氮?dú)忏@井安全攜巖最小注氣量計算

吳霞

摘? 要：氮?dú)怏w鉆井中，如果環(huán)空中氣體返速過低，則巖屑會落向井底，并在井內(nèi)形成堆積，造成堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，致使氮?dú)忏@井作業(yè)無法正常進(jìn)行。采用最小速度法對XX井三開氮?dú)忏@井時氮?dú)庾⑷肓窟M(jìn)行計算，得到攜帶不同粒徑巖屑（1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm）時所需要的最小注氣量分別為60.020m3/min、83.546m3/min、100.900m3/min、114.969m3/min、126.891m3/min、137.260m3min，設(shè)計井注氣量設(shè)計為90～150m3/min，實(shí)際現(xiàn)場氮?dú)忏@井時注氣量為100m3/min，施工狀況良好，滿足攜帶巖屑需求。

關(guān)鍵詞：氮?dú)忏@井 安全攜巖 最小注氣量 計算

氮?dú)忏@井是利用氮?dú)?、作為循環(huán)介質(zhì)，通過特殊的設(shè)備（如壓風(fēng)機(jī)和增壓器）將氣體注入鉆柱的鉆井工藝。其氮?dú)庾鳛殂@井循環(huán)介質(zhì)，能從根本上避免常規(guī)鉆井技術(shù)發(fā)生儲層損害的物質(zhì)基礎(chǔ)。不僅能避免固相堵塞和液相侵入引起的敏感性損害，還能徹底克服鉆井液濾液侵入引起的水鎖損害，有效保護(hù)基塊孔隙和裂縫。鉆進(jìn)過程中地層流體迅速流入井筒，可為及時發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確評價油氣層提供最直接的地質(zhì)信息，同時避免井漏和壓差卡鉆等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。此外，鉆開儲層后通常采用裸眼完井，能避免固井、射孔和增產(chǎn)帶來的二次損害和作業(yè)施工費(fèi)用，還能夠提高鉆速，縮短建井周期，降低作業(yè)成本。在致密砂巖儲層開發(fā)中，氮?dú)忏@井技術(shù)和水平井鉆井技術(shù)及大斜度鉆井技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，能夠大幅提高單井產(chǎn)能，是實(shí)現(xiàn)“零傷害”解放儲量的有效方式。

在氮?dú)忏@井過程中，如果環(huán)空中的氣體返速過低，那么巖屑就會落向井底，并且在井內(nèi)形成堆積，造成堵塞，導(dǎo)致氣體鉆井無法正常順利進(jìn)行。因此氮?dú)忏@井的關(guān)鍵技術(shù)在于設(shè)計合理的注入氣體的體積流量，以便選擇合適的地面裝備和準(zhǔn)確預(yù)計井底壓力及地面注入壓力。當(dāng)前進(jìn)行氮?dú)忏@氣體流量的具有代表性的計算方法主要有最小動能法、最小速度法、最低壓力法。本文主要采用最小速度法進(jìn)行計算。最小速度法基于氣體最小流速準(zhǔn)則的原理（如圖1），假設(shè)井下氣體流速等于顆粒的最終沉降末速度與巖屑運(yùn)移速度之和。

1. 巖屑最小沉降速度

當(dāng)固體顆粒被置于靜止的低密度流體中時，由于受到重力作用，固體顆粒將下沉。在下沉過程中顆粒也會受到來自流體的阻力，且下沉速度越大，阻力也越大，直到最后阻力與重力平衡，固體顆粒保持勻速下沉為止，該下沉速度即為固體顆粒的臨界速度。該速度受顆粒的尺寸、形狀及密度、液體的密度、黏度及流型、顆粒間相互作用和顆粒與管壁間的相互作用等因素的影響。借鑒Gray確定最小沉降速度的計算公式，假定顆粒為均一的圓形進(jìn)行計算。

式中：

vsl-顆粒沉降末速度，m/s;

Ds-固體顆粒當(dāng)量直徑，m;

ρs-固體顆粒密度，kg/m3;

ρg-為氣體密度，kg/m3;ρg為氮?dú)饷芏热?.25kg/m3;

Cd-阻力系數(shù);

Ψ-球形度;

DH-流道水力直徑，m;

其中，

式中：vp-鉆頭機(jī)械鉆速，m/h;

N-鉆頭的轉(zhuǎn)速，r/min;

阻力系數(shù)Cd是一個與雷諾數(shù)Re有關(guān)的系數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

在氮?dú)鈿忏@井中，環(huán)空中的空氣一般為紊流，這時鉆屑的阻力系數(shù)與流動速度無關(guān)，為一定值。選取Cd為0.44。

實(shí)際的巖屑為非規(guī)則形狀，其球形度Ψ小于1，為了簡化計算，假設(shè)所鉆巖屑為規(guī)則球形，取Ψ值為1進(jìn)行計算。

2.巖屑運(yùn)移速度

巖屑運(yùn)移速度由鉆頭的鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)時井眼中允許的運(yùn)動顆粒數(shù)決定，由Angel模型得到：

式中：vrt -攜帶巖屑所需的速度，m/s;

vP-鉆頭的機(jī)械鉆速，m/h;

CP-巖屑體積分?jǐn)?shù)，其值取0.04;

A-井筒環(huán)空截面積，m2;

db-鉆頭直徑，m。

其中，環(huán)空截面積：

3. 攜帶固體顆粒的最小氣體流速

為了使巖屑及時離開井底，所需的最小氣體流速等于巖屑的沉降末速度與巖屑運(yùn)移速度的和，故攜帶固體顆粒的氣體流速為：

4. 最小注氣量

依據(jù)攜巖所需的最小氣體流速，求得所需的最小注氣量為：

式中：P0-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的壓力，P0=0.101325MPa;

T0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，T0=293K;

p-井底壓力，MPa;

T-井底溫度，K。

5.計算實(shí)例

XX井為目標(biāo)層段為須二段致密砂巖氣藏的一口直井評價井，為獲得較好的產(chǎn)能，擬在三開井段實(shí)施產(chǎn)層氮?dú)忏@，其二開套管φ193.7mm套管，內(nèi)徑165.1m，三開采用Φ152.4mm鉆頭進(jìn)行氮?dú)忏@，鉆遇巖性以砂巖為主，ρs取2700kg/m3，鉆桿外徑88.9mm，巖屑顆粒當(dāng)量直徑Ds，跟據(jù)對國外資料的收集，鉆頭附近巖屑的特征尺寸大都在一定范圍內(nèi)。為進(jìn)行計算，假定巖屑顆粒直徑為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm進(jìn)行計算。得到不同巖屑顆粒當(dāng)量直徑條件下，巖屑最小沉降速度及最小氣體流速如表1所示。

設(shè)計氮?dú)忏@井深為4563—4836m，將氣體攜巖的參考點(diǎn)設(shè)置在井底，取井深4836m，地層溫度127℃（400K）。

由氣體密度與對應(yīng)井底壓力的關(guān)系：

可以求得井底的壓力P，計算得到不同巖屑顆粒直徑條件下，所需要的最小注氣量：

本井段設(shè)計機(jī)械鉆速10m/h，轉(zhuǎn)速40-50r/min，故實(shí)際破巖巖屑直徑約3.3mm，故滿足攜巖要求的最小注氣量進(jìn)行設(shè)計，注氣量設(shè)計為90～150m3/min。現(xiàn)場實(shí)際采用100 m3/min的注氣量完成施工，施工狀況良好。

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作者單位：中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院