气体钻井 篇1
关键词：气体钻井,钻井参数,钻压,井深
1绪论
由于钻压、扭矩及转速的变化会引起钻柱预应力的变化, 从而会对其振动特性产生一定的影响。根据常规气体钻井钻具组合钻井分析, 钻压和扭矩及转速对钻柱纵向和扭转振动固有频率没有影响, 只对钻柱的横向振动频率有一定的影响, 主要是钻压的影响[1]。
全井中钻柱的横向振动频率较低, 主要是因为中和点以上很少有引起剧烈振动的扰动因素, 在振动过程中, 存在能量的转化和损失, 底部钻具组合的剧烈振动在从数千米的井下向上传播过程中被抑制了。但是, 底部钻具组合的疲劳失效和钻柱的剧烈横振有着密切的关系[2,3,4], 横向振动会导致接头连接的螺纹加速疲劳而扭断, 钻头旋转引起早期钻头失效。因此, 必须进一步了解底部受压钻柱的横向振动规律, 采取必要的措施控制横向振动。
2计算模型
弹性杆在受压和受拉时的横向振动特性有所不同, 因此有必要研究钻柱中和点以下受压段钻柱的振动特性。中和点将钻柱分成两段, 上面一段在钻井液中的重量等于吊卡或大钩所悬吊的重量, 下面一段在钻井液中的重量等于钻压。中和点的位置可由下式计算[5]:
式中, Ln为中和点距井底的高度, m;W为钻压, N;qa为每米钻铤在气体中的重量, kg/m;kbo浮力系数。
实际上, 中和点的受力并不为零, 而承受着压力, 其大小可按下式计算:
式中, Fn为中和点上所承受的压力, N;Aτ为钻铤横截面积, m2;h为钻铤长度, m;rm为钻井液的相对密度, kg/m3;Ai为各段钻柱的横截面积, m2;hi为各段钻柱的长度, m。
3算例分析
3.1钻压的影响。计算钻压在40k N~180k N范围内中和点以下受压段钻柱的横向振动频率, 变化趋势见图1。
从图1中可以看出, 中和点以下受压段的钻柱横振频率随着钻压的增大而减小。从弦振的角度来看, 轴向拉力增大时, 横向振动频率增大, 振动传播速度快。但是当受压时, 由于轴向压力要消耗钻柱的动能, 减弱钻柱的振动的强度, 对钻柱振动有抑制作用。在气体钻井中由于采用的钻压相对较小, 这样必然导致下部受压段的压力较小, 同时上部受拉段的轴向拉力较大, 因此钻柱的上部受拉段和下部受压段的横向振动频率都较常规钻井液中大, 但是由于钻压较小, 钻柱不易失稳, 因此弯曲应力较小, 钻柱也不易疲劳破坏。但是, 如果钻具本身有初始缺陷或者由于其它因素 (如腐蚀、环空岩屑的喷沙切割、热应力等) 导致钻具产生初始裂纹, 则由于其振动频率很高, 很快就会产生疲劳断裂, 现场上经常发生气体钻井中钻柱突然发生疲劳断裂的现象。从图1还可以看到, 钻压超过160k N以后, 钻柱振动的各阶频率相对集中, 引起共振的可能性会增大, 所以在钻井过程中必须选择合适的钻压。
3.2井深的影响。为研究不同井深 (不同钻柱长度) 条件下, 钻柱振动的情况, 这里取纵向振动为例, 计算常规气体钻井钻具组合在不同井深条件下钻柱振动的频率及变化趋势, 分布趋势见图2。
从图2中可以明显看出, 各阶固有频率随井深的增加而显著减小, 说明了在浅井钻进中, 钻杆柱纵向振动的各阶固有频率的间隔较大, 因此各阶临界转速 (临界转速ncr=2πfcr, fcr为共振时的频率) 值也相差较大, 一定范围的转速变化不易引起共振;但是在深井钻进中 (>2000米) , 气体钻井常规钻具组合的各阶固有频率的间隔较小, 各阶临界转速值相对集中, 一定范围内的转速变化容易引起钻柱共振。这与实际深井钻进时转速的变化更易引起共振的现象比较吻合。
4结论
4.1基于上面的分析, 建议在气体钻井中如果钻遇坚硬地层, 可以采取适当加大钻压、降低转速的措施来降低钻柱的横振, 同时必须对入井钻具, 特别是底部钻铤严格探伤检查, 这样可以有效地避免钻具疲劳断裂失效。
4.2研究不同井深条件下钻柱振动的各阶固有频率值具有多方面的应用价值, 如在实际钻井过程中, 可以根据不同的井深合理选择转速的档位, 以避开与固有频率相对应的临界转速, 也可以通过改变钻具组合方式改变系统的振动频率分布, 如在合适的位置加减振器装置。
参考文献
[1]刘清友, 黄本生.牙轮钻头横向振动模型的建立及求解[J].钻井工程, 2001, 21 (4) :55-56.
