定向井气体钻井注气量影响因素分析

李 宁 付跃华 余大洲 王 帅 于怀彬 范永涛

(中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，河北 062550)

1 引言

定向井技术目前在国内外已经属于成熟技术，可以通过改变井眼轨迹跨越过永久性公共设施，同时也可以最大化储层接触面积提高油气产量，定向井技术能够克服诸多施工过程中遇到的问题，为石油资源开采实现巨大经济效益。气体钻井技术具有提速、防斜、防漏以及保护储层等优势，所以将气体钻井技术和定向井技术结合对解决低压低渗低孔油气藏有着重要意义，采用定向井气体钻井技术能够及时发现油气藏，并提高单井产量。为此我们需要展开对定向井气体钻井技术的研究。

2 定向井气体钻井技术国内外现状

国外开展定向井气体钻井技术较早，现场应用也更加成熟，美国、加拿大在这方面一直处于世界领先位置，2004年起美国开始大规模开展水平井进行页岩气开发，到2010年，水平井数量已经超越直井数量，预计未来到2018年水平井占比将达到70%，其中气体钻井将占到30%。

国内在定向井气体钻井技术也正在不断的探索和发展中，并取得了一定的成果，但是与国际先进水平相比还是存在较大差距。广安002-H8井是国内首次应用电磁波随钻测量地质导向系统检测井眼轨迹，从而实现气体介质情况下信号的传输和井眼轨迹的随钻检测，最终创下了国内水平井井深最深、水平位移最大、水平段最长的三项记录。

气体钻井定向井技术在给石油行业带来巨大利益的同时，也存在一些关键问题有待解决，例如最小注气量问题，地层出水、地层垮塌复杂应对，井筒携岩问题，井眼轨迹控等问题。

3 气体钻井条件下不同井段岩屑运移复杂性

气体钻井条件下不同井段的运移有着不同的特点，在直井段中岩屑主要表现为举升运移，在斜井段和水平段则不同于直井段，由于岩屑运移方向和气体流动方向不在一条直线上，所以在斜井段和水平段岩屑运移呈现多种复杂形态，主要表现为悬浮、滑移、蠕移。

由于气体钻井过程中所产生的岩屑体积与设计的注气量体积之比是极小的，首先气体岩屑运移空间为狭长的环空管道，岩屑堆积堵塞问题发生在局部位置。在易发生堆积处首先是岩屑浓度增大，造成该位置压力升高，气体流动随之不畅，进而导致此处岩屑浓度继续升高，最终导致堵塞。

3.1 井斜以及岩屑直径对注气量的影响

由图1可知水平段的最小注气量明显大于斜井段注气量，而斜井段的最小注气量又明显大于直井段。这是因为相比直井段，水平段内会发生岩屑堆积、滞留等复杂情况，为了满足携岩需求必须加大注气量。而在斜井段中岩屑除了被举升之外，还有部分岩屑会贴上井壁滑移，需要相比直井段略微加大注气量以克服岩屑滑移摩擦造成的阻力，从而将岩屑携带出井筒。在气体钻井过程中随着岩屑直径不增大，最小注气量也会随之增加。

图1 岩屑直径、井斜与最小注气量关系

3.2 井眼粗糙度对不同井斜注气量的影响

由图2可知随着井眼粗糙度的增大以及井斜角的增大，气体钻定向井的最小注气量也在随之增大，这是由于井眼粗糙度已经井斜都会造成井壁摩擦增大导致的。从图2中我们可以看到随着粗糙度的减小，斜井段最小注气量对井斜角的敏感度降低，也就是井斜角越大，斜井段最小注气量随着井眼粗糙度的减小增幅越小。在井眼粗糙度一定的情况下，随着井斜的增加，斜井段最小注气量的增长趋势随之减缓。在井斜一定的情况下，随着粗糙度的增加，斜井段的最小注气量增长速率增大。这是由于井壁粗糙度对井壁摩擦系数影响大于井斜角对井壁摩擦系数影响导致的。

图2 井眼粗糙度、井斜与最小注气量关系

3.3 迎风面积以及岩屑内摩擦系数对注气量的影响

由图3可知，随着岩屑内摩擦系数的增加，水平段气体钻井最小注气量也随之增加。在摩擦系数一定的情况下，随着岩屑堆积迎风面积系数的减少，水平段的最小注气量也随之增加，且增长速率也随之增长。这是因为岩屑内摩擦系数越大，让岩屑启动的临界外载力也就越大，所以为了满足携岩要求，需要加大注气量。由图4可以看出随着迎风面积的减小，岩屑堆积的空隙率越来越小，岩屑间的互相作用力越来越大，除了用于克服摩擦阻力的外载之外，需要克服岩屑颗粒间的相互作用的外载也越来越大，为了满足携岩，最小注气量的增加速率加大。同时可以看出随着迎风面积的增加，气体钻水平井水平段的最小注气量减小，但是幅度越来越小。另外在迎风面积一定的情况下，随着岩屑内摩擦系数的增加，气体钻水平段所需最小注气量随之增加，但是增长速率不变，同样，因为迎风面积系数越大，岩屑堆积空隙率也就越大，岩屑颗粒间的相互作用力越小，所以最小注气量也就越小。在迎风面积系数一定的情况下，最小注气量的增加主要有岩屑内摩擦系数决定，由摩擦定律可知，岩屑运移的临界外载与岩屑内摩擦系数成线性关系，所以最小注气量的增加速率不变。

图3 水平段最小注气量在不同迎风面积下与岩屑内摩擦系数关系

图4 水平段最小注气量在不同岩屑内摩擦系数下与迎风面积关系

4 结论

本文对气体钻定向井不同井段最小注气量的影响因素着手分析得出以下结论：

(1)研究结果表明，相比直井段，气体钻定向井斜井段最小注气量的增幅不大，而水平段最小注气量则有大幅增加。随着岩屑直径的不断增大，气体携岩所需要克服的阻力增加所以气体钻定向井所需最小注气量也随着岩屑直径的增大而增大。

(2)气体钻井斜井段中随着粗糙度和井斜角的增大，最小注气量也随之增大。但是井眼粗糙度减小，最小注气量对井斜角的敏感度降低。在粗糙度一定的情况下随着井斜角的增大，最小注气量的增长速率降低。在井斜角一定的情况下随着粗糙度的增大，最小注气量也随之增大。

(3)气体钻井水平段时，随着岩屑内摩擦系数的增加，最小注气量也随之增大。随着迎风面积系数的增加，最小注气量随之减小。在岩屑内摩擦系数一定的情况下，随着迎风面积系数的的增加，最小注气量的减小速率降低。在迎风面积系数一定的情况下，随着岩屑内摩擦系数的增加，最小注气量的增大速率保持不变。