毕业设计论文-空气钻井技术调研分析

毕业设计论文-空气钻井技术调研分析内容摘要：

晶间渗透率大于 1 103μ m 的地层、具有宏观开放型裂缝的地层等，在这些地层常规钻井方式难以实施，这时就可以考虑采用空气钻井方式。 （ 3）严重缺水地区 由于空气钻井是以空气作为循环介质，对水的需求量降到了最低，所以特别适合于沙漠、高原等缺水地区。 （ 4）地层压力低且分布规律清楚的地层 空气钻井的静气柱压力极小，较高的地层 压力会加重井控设备的负担；此外，如果不清楚地层压力的分布规律，空气钻井施工的安全性就难以得到保证。 因此，对于地层压力较高和分布规律不是很清楚的井，不适合使用空气钻井技术。 （ 5）稳定地层 考虑到井壁稳定问题，不稳定的地层不适合采用空气钻井技术。 不稳定的地层主要包括：①流变性不稳定地层；②破碎性（包括弱胶结）不稳定地层；③异常地应力不稳定地层（如复杂构造、高陡构造、山前构造等）；④深井、超深井的深部地层。 空气 钻井坍塌压力计算模型 [1] 在对岩石强度参数研究中，得出关于三轴压缩强度试验得到关于主应力 的公式：    2452245231  oo C c tgc tg （ 1） 当岩石中存在空隙压力 PP 时，库伦 — 摩尔准则应用有效应力表示为：        245c o t2245c o t 231  oopp Cpp （ 2） 由上式可以看出，岩石剪切破坏与否主要受岩石所受的最大、最小主应力控制，σ3 与σ 1 的差值越大，井壁越容易坍塌，从井壁岩石受力状态分析中，可以发现岩石的最大、最小主应力分别为周向应力和径向应力，这说明导致井壁失稳的关键是井壁岩石所受的周向应力σ θ 和径向应力σ γ 的差值，即σ θ σ γ 的大小。 差值越大，井壁越容易坍塌。 由于水平地应力是非均质的，即σ h1≠σ h2，所以井壁上的周向应力是随θ角而变化的（θ角为井壁上的点的矢径与最大地应力方向的夹角）。 研究表明，在θ =90176。 和θ=270176。 处，σ θ 值最大。 因此，该两处的差应力值达到最大，是井壁发生失稳坍塌的位置。 根据上面的分析可知，井壁坍塌失稳是发生在θ =90176。 和θ =270176。 处，在该处的有效差应力σ θ ′ σ γ ′有最大值，此时井壁坍塌处的有效应力公式为：  03 21pihhpipppp （ 3） 上式中的  和  分别为井壁坍塌处的最大和最小有效主应力，将他们代入（ 2）式可以得到如下井壁坍塌压力计算模型，即保持井壁稳定所需的钻井液密度的计算公式：      1001232221   Hk kpCK phhm   （ 4） 式中：   245cot oK H—— 井深， m； m —— 钻井液密度， g/cm3； C—— 岩石的粘聚力， MPa； —— 应力非线性修正系数，一般取  ； 21,hh —— 水平地应力， MPa； p —— 地层孔隙压力。 实施气体钻井通常要选择在没有地层流体压力或压力较低的地层，所以公式中孔隙压力 Pp 近似取 0，公式简化为：    10023 2 21   Hk CKhhm  （ 5） 气体钻井井眼内气柱压力很小，出于安全考虑，设井眼内气柱压力为 0，当计算坍塌压力ρ m＞ 0，井壁围岩将发生剪切破坏，容易坍塌；计算坍塌压力ρ m＜ 0 时井壁不容易坍塌。 即： ρ m＞ 0，井壁容易坍塌； ρ m＜ 0，井壁不容易坍塌。 各个参数在前面已经详细的阐明，在各个现实的情况中，把各个参数代入到库伦 —摩尔空气钻井井壁稳定的模型中，则就可以得出气体钻井井壁稳定的坍塌压力值。 地层出水条件下稳定性分析 [1] 气体钻井是一种“无控制”的欠平衡钻井。 “无控制”是指在实际钻井中不施加液柱压力、环空 回压以控制地层流体进入的数量和速度。 气体欠平衡钻井中，地层一旦被钻开，其中的可动流体（油、气、水）便流入井内，这些流体的性质、数量、进入速度都会对钻井施工造成影响，地层出水是气体钻井中的一大问题，必须认真予以考虑。 