[2]章杨烈, 肖载阳.钻柱的剧烈振动与控制[J].石油矿场机械, 1999, 28 (3) :6-10.
[3]高宝奎, 高德利.深井钻柱的横向振动浅论[J].石油钻采工艺, 1996, 18 (4) :8-13.
[4]韩春杰, 阎铁, 毕雪亮等.钻柱横向振动规律及应用[J].大庆石油学院学报, 2004, 28 (1) :14-16.
气体钻井 篇2
关键词：气体钻井,工艺技术,流程设计
1 概述
空气钻井是指以空气作为循环介质进行欠平衡钻井, 它是最早发展起来的一种欠平衡钻井技术。目前, 气体钻井主要应用于中低压地层, 能大幅度提高钻井速度, 预防井漏。由于我国大部分油田都处于开发后期, 地层压力大都存在不同程度的下降, 这就为气体钻井提供了用武之地。近年来随着大量低渗透油气藏投入开发, 如何保护此类油气藏成为人们关注的焦点。气体钻井对于保护低渗透油气藏来说具有比传统钻井方式明显的优势。同时气体钻并还具有大幅提高钻井速度、降低钻井成本、环境污染小等其它特点。正因为气体钻井具有如此多的技术和经济上的优势, 因此它在我国有着越来越广泛的应用前景。
2 气体钻井的应用范圈
气体欠平衡钻井, 具有自己显著的特点, 当然应用范围亦有一定的限制。
2.1 气体钻井尤其适合用于下述情况
地层岩石坚硬;井壁稳定性强;较少的地层流体侵入;具有中低孔隙压力的地层;缺水干早地区;对水基或油基钻井液敏感的地层。
2.2 气体钻井的局限性
对地层流体的侵入控制力不强;钻头的适用范围窄。由于空气对钻头的冷却作用不强, 使得耐高温性能不强的金刚石类钻头较少应用于空气钻井中, 因此在空气钻井中大多使用牙轮钻头;软地层不适用于空气与气体钻井。通常情况下软地层产生的岩屑尺寸较大, 不利于在较大井深情况下气体携屑;井底着火。当井底烃类气体与空气混合达到一定比例后, 就有可能发生燃烧。采用分支水平井, 即由主井筒向四面八方钻辅助井筒向生产层深入百余米, 这些辅助井筒作为排油通道把普通井之间实际上未曾投入开发的大片油藏连通, 就经济效果而言, 其价值等于在完全建设好的矿场区内打开了新油田。在成熟油田利用原井眼侧钻水平井眼进行二次完井已是一种技术上可行而更具经济吸引力的方法。
3 气体钻井工艺流程优化
3.1 体钻井井口地面控制分流系统
3.1.1 设计原则
气体钻井尤其是天然气钻井是一项高风险的钻井技术, 在常规钻井中是控制地层流体进入井筒, 而气体钻井则是允许地层流体进入井筒。因此在气体钻井中对进入井筒的流体在井口及地面进行有效控制是极其重要的问题。气体钻井井口、地面控制分流装置、管汇选择必须满足以下原则:a.满足设计井口压力;b.预估的储层流体流量;c.己在油田使用证明、安全、可靠。
3.1.2 井口设备布置图
a.旋转头:它分为旋转与非旋转两部分。旋转部分可以和钻柱一起旋转。非旋转部分和同密封装置配合, 使从环空中出来的含岩屑的气流流向排出管线, 保证钻井平台和人员的安全。
b.防喷器组合:空气钻井中主要使用两种防喷器。一种为环形防喷器或 (旋转一防喷器) , 它靠液动作用使胶芯挤向井口中心, 直到抱紧钻具或全封闭井口, 从而实现其封井的目的。另一种为闸板防喷器, 要求半封、全封齐全。
3.1.3 气体钻井设备及主要功能
a.主要功能
空压机:空气钻井中最主要的设备, 高压气体产生的源泉。
增压机:提高压缩空气的压力等级, 以补偿当空气钻进时使用小尺寸喷嘴或井下动力钻具造成的过大的压力损耗。
增压机控制阀:由于控制增压机移出或接入空气循环系统。
安全阀:当管线中气体压力过高时, 通过开启安全阀释放过高的压力。
液体注入泵:由于地层大量出水而需将空气钻井转为雾化或泡沫钻井时, 用来向空气中加入水或起泡剂或向空气螺杆马达注入润滑剂时使用。
