气体钻井关键点问题研究以及最小注气量计算

朱忠喜，安锦涛,武兴勇

（1.油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室，长江大学（武汉校区）石油工程学院，湖北武汉430100; 2.新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）

气体钻井关键点问题研究以及最小注气量计算

朱忠喜1，安锦涛1,武兴勇2

（1.油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室，长江大学（武汉校区）石油工程学院，湖北武汉430100; 2.新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）

气体钻井技术不但具有避免井漏、泥页岩水化膨胀和储层污染等问题的优点，而且能够大幅度提高钻井速度，提高钻井速度4～8倍，有利于及时发现和有效保护储层及提高油气采收率和单井产量，特别对坚硬地层、致密储层勘探有着重要的意义。但是气体携屑困难、井眼堵塞等问题一直是阻碍该钻井方式推广的瓶颈问题，解决这些问题的关键技术之一就是最小注气量的确定。目前多数文献是用地层温度代替环空温度来进行最小注气量计算，但由于气体的PVT效应，温度受压力流速影响较大，若用地层温度代替环空温度存在较大误差。同时，以往最小注气量计算方法均将关键点设置为钻铤顶部，然而本研究中发现井筒内气体的携岩动能并非一定在钻铤顶部最小，井身结构和钻具组合对关键点位置的影响较大。应用温度-压力耦合计算方式，确定的气体钻井最小注气量与现场施工更加接近，在给定工况下，最小注气量误差在0.4%左右。

气体钻井；压力温度耦合；关键点；最小注气量

在进行气体钻井工程设计时，需要计算所需的最小气体流量和地面注入压力，以便选择合适的地面装备（空压机，增压机等）和准确预计井底压力。目前，现场一般采用Angel模型[1-4]计算气体钻井所需的最小体积流量。但钻井实践表明，该模型的计算结果往往比现场实际所需的最小体积流量低25%左右。归结原因如下：①由于气体的可压缩性，气体流动的压力和温度之间相互影响。因此气体循环钻井注气量的计算，应建立在钻井过程中温度压力基础之上。②以往最小注气量计算方法均将关键点设置为钻铤顶部，但是本研究中发现，井筒内气体的携岩动能并非一定在钻铤顶部最小，注气量、就地温度、就地压力、井身结构、井眼几何尺寸之间相互影响，所以关键点位置的确定对于计算最小注气量十分关键。

目前关于气体钻井时井筒流动模型往往将地层温度当作环空温度，没有考虑流体与地层岩石的传热，这将会导致误差，且随着井深的增加误差也会相应增大。因此在前人研究的基础上，通过压力-温度耦合计算，考虑钻柱内流体与环空流体之间的传热、环空流体与井壁附近处地层之间的传热以及气体流过钻头喷嘴过程的温度变化[5]，求解了井眼内部流体压力温度的耦合计算模型，针对不同的井眼几何尺寸、井身结构得出对应的最小注气量关键点位置，根据最小动能法的修正模型[3]进行了最小注气量计算。

1 微分方程模型及求解

1.1 微分方程[4-13]

气体钻井井筒内的流动方程为：

（1）质量守恒方程

（2）动量守恒方程

（3）能量守恒方程

（4）钻柱内单位长度井段在单位时间的热损失计算方程

式中：f—摩阻系数；

w—质量流量，kg/s；

f(tD)—无因此时间函数[6]；

Uti—井筒总传热系数；

ke—地层导热率，J/(m·k)。

得出压力梯度方程：

温度梯度方程：

环空压力梯度方程以及环空内温度梯度方程与方程（1）～（6）相似，不再赘述。

图1 井筒流动计算物理模型Fig.1 Wellbore flow physical model

1.2 微分方程求解

以环空出口为起点，环空内温度和钻柱内温度初值都设为地温，逆着流动方向进行压力迭代求解，直到计算出钻柱入口处压力。再以钻柱入口为起点，以上一次迭代出井筒压力分布为已知值，沿着流动方向，迭代计算井筒温度分布。

