量增大，如图5所示。

4）气体密度对注气量的影响 气体钻井过程中，气体密度对注气流量有着较为显著的影响。气体密度越大，在其他条件不变的情况下，气体动能越大，越有利于携带岩屑，因此需要注入的气体流量减小，如图6所示。

图5 注气流量随井径扩大率变化曲线

图6 注气流量随气体密度变化曲线

5 结 论

1）根据钻井现场应用情况，结合Angel最小动能模型，并充分考虑管柱和井眼的粗糙度计算气体钻井最小注气量，计算结果更为接近现场实际。

2）以气体钻井气体流动研究为基础，综合考虑井口回压、机械钻速、井径扩大率、气体密度等因素的影响，提出了一套气体钻井注气参数优化设计方法。

3）根据气体钻井注气参数优化设计方法开发了一套气体钻井注气参数优化设计软件，并结合中原油田某井为例进行了实算，计算结果满足工程精度要求。

[1]赵业荣，孟英峰.气体钻井理论与实践[M].北京：石油工业出版社，2007：16-32.

[2]曾义金，樊洪海译.气体和气体钻井手册[M].北京：中国石化出版社，2006：162-203.

[3]杨虎，王利国.欠平衡钻井基础理论与实践[M].北京：石油工业出版社，2009：34-46.