固体注入泵:当地层出现少量水时, 可向井筒内注入干燥剂, 有利于气体携屑。
压力计、温度计、流量计用来监测流管中气体状态。
泥浆罐:储备泥浆, 用于特殊情况下, 由空气钻井转为常规泥浆钻井时使用。
压力释放管线:用于释放空气流动系统中过高的压力。常用于起下钻、接单根或其它需要开口操作的场合。
空气吸湿器:干空气钻井时要求空气进入井筒前除去水分。当空气较湿润时, 经过空压机压缩后, 空气中可能有水分析出, 因此使用空气吸湿器除去水分。
排出管线:从环空中出来的气固混合物通过排出管线排离钻台, 其内截面一般应为井口环空截面的倍。
排出管线的控制阀:用于控制井口回压, 也可用于配合试井测试。
岩屑捕获器:用于获得井口处的岩屑样本。
气体探测器:用于检测烃类气体, 便于钻工采取安全措施。
减尘器:用于向排管内的气固混合物喷水, 减少粉尘污染。
燃烧池:用于沉降岩屑和燃烧井底产生的烃类气体。
引火器:将从排管中带出来的井底产生的烃类混合气体点燃, 保证安全钻进。
b.设备的安装
空气钻井设备的安装主要包括:1设备之间的连接, 也包括流量计, 泄压阀及旁通阀等的连接。2从设备到钻机的主供管线。3钻台管汇包括旁通管线和排放管线。4供油系统。5雾泵一以便在需要时可以在最短时间内开始作业。
3.1.4 旋转控制头的安装
a.旋转控制头应尽可能接近转盘。如果旋转控制头与转盘面之间的距离过大, 方钻杆驱动装置将不会与旋转控制头很好的啮合, 这将会导致胶芯过早的磨损。旋转控制头应居中与防喷器在一条直线上以便将目磨损降到最小程度。
b.如果使用顶驱, 旋转控制头安装的高度将不再是个问题。
c.旋转控制头必须居中与转盘在一条直线上。旋转控制头须用四条链条居中, 并从钻机底座的四个拐角方向拉紧。如果旋转控制头与转盘不在同一条直线上, 方钻杆驱动装置将不能够与控制头很好的配合工作。
d.如果使用顶驱, 旋转控制头的居中也是非常关键的。不居中将导致胶芯的过早磨损及泄漏, 也会导致旋转控制头轴承总成不正常受损, 从而导致轴承损坏。
e.应确保方钻杆和钻杆表面情况良好不能够有钳痕, 否则会缩减胶芯的寿命。
3.1.5 排放管线的安装
a.安装的排放管线尽可能的直。由于从环空中高速返出的岩屑的影响, 管线的弯曲部位将会被很快被冲蚀损坏。b.同时安装方钻杆泄压管线、岩样捕集装置和排放管线点火装置。
3.2 气体钻井工艺技术流程设计
3.2.1 设计原则
气体钻井是一项高风险作业, 是自始至终的流体控制过程。气体钻井中必须遵循以下基本原则:a.满足井壁稳定;b.地层出水量 (油) 必须满足小于气体最大携屑能力;c.天然气、惰性气体钻井时H2S含量20mg/m3;d.在满足以上基本原则条件下, 对用于钻开储层的天然气或氮气钻井均可用于碳酸岩储层和碎屑岩储层, 并都可采用先期裸眼完井方式。
3.2.2 气体钻井工艺技术流程设计
气体钻井工艺技术设计流程按如下程序:a.储层特性数据.岩性.储层地层压力.渗透率.孔隙率.地层水流量.温度.储层中潜在敏感物;b.完井方式选择;c.气体类型.氮气.天然气.空气.柴油机尾气;d.井口、地面控制、分流系统设计BOP组合级别.旋转控制头.节流管汇.分离器压力、流量.燃烧坑;e.钻柱设计;钻柱组合;钻柱强度;f.气举设计;g.气体流动力学参数设计;注气量.注气压力.井底压力.钻头内压力;h.机械破碎参数设计;钻头选型.钻压.转速;i.井控、安全设计。
参考文献
[1]孟英峰.气体钻井井筒与地层祸合分析[J].石油钻采工艺, 2005, 8.[1]孟英峰.气体钻井井筒与地层祸合分析[J].石油钻采工艺, 2005, 8.