以上两个步骤为一个迭代循环，再用此方法迭代计算温度和压力，直至前后两次迭代每个单元温度误差小于误差允许值，则迭代成功。

2 实例分析

以文献[2]中实例数据为基础，已知井深3650 m，套管鞋深度2840 m，钻杆内径108.6 mm，外径127.0 mm，钻铤长度244 m，内径71.4 mm，外径159.0 mm，钻头直径215.9 mm，钻速10 m/h，地面温度9℃，注入温度38℃，地温梯度4.07℃/hm，空气密度1.225 kg/m3，岩屑密度2.7 g/cm3，3个钻头喷嘴，直径为12 mm，钻头切削颗粒直径5 mm，排出岩屑直径1 mm，破碎功指数为3.0 kW·h/t。当取注气量为98 m3/min时计算结果如图2所示。

图2 井筒内温度压力Fig.2 Temperature and pressure in the wellbore

图2为温度压力耦合模型计算出来的此工况井筒压力和温度分布，井底附近岩石温度为157.5℃，而环空井底气体温度仅为103.7℃,两者差距为53.8℃，由此看出环空温度和地层温度有较大差距。

若改变其钻具组合和井深，如表1所示。

表1 不同钻具组合和井深工况Table1 Different assembly and well depth

工况2计算结果如图3所示。

图3 工况2井筒内温度压力Fig.3 Temperature and pressure in the wellbore about working condition 2

从图2和图3对比来看，只改变钻头和钻铤的尺寸，温度和压力的分布上变化较小，但是在最小注气量的计算选取关键点位置上却有很大差别。对比图4，由于钻具尺寸的改变，气体动能最小值所在的位置，即关键点的位置由上层套管鞋处改变为钻铤和钻杆的连接处。

图4 工况1,2井筒内气体动能Fig.4 Gas kinetic energy in the wellbore about working condition 1 and 2

工况3计算结果如图5所示。

由图5可以看出当钻头底部离上层套管距离较短的情况下，关键点位置不再是工况2中的钻铤顶端，而是上层套管鞋处，说明井深对关键点位置的确定也有影响。

图5 工况3井筒内气体动能Fig.5 Gas kinetic energy in the wellbore about working condition 3

3 最小注气量的计算[6,17,19,20]

计算最小注气量时引入柳贡慧最小动能法的修正模型[6]，并对关键点进行计算。

计算步骤如下：

（1）假定一个标准状况下最小注气量Qg0的初值；

（2）通过本文第一节温度压力耦合计算方法找出关键点并计算出关键点压力、温度、速度和密度；

（3）根据文献[2]计算出关键点单位体积内所有颗粒的碰撞破碎能耗W0（计算碰撞破碎能耗时，对岩屑的体积分数取值十分重要，根据文献[17]中内容取岩屑体积分数为0.004）；

（4）计算出修正地面携岩速度，并计算携岩最小动能Eg0，由关键点速度密度计算出此点Eg；

（5）比较0＜Eg-Eg0＜ɛ，（ɛ为计算精度），如果成立，则此Qg0为最小注气量，若不成立，则改变Qg0重新继续计算。

此三种工况的关键点位置以及计算出来的最小注气量如表2所示。

表2 三种工况对应最小注气量Table2 Minimum air injection volume of 3 kinds of operating mode

由上述分析可知，钻具组合以及井深的变化对最小注气量的计算有较大影响，因此传统计算最小注气量时用钻铤顶部直接作为“关键点”的方法并不准确。

文献[20]中比较了Guo模型以及修正模型，当井深3 558 m时，由不同计算模型计算出来的结果如表3所示。

表3 三种模型对应最小注气量Table3 Minimum air injection volume of 3 kinds of model

本文通过引入重复破碎模型运用最小动能法选择合适的携岩困难关键点计算最小注气量，计算出此工况最小注气量为98.4 m3/min，比Angel模型的计算结果高71.3%，比文献[10]中模型的计算结果高24.2%。本结果与现场实际的注气量98 m3/min误差仅有0.4%，说明通过本方法计算出来的结果更符合实际。