在气体钻井过程中，当环空中有水存在（地层水或者气体本身非常潮湿）时，液滴碰撞岩屑会形成一层水膜包裹岩屑。 大尺寸岩屑上升速度缓慢，小尺寸岩屑上升速度快，小尺寸岩屑追上大尺寸岩屑，形成岩屑团，产生聚并。 这种聚并在环空关节处最容易发生：大颗粒减速、群聚。 使小颗粒容易聚并。 多个岩屑的聚并在碰撞过程中又分 散开来（或重力作用使聚并分开），所以，仅在岩屑表面产生一层水膜（非造浆、非水化），地层出水时对井眼净化影响不大。 但对造浆水化的泥质岩屑，水膜很快使岩屑成为泥团、小泥团碰上大泥团后粘结牢固，不会再分开。 泥团越来越大，直至沉落再某处形成泥饼圈。 对泥质地层，很少的地层出水就会形成泥饼圈，一旦形成泥饼圈，则会造成井眼不顺通，使得气体对钻头得冷却效果变差，导致钻头被“烧坏”。 对这种地层，防止泥饼圈得形成，除了减弱泥页岩水化分散外，最必要得关键措施是立即转为连续均匀得泡沫流体。 强结构力得泡沫使得大、小岩屑都固定在 泡沫结构中，同步转移。 不会形成碰撞，从而避免了泥饼圈的形成。 同样的，地层中泥饼圈的形成，将使地层不稳定，出水即将在空气钻井中造成很大的危害。 在空气钻井中，出水将造成很大的影响。 （ 1） 引起卡钻。 地层出水引起岩屑吸水，岩屑就会水化膨胀，当地层出水较多时，岩屑容易粘糊成团，在井眼的周围形成泥环，从而引起卡钻。 （ 2） 井壁垮塌。 地层出水后地层水经过易水化膨胀的泥页岩层时，由于泥页岩中的孔隙毛细管张力作用产生渗析，使得地层水在环空上返时渗入地层，泥页岩吸水膨胀产生水化应力 ,有的粘土矿物产生分散，有的不分散但裂缝增 多，扩展裂缝，减弱了岩石强度，严重影响井壁稳定 ,导致井壁垮塌。 （ 3） 井下着火。 井下着火是空气钻井的一大缺点。 空气钻井作业时，若有地层水进入井眼，使钻屑变湿形成泥环，井内流动受阻，井下压力迅速上升，泥环以下的气体温度升高，这时，即使天然气等烃类物质进入井眼的流速很低，也可能会迅速形成可燃的混合物。 一旦混合物达到燃烧范围，混合气体压缩本身就可能会引起燃烧。 另外，钻柱与井壁的摩擦、钻头在钻硬地层时会产生火花也会把井下混合气体点燃。 （ 4） 空气量增加，作业费用增加。 空气钻井时，当地层出水后，不但要把岩屑带出井眼， 同时还要把地层水带出井眼。 在相同条件下，地层出水与地层不出水相比，就需要更多的空气量。 所以在空气钻井中，遇到地层出水的情况下，应该根据现场的情况而定是不是该用空气钻井。 特别是当空气钻井在出水的情况下，导致井不稳定的情况，则改变为其他的钻井方式。 当出水量＜ 2m3/h时，可用加大气量的方法予以处理；当出水量在 2～ 10m3/h之间时，可用雾化或不稳定泡沫的方法处理；当出水量＞ 10m3/h时，应考虑转为泡沫钻井，对于地层压力系数极高的地层必须考虑转化为常规泥浆钻井方式应对复杂状况。 第三章 空气钻井流体动力学参数计算与设计理论 [6] 气体钻井（空气、氮气、天然气、烟道气）中，井筒环空流动为气 — 固两相流。 当地层出水，井筒环空为气 — 液 — 固三相流动 ， 其流动计算十分复杂。 Angel 是最早研究气体钻井气体流动力学的学者。 在 80 年代以前气体钻井流体力学参数设计均采用 Angel计算方法和相关图表。 Angel 最小动能模型计算的 最小 注气体积流量比油田实值需要值低 25%。 由于这种原因激励了更多的研究者去寻求气体钻井更准确的计算方法。 Guo，B. Miska 等对最小上携岩速度等模型的计算结 果与油田实钻数据进行了分析对比。 比较表明，虽然 Angel 最小动能方法计算的最小注气量比油田实际注气量更低 ， 但在这些模型中 ， 只有 Angel 模型计算结果与油田实际注气量趋于一致。 Guo 等研究分析发现 Angel最小动能模型计算结果比油田实际需值低的原因在于将 Weymouth 光滑管流动摩阻系数用于 Angel 模型中粗糙裸眼段中。 