[2]徐英, 空气充气钻井技术在矿2井的应用[J].天然气工业, 2004.[2]徐英, 空气充气钻井技术在矿2井的应用[J].天然气工业, 2004.
气体钻井 篇3
【关键词】气体钻井；西部；火成岩；钻井；研究方向
“十一五”末，中石化集团公司调整了西部勘探战略部署，新疆准噶尔、吐哈、塔城，青海柴达木、甘肃敦煌等38个勘探区块划归胜利油田（下文简称西部新区）。随着钻探工作的深入，出现了一系列世界级技术难题，为了加快西部新区的钻探步伐，围绕这些难题进行气体钻井的可行性评价并尝试，得出气体钻井在该地区钻探提速中的必要性，同时提出下一步攻关研究方向。
1、西部新区钻井遇到的主要难题
（1）上部三叠系和深部二叠系、石炭系火成岩地层研磨性差
从已钻探井来看，上部三叠系以浅地层的巨厚砂砾岩层和深部地层的二叠系和石炭系火成岩地层机械钻速极低，是钻井周期长的主要原因。
（2）井壁稳定问题突出
准噶尔盆地南缘区块地应力大，地层层理裂缝发育、岩石破碎，井壁稳定困难；吐谷鲁群组下部大段棕色泥岩水敏性强，易缩径、掉块、垮塌；西山窑组硬脆性泥岩及煤夹层在井眼形成时易发生水化应力垮塌掉块，目前还没有得到有效解决。
（3）山前构造防斜难
山前构造地层倾角大，高达60～70°，井斜难以控制，地层可钻性级值高，利用牺牲钻压吊打的方式控制井斜，机械钻速和效率极低。
（4）井漏问题
准中一区吐谷鲁群组和西山窑组，尤其是三工河组砂岩渗漏，漏速达1～2m3/h。哈密区块的火成岩地层裂缝发育，容易发生严重的漏失。堡参1井下部火成岩地层（井段4383.00～4959.97m）漏失钻井液305.1m3。准噶尔盆地南缘地区普遍存在多套压力系统，呼图壁地区上下地层为低压系统、中部安集海河组地层为高压系统的特征，紫泥泉子组地层被认为是相对低压地层，进入紫泥泉子组地层以后，由于压力系数的渐降引起井漏，频繁的井漏损失了大量的时间。
2、气体钻井的优势及适应性评价
气体钻井是20世纪50年代始于美国的一项钻井技术，在钻井中以压缩气体或含有压缩气体的气液混合物作为循环介质的一种钻井技术，包括干空气钻井、氮气钻井、雾化钻井、泡沫钻井和充气泥浆钻井等，在钻井提速、克服井漏、低渗油气田的开发等诸多领域得到了较广泛的应用。国内20世纪60年代，在四川盆地尝试了利用天然气打开产层，目前在国内大庆、胜利、四川、长庆等油气田成熟应用，取得了重大技术进步。
2.1气体钻井的优势
气体钻井的优势有提高机械钻速、保护油气层、减少井的漏失、延长钻头寿命、保证井眼清洁、有利于防斜打快、降低成本。
2.2气体钻井的对象筛选和适应性评价方法
气体钻井应用对象可分为产层和非产层。应用于非产层的气体钻井目前以提速为主要目的，也有部分以防漏治漏、减少井下复杂事故为目的；应用于产层的气体钻井多以保护储层、提高勘探发现率和开发效果为主要目的。无论是何种目的的气体钻井，首先需要从技术上论证是否必须用气体钻井才能达到良好的效果，即气体钻井必要性评价。必要性评价主要涉及：①储层保护潜力评价，即与常规技术相比，气体钻井所能达到的储层保护效果，主要针对产层；②提速潜力评价，即与常规钻井技术相比，气体钻井能够提高机械钻速的程度，主要针对非产层；③克服井下复杂潜力评价，即对于常规钻井容易发生井漏、井喷、水敏性井壁坍塌、压差卡钻等的情况，论证利用气体钻井克服上述复杂的必要性。气体钻井受井壁稳定、地层流体产出、地层压力、井身结构及场地设备等多方面因素的影响，评价工程上的可行性也是气体钻井适应性评价的关键内容。