4 结论

（1）考虑气体与地层之间传热时，计算出的环空内气体温度与地层温度之间有较大的差异，说明以往将气体钻井时井筒温度直接按地温进行计算的方法会存在较大的误差，影响了井筒流动计算参数的计算准确性。

（2）考虑井身结构、井眼几何尺寸对“关键点”位置有较大的影响，通过对3种工况的比较得出传统计算最小注气量时用钻铤顶部直接作为“关键点”的方法并不准确。

（3）考虑井筒传热以及真实“关键点”的情况下计算出来的最小注气量与现场施工运用的最小注气量更加接近，误差仅为0.4%，更为符合实际。

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钛白粉将突破21000元/吨龙蟒佰利联加速行业洗牌

近日宁波新福化工将金红石型钛白粉在原价格基础上国内上调1000元/吨，而攀枝花钛海科技钛海金红石型钛白粉内贸价格上调1000元/吨；安徽安纳达(002136)钛业金红石型钛白粉钛白粉国内销售基价上调800元/吨，锐钛型钛白粉国内销售基价上调500元/吨。

近期钛白粉总体涨幅约为5-8%

从2016年初至今，国内钛白粉行业的大调价已经历了15轮，涨价潮持续15个月。钛白粉市场售价，从2016年初的9500元/吨，跃升至如今约18000元/吨，涨幅近90%。

然而，由于，“去产能”政策下钛白粉需求“供不应求”；2017年新能源汽车的深入推广；目前全球范围的钛白粉企业都在调涨价格;钛精矿价格持续上涨等因素，导致目前钛白粉市场供需格局偏紧，价格仍将持续上行。

业内人士指出，截至目前为止钛白粉的涨幅近90%，而随着环保监测、新能源汽车的深入推广、出口需求扩大、矿精等因素促成钛白粉供不应求的局势越演愈烈，钛白粉在近期之内将再次呈现上涨趋势，幅度约为12%左右，21000元/吨。换言之，钛白粉经过1年多的时间，涨幅将达100%。

Study on“Key Point”Setting and Calculation of the Minimum Air Rate in Gas Drilling

ZHU Zhong-xi1,AN Jin-tao1,WU Xing-yong2
（1.College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Hubei Wuhan 430100，China；2.Engineering and Technology Research Institute of Xinjiang Oil Field Company,Xinjiang Karamay 834000，China）

Gas drilling technology not only has the advantages of avoiding the leakage of the well,the expansion of the mud shale and the pollution of the reservoir,but also can greatly improve the drilling speed,it is also beneficial to the timely detection and effective protection of reservoir and improve the recovery of oil and gas and the yield of single well.However,the difficulty for the chip carrying,the hole blocked hinder the development of this drilling technology. The key point to solve these problems is to determine the minimum air rate in gas drilling.At present,the formation temperature is always used to replace the annulus temperature to calculate the minimum air rate,but because of PVT effect of the gas,there will be a big error.Meanwhile,the traditional method of calculation takes the top of drill collar as the“key point”,the minimum rock carrying shaft gas kinetic energy is not necessary in the top of the drill collar,the“key point”is influenced by the well structure and drilling tool combination.In this paper,the temperature and pressure coupling calculation method was used to calculate the gas drilling minimum gas injection rate,calculated result was closer to the construction site condition;Under the given conditions,the minimum gas injection error was about 0.4%.

Gas drilling;Pressure temperature coupling;Numerical calculation;Minimum air injection volume

TE21

A

1671-0460（2017）03-0507-04

国家自然科学基金项目（51202024和51474036）、中国石油科技创新基金项目（2013D-5006-0307）和非常规油气湖北省协同创新中心创新基金项目（HBUOG-2014-4）资助。

2016-10-19

朱忠喜(1978-)，副教授，主要从事气体钻井、井控和井漏检测方面的研究及教学工作。Email：zhuzhongxi@126.com。

安锦涛（1990-），男，硕士学位，研究方向：气体钻井。E-mail：406188284@qq.com。