因此 Guo 等将 Nikuradse 粗糙裸眼段流体流动摩阻系数计算引入 Angel 最小动能模型，这个重要的改进使 Angel 最小动能模型与油田实 际最小 注气量十分吻合。 因此，该项研究的气体流动力学参数计 算采用修正的 Angel模型。 最小气体体积流量 Qgo确定方法 最小动能法 Angel 在不考虑钻屑和流体间的相互作用 （ 能量、质量、动量交换 ） 及气固两相间无滑脱的条件下 ， 将气相和固相 （ 钻屑 ） 混合物的密度和速度视为在环空中的定常均匀单相流动，由气体动力学理论导出有效将固相岩屑从井底携带到地面所需最小环空速度Vg， 在标准状态 （ 20℃， ） 为 ，或 50ft/s（ 60℉ ， ）， 即单位气体动能 Ego 为 ： 221 gogogo VgrE  （ 31） 式中： rgo—— 标准状态下气体的重度， N/m3； Vgo—— 标准状态下所需最小气体速度， m/s； g—— 重力加速度，。 井筒内计算点深处与标准状态具有同等携屑能力的动能必须满足以下关系： 22 2121 gogogg VgrVgr  （ 32） 或： 22 goggog VrrV  由气体状态方程，任意计算井深处气体重度 rg 为： TPSr gg  （ 33） 式中： Sg—— 注入气体的比重； P—— 计算井深处的压力， MPa； T—— 计算井深处的绝对温度， ℃。 井内计算井深处的气体体积流量 Qg 由状态方程： P T gog  （ 34） 式中： Qg—— 计算井深处注入气体体积流量， m3/min； Qgo—— 标准状态下注入气体体积流量， m3/min； T—— 计算井深处绝对温度 ，℃； P—— 计算井深处压力， MPa。 计算井深处的气体流速由（ 34）式求得： PA TQV gog  （ 35） 式中： A—— 计算井深处流道横截面积， m2。 代方程（ 33）、（ 35）进方程（ 32），整理得： AV SgTQP go go2  （ 36） 求得计算井深处的压力 P、温度 T、过流面积 A，即可确定按最小动能准则设计井深，井筒流道条件下注入气 体体积流量 Qgo。 目前，应用最广的仍然是基于 Angel模型基础上的最小动能法 [9]~[10]。 但由于 Angel模型所作的一些必要假设，利用其计算出的注气量一般要小于实际需要的 20%~30%。 最小携屑速度法 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井中，携带钻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 Qgo 时需要计算钻屑在气体中的终了沉降速度 VSL 和输送速度 Vtr。 终了沉降速度 VSL： 钻屑终了沉降速度是其几何尺寸、形状、密度与气体密度、粘度及流动形态的函数 ，下式 即为钻屑是球状的终了沉降速度方程 ：  HsDggssSL DDCgDV /134     （ 37） 式中： VSL—— 终了沉降速度， m/s； Ds—— 钻屑的当量直径， m； DH—— 流道的水力直径， m； ρ g—— 气体密度， kg/m3； ρ s—— 钻屑密度， kg/m3； ψ —— 球形度 ； CD—— 钻屑滑脱系数（页岩，石灰岩 CD=，砂岩 CD=）； g—— 重力加速度， m/s2。 输送速度 Vtr： 钻屑输送速度 Vtr 取决于气体钻井中的机械钻速 Vm 和环空允许（安全）输送的钻屑量。 钻屑量与机械钻速 Vm 和钻头尺寸 db 有关，即：  36004 2 mbp VdQ  （ 38） 式中： Qp—— 钻头破碎岩屑的体积， m3/s； db—— 钻头尺寸， m； Vm—— 机械钻速， m/h。 环空过流断面上输送钻屑的体积流： ACVQ ptrtr  （ 39） 式中： Cp—— 环 空钻屑的体积浓度， Cp=。