主要涉及：①井壁稳定评价；②井眼净化能力评价；③地层流体产出评价，主要评价流体产出对井壁稳定、井眼净化、压力控制及人身安全的影响；④井下燃爆安全的评价，主要针对空气钻井的情况；⑤设备及施工条件评价。前4项属于重点评价内容。除论证气体钻井必要性和工程可行性外，还需要评价与常规钻井技术、增产措施相比，气体钻井通过储层保护提高产能、通过提速和克服井下复杂事故缩短建井周期、减少复杂事故处理费用等是否具有获得的经济效益优势，即气体钻井的经济可行性评价。
3、在西部新区实施空气钻井的必要性分析
截至2011年，中石油塔里木油田已在大北、柯东地区等区块的6口井实施了气体钻井。胜利油田也于近两年在通过红1井等3口井的现场应用，形成了一套适合新疆探区火成岩地层气体钻井提速技术。
3.1中石油在山前构造及石炭系地层应用气体钻井提速明显
2010年初，在大北5井307～835m井段试验空气钻井，克服了地层出水量超过150m3/h等难题。2010年4月，大北6井在308～953m井段实施空气、雾化钻井，机械钻速为7.74m/h，是邻井大北301井同层位使用泥浆钻井的5.27倍。新疆油田在白22井，三开实施泡沫欠平衡钻井，石炭系地层钻进489.36米，平均机械钻速达到11.7m/h，比邻井同层位常规钻井方式提高了5.7倍。中石油在塔里木山前砾石层和准噶尔盆地石炭系地层的成功应用气体钻井的实例证明，气体钻井在西部新区山前构造砾石层提速和下部石炭系提速是可行的。重点工作是做好山前砾石层气体钻遇地层水后的转化钻井方式工作和井壁稳定工作，在石炭系地层要研究如何安全钻穿破碎带，保证井壁稳定。
3.2胜利油田在西部新区应用空气钻井的提速效果显著
胜利油田通過在红1井、哈山3井和哈深2井3口井（4开次）气体钻井探索应用，取得一些重要成果并逐步完善形成了一套适应西部探区火成岩地层的气体钻井提速技术。①测得了火山岩岩石可钻性级值；②形成了火山岩气体钻井可行性评价方法；③升级了气体压缩装置环境适应性系统；④研制了气体钻井用高压大尺寸旋转控制头轴承总成；⑤红1井和哈山3井提速效果显著，哈深2无类似井对比，但首次成功应用泡沫钻井。红1井：位于新疆维吾尔自治区哈密市二堡镇，构造位置在吐哈盆地哈密坳陷三堡凹陷红1构造。设计井深：4875m，设计三开Φ215.9mm井眼用气体钻井，气体钻井穿越的层位包括下二叠系依尔希土组、上石炭系奥尔土组、祁家沟组和柳树沟组。三开气体钻进井段：2698.0～3312.38m，进尺614.38m，纯钻时间：126.5H，平均机械钻速：4.86m/h。是同井同层位常规钻井液机械钻速0.62m/h的7.84倍。哈山3井：位于新疆维吾尔自治区克拉玛依市乌尔禾区西北部。构造位置在准噶尔盆地西部隆起哈山山前构造带外来推覆体哈山3构造较高部位。设计井深：4600m。设计二开311.1mm井眼，石炭系井段使用气体钻井。二开气体钻进井段：720.0～1626m，进尺906m，纯钻时间：174.6H，平均机械钻速：5.19m/h。是同井同层位常规钻井液机械钻速1.9m/h的 2.73倍。
4、结论
（1）气体钻井是胜利西部新区钻探提速的有效技术手段。（2）应该在不断完善总结的基础上进行推广应用。（3）借助其他钻井方式并举，攻克西部深层钻井提速的难题将指日可待。
参考文献
[1]邹光贵，林发权.山前空气钻井实践与认识.钻采工艺，2010（04）.
[2]李皋，孟英峰.气体钻井的适应性评价技术.天然气工业，2009（03）.
气体钻井环空水湿岩屑动力学研究 篇4
气体钻井过程中, 在钻遇特殊地层时, 常常会出现井径扩大, 使气体钻井携岩出现问题。再加上环空关节点, 使得环空复杂流道的携岩更加困难。如果钻井过程中出水量达到足以使岩屑聚团, 大尺寸岩屑就会下沉, 聚集在环空中, 最终形成泥饼和泥包, 影响井眼净化, 导致出现井下复杂情况。本文研究气体钻井环空水湿岩屑受力情况, 分析岩屑聚并与分散, 提供合理的气体钻井注气量, 减少岩屑的聚团, 防止井下复杂情况的发生。
1 气体钻井环空关节点处压力分布
如图1所示, 在气体钻井环空截取一个微元段来进行分析。在对气体钻井环空压力场进行分析时, 必须有以下假设:
(1) 在本环空微元模型中流体是均匀混合的气固两相流;
(2) 在环空微元模型中流体的流动具有定常、均匀的性质;
(3) 在对微元进行分析时不考虑钻柱的旋转与偏心;
(4) 对微元进行分析时, 由于微元体内的压力变化不大, 任务微元体内的密度为一个定值, 即把微元体内的流体当做不可压缩的流体处理;
(5) 微元体内的质量力为重力;
根据流线上任意两点处的压力势能、动能与位势能之和保持不变。所以对微元体使用伯努利方程得:
其中:ρ为混合流体的密度, kg/m3;g为重力加速度;P1为微元段上方的压力;P2为微元段下方的压力;v1为混合流体在微元段上方的平均速度;v2为混合流体在微元段下方的平均速度;hf为微元段之间的摩擦损失;
对微元段内用达西-韦斯巴赫公式得出微元段的水头损失公式:
对于气体钻井环空流动, 井筒环空中钻柱的外径Dp, 井筒环空井眼直径为Dh。得出气体钻井环空压力控制微分方程为:
针对DXY井现场实际情况, 建立气体钻井环空关键点模型, 分析关键点环空压力分布。
图5是根据DXY井现在实际情况建立的一个环空井径扩大以及关节点的混合区域的井筒模型。该井四开采用氮气钻井进行钻进, 四开井段从4692m至5000m。采用钟摆钻具组合, 钻头的外径为215.9mm, 钻铤外径为177.8mm, 钻杆外径为127mm。扩径段的长度为1m, 扩径率为1.5。通过CFD软件, 分析得出环空压力分布以及变化规律。可以明显的看出在扩径以及缩径段的压力变化时非常的明显, 在环空扩径段区域, 由于环空平面有一个突增, 致使该区域的气体体积突然变大, 气体密度变小, 速度也变小, 在关节点处会出现一个气体的回旋区域, 该区域致使大颗粒岩屑下沉到钻杆与钻铤连接处。在压力变化较大的区域就是气体钻井环空携岩的关键区域, 根据该区域环空压力分布来计算气体钻井最小注气量。
2 气体钻井环空岩屑受力分析
气体钻井岩屑量远小于环空气体体积流量, 岩屑浓度一般低于10%, 属稀疏气固两相流范畴。在气体钻井井筒环空气固两相流流动过程中, 固体颗粒主要受到重力、浮力、压强梯度力、气动阻力、附加质量力、巴塞特力、萨夫曼力以及马格努斯力等等。在气体钻井中, 巴塞特力、萨夫曼力以及马格努斯力一般考虑。
(1) 重力:气体钻井环空气固两相流过程中, 固相颗粒处于重力场作用内, 因此重力不可忽略。
(2) 浮力:在气体钻井环空气固两相流场中, 岩屑颗粒受到气体向上的浮力。
(3) 压强梯度力:在气体钻井环空流场中存在压强梯度, 假设在流场中一颗粒径为ds的岩屑, 在压强梯度为∂l∂P的环空流场中所受的压强梯度力为:
(4) 气动阻力:对于气体钻井环空两相流动, 颗粒的流体阻力大小受多因素影响, 它与颗粒的雷诺数、流体运动情况、两相流温度、颗粒形状、壁面边界条件、颗粒浓度等因素有关。所以引入阻力系数CD, 则气动阻力表示为:
(5) 附加质量力:当岩屑在环空流场中做加速运动的过程中, 由于速度越来越大, 带动周围的流体也一起做加速运动。该现象如同颗粒质量增加一样, 故该部分增加质量的力成为附加质量力。故附加质量力表示为:
终上所述, 在气体钻井过程中, 环空流场中岩屑受气体向上的带动, 由牛顿第二定律可得岩屑的运动方程:
3 水湿岩屑颗粒间受力分析
在气体钻井过程中, 当地层少量出水时, 岩屑颗粒表面就会出现一层水膜。当两个颗粒发生碰撞时就会出现粘结的现象, 此时岩屑颗粒间就会出现液桥, 颗粒间通过液桥力粘结在一起。当岩屑颗粒聚并在一起时, 颗粒的重力越来越大以至于气体不能举升较大的聚团颗粒时, 颗粒就会悬浮或者下沉, 导致出现一系列的井下复杂情况发生。所以研究水湿岩屑颗粒间的液桥力对于气体钻井的携岩有着重要的意义。下图是分析两颗不等径的岩屑颗粒间的液桥力。
两颗粒间的液桥力是毛细管压力与表面张力的合力[1], 根据图3所示, 两颗不等径岩屑颗粒所受液桥力可以表示为:
其中:
4 水湿岩屑与环空壁面间的液桥力
当水湿岩屑与钻杆壁和井壁接触时会产生液桥力, 其液桥力一般有三种情况:
(1) 岩屑与环空壁面间是点接触
(2) 岩屑与环空壁面间存在一定距离, 中间靠液膜接触
(3) 环空壁面形成了一层液膜, 岩屑直接与液膜接触
下图是水湿岩屑与环空壁面接触时产生液桥力时的示意图。
如图4所示, 水湿岩屑与环空壁面间所受液桥力可表示为:
其中:
当D=0时, 岩屑与环空壁面间的液桥力最大。
5 水湿岩屑的聚并与分散
依据以上建立的模型, 在DXY井实际工况条件下, 当气体钻井过程中钻遇地层出水, 出水量使得岩屑颗粒表面被润湿, 此时岩屑发生碰撞时就会出现聚团。假设两颗直径相等的颗粒分别以0.2m/s和0.4m/s的速度发生碰撞。
(表面张力为65N/m, 碰撞速度为0.2m/s)
上图是两颗粒径相等的水湿岩屑以0.2m/s的速度发生碰撞时, 液体的表面张力为65N/m。从图中可以看出, 此时最大的聚团直径为1.7mm。
(表面张力为65N/m, 碰撞速度为0.4m/s)
图7和图8是两颗粒径相等的水湿岩屑以0.4m/s的速度发生碰撞时, 液体的表面张力为65N/m。从图中可以看出, 此时最大的聚团直径为0.45mm。
所以通过实验我们可以看出, 在气体钻井钻遇地层出水时, 对于非水化水湿颗粒, 增大注气量可以明显改善气体环空携岩情况。
6 结论与建议
(1) 对气体钻井环空压力场进行模拟仿真可以更直观的了解环空过节点, 扩径段的压力分布, 从而更好的指导气体钻井施工。
(2) 研究非水化水湿岩屑间液桥力的受力情况, 可以更好的了解水湿岩屑的聚集形式。分析不同粒径, 不同速度的岩屑碰撞, 可以减少井下复杂情况的发生。
(3) 对于非水化水湿岩屑的聚并进行分析, 得出当气体钻井钻遇地层出水时, 增大注气量可以明显改善气体钻井环空携岩情况。
参考文献
[1]孙其诚, 王光谦编著.科学物质力学导论北京:科学出版社, 2009
[2]将祖军编著.地层出水后的气体钻井携岩携水机理研究钻采工艺, 2008, 31 (1) :12-14
[3]孟英峰, 练章华编著.气体钻水平井的携岩CFD数值模拟分析[J].天然气工业, 2005, 25 (7) :50-52
[4]施忠凯, 王新文编著.潮湿煤球粒间液桥力的理论研究[J].选煤技术, 2001 (5) :11-13
[5]Z.Chen, R.M.Ahmed, S.Z.Miska, etal.Rheology of Aqueous Drilling Foam Using a Flow-Through Rotational Viscometer.SPE93431, 2005
气体钻井 篇5
空气锤钎头由钎头牙齿和钎头本体组成, 钎头本体主要包括冲击端面、花键和钻头母体。空气锤钎头是气体钻井工程中的关键部件, 同时也是一种易损件。
Akihik等人试验研究了平底齿、圆锥齿和半球齿在不同冲击速度下破碎粗粒闪长岩的情况, 发现岩石破碎带包括三个区, 即破碎坑、破碎坑下的严重损害区以及裂缝区[1]。D.F.Howarth等人总结楔形齿压入岩石的破碎过程, 在齿尖形成密实核, 沿载荷轴线方向形成一条中间裂缝[2]。Zhen Yu Tao等人试验研究了在循环载荷下岩石的破坏行为[3]。贺红亮等研究了辉长石在冲击载荷作用下, 裂缝扩展与其力学参数间的关系, 通过实验得到岩石弹性模量E与岩石初始破坏系数D的关系式[4]。
开展空气锤钎头冲旋破碎岩石的过程研究, 提高钎头的使用寿命, 具有重要的科研意义和实用价值。
2 有限元模型的建立
空气锤钎头在冲旋破碎岩石的过程中主要是边齿的脱落和折断, 其主要原因是边齿齿孔的应力疲劳破坏, 模拟钎头本体齿孔与齿间接触状况, 在研究破碎岩石时至关重要。鉴于此, 将钎头本体进行一定的简化, 忽略打捞螺纹及其以上的部分, 建立空气锤钎头本体-牙齿-虚拟井底岩石有限元模型, 用以模拟钎头在钻压、冲击载荷和钻柱扭矩共同作用下的破岩情况。
3 空气锤钎头冲旋破碎岩石的过程仿真
通过ANSYS/LS-DYNA软件模拟空气锤钎头本体-牙齿-岩石互作用过程, 可以将岩石的破碎过程分为5个阶段。
第一阶段:岩石弹性变形阶段。
接触的岩石被压实, 形成密实核。由于没有考虑岩石中原生裂纹的存在, 所以在仿真模拟中, 无原有的岩石裂隙被逐渐压密的阶段。岩石在压缩弹性变形阶段, 如果卸掉外载荷, 这部分变形又会恢复, 岩石最大应力为8.395e-5<1e-4 (岩石的破裂压力) , 岩石处于弹性变形阶段。
第二阶段:中心齿破碎岩石。
随着破岩过程的进行, 钎头在钻压、扭转力矩和冲击功3个力的共同作用下, 钎头上中心齿继续向下侵入, 岩石继续受压变形, 当钎头施加在岩石的作用力大于岩石的破碎强度时, 岩石发生破碎, 形成2个小的破碎坑。此时, 钎头边齿与岩石相接触, 岩石产生较大压缩弹性变形。如图1所示。
第三阶段:边齿破碎岩石, 岩石沿周向形成破碎裂纹。
冲击功逐渐增大, 钎头上中心齿继续向下侵入, 钎头中心齿破碎坑增大。边齿参与破碎岩石, 并在周向产生破碎裂纹, 该裂纹与第7圈中心齿的破碎裂纹相交汇, 产生一环形破碎带。如图2所示。
第四阶段:钎头所有牙齿参与破碎岩石, 在流道位置的岩石形成3个径向裂纹, 将钎头分为四个区域。
冲击功继续增大, 钎头上中心齿和边齿继续向下侵入岩石, 钎头边齿处周向裂纹增大, 破碎坑面积增加, 钎头中心齿破碎坑并没有明显增大。流道下部的岩石, 受到中心齿裂纹扩展的影响, 形成3条明显的裂纹, 将井底岩石分成三个圆周对称的扇形区域和中心小三角形区域, 如图3所示。
第五阶段:整体破碎坑形成阶段。
钎头所有牙齿冲击破岩并伴随着旋转刮削破岩, 钎头破碎岩石区域增大, 逐渐形成井眼, 一个完整的钎头破岩并形成井眼的过程就完成了。如图4所示。
4 结论
4.1 钎头破碎岩石形成的破碎坑包括四个区域:即直接破碎区、间接破碎区、损伤区和弹性区, 且存在冲击破碎和裂纹扩展破碎两个方面。
4.2 直接破碎区域越大, 形成的岩脊就越小, 钎头破岩效率就越高;岩脊过宽, 降低破岩效率, 同时也会加大岩脊对钎头中心平面的磨损, 致使钎头无法钻进。
参考文献
[1]Kumano A.An Analytical and Experimental Investigation of theEffect of Impact on Coarse Granular Rocks[J].Rock Mechanicsand Rock Engineering, 1982, 15 (02) :67-97.
[2]Howarth D F.Observation of Cracks at the Bottom ofPercussion and Diamond Drill Holes[J].Internal Journal of RockMechanics and Mining Science, 1988, 25 (01) :39-43.
[3]Tao Z Y.An Experimental Study and Analysis of the Behaviorof Rock under Cyclic Loading[J].Internal Journal of RockMechanics and Mining Science, 1990, 27 (01) :51-56.