一种气体钻井气举排液方式的确定方法与流程

1.本发明涉及石油钻探欠平衡钻井技术领域，特别涉及一种气体钻井开钻前气举排液方式的确定方法。


背景技术：

2.目前石油钻探主要采用液相钻井液进行钻井，通常保持井底压力大于地层压力进行钻进，井底压持效应明显，机械钻速低；井底压差易对产层造成伤害，影响后续的采油(气)，也不容易发现新产层；此外在钻遇溶洞或裂缝性地层时极易发生井漏复杂情况。因此，常规钻井在钻探复杂的难动用区块时可能产生钻井低速、低效，完井低产和低质的钻探效果。气体钻井技术能有效解决常规液相钻井液钻井的不足，其采用气体(空气、氮气、天然气)作为循环介质，井底为负压差。该技术消除了井底压持效应，在提高机械钻速的同时，实现储层的零污染，能最大可能地发现新储层，还能有效避免井漏复杂的发生。因此气体钻井是一种低成本、高效率、安全性高的钻井方法，对复杂的储层钻探有很好的应用效果。
3.在进行气体钻井钻进之前，需先用高压气体将井内的液体(钻井液或者清水、后面以清水为例说明)举升出井筒，此过程通常称为气举排液。常用的气举排液方式包括一次气举排液、分段气举排液、交替气举排液和充气气举排液四种。一次气举排液是指将钻头放到井底附近，向钻具中注入气体，一次性将井内液体举升完毕；分段气举是将钻头放到某一井深，举升完成后下放钻头继续举升第二段，直至举升完整个井筒；交替气举是先向钻具中注入高压气，等注气压力达到泵压允许值后停气泵入清水，待泵压降低后再注气，循环以上步骤直至气体全部返出井筒；充气气举是同时向钻具中注入清水和气体，等泵压降低后逐步降低注水量，提高注气量(或注气量保持不变)，使井内液相体积分数逐步降低，直至全部被气体举升。对于浅井，增压机的最高压力一般比井底压力高，可直接采用一次气举排液方式，但是对深井，由于地面供气设备的供气量和最大供气压力限制，只能采用后三种方法。对于后三种方法，现场在施工时一般根据经验进行选择，没有成熟的理论进行指导，盲目性比较大。
4.由以上分析可知，气体钻井钻进前气举排液是一个比较复杂的井内多相流动过程。目前对每种气举方式的适用条件，尤其是深井条件下如何优选出一种合适的气举排液方式还没有相关的研究。因此，亟需提出一种气体钻井气举排液方式的确定方法，保证气举过程既不超出现场设备的性能范围，又可尽量缩短施工的时间，这也是气体钻井技术领域的一个难点。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种气体钻井气举排液方式的确定方法。
6.该方法采用理论分析，为不同设备条件下的气体钻井确定排液方式，最终达到缩短气举时间，缩短建井周期，降低钻井成本要求。
7.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
8.一种气体钻井气举排液方式的确定方法，其中，气举排液方式是通过条件判断的方法从一次气举排液、充气气举排液、交替气举排液和分段气举排液四种方式中，一次或者多次优选出合理的气举排液的方式。
9.在实施方式中的优选方法，表现为气举排液方式的确定过程包括如下步骤：
10.(1)根据计算判断是否可采用一次气举排液；
11.(2)计算一次气举排液所需少时间t；
12.(3)根据计算判断是否可采用充气气举排液；
13.(4)根据计算判断是否可采用交替气举排液；
14.(5)采用分段气举排液方式进行气举。
15.在实施方式中，气举排液方式确定方法的步骤(1)具体为根据公式计算判断是否可采用一次气举排液。
16.在实施方式中，气举排液方式确定方法的步骤(2)具体为计算一次气举排液所需少时间t，即钻具内的气体将钻具内的液体全部压入环空的时间。
17.在实施方式中，气举排液方式确定方法的步骤(3)具体为根据公式计算判断是否可采用充气气举排液。
18.在实施方式中，气举排液方式确定方法的步骤(3)中充气气举排液时井口出现的最大套压p
amax
的确定应采用公式计算。
19.在实施方式中，气举排液方式确定方法的步骤(4)具体为根据计算判断是否可采用交替气举排液。
20.在实施方式中，气举排液方式确定方法的步骤(5)为采用分段气举排液方式进行气举。
21.在实施方式中，分段气举排液方式应先计算第1段气举钻具的下入深度，之后再分钻具无止回阀和钻具有止回阀两种情况计算第2段至第n段气举的钻具下入深度。
22.本发明的有益效果是：
23.(1)逻辑清晰，层层优选，有理论依据，避免了一般采用的凭借经验进行气举方式选择的不足；
24.(2)通过该确定方法，能优选选择出最佳的气举排液方式，缩短气体举升时间，提高举升效率；
25.(3)理论计算过程对复杂的井内多相流动进行了合理的简化，使计算方法比较简单，适合现场使用和推广。
附图说明
26.图1是本发明一种气体钻井气举排液方式的确定方法优选过程示意图；
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步描述。
28.请参照附图1，图中菱形框内显示的是优选出某一种气举方式的判断条件，矩形框内显示的是优选的每个层次的结果。
29.在气体钻井钻进之前，气举排液方式的确定方法包括以下步骤：
30.1、根据计算判断是否可采用一次气举排液；
31.使用注气设备举升井内液体时，判断是否可采用一次气举排液方式，应采用以下公式：
32.p
zmax
＞pbꢀꢀꢀ
(1)
33.pb＝0.00981ρ
mht
ꢀꢀꢀ
(2)
34.式中：p
zmax
为增压机的最大许用压力，单位是mpa；pb为气举前的井底压力，单位是mpa；ρm为井内液体的密度，单位是g/cm3；h
t
为气举井的垂深，单位是m。
35.如果(1)式满足条件，则转入步骤2，否则转入步骤3。
36.2、计算一次气举排液所需少时间t；
37.一次气举所需的最少时间即钻具内的气体将钻具内的液体全部压入环空的时间，其确定方式为：
[0038][0039][0040][0041]
式中：t为一次气举所需的最少时间，min；ρg为举升气体在井底压力pb数值下的密度，g/cm3；ρ
g0
为举升气体在标准大气压下的密度，g/cm3；v
pipe
为井内钻具的内容积，m3；q
zmax
为增压机的额定气体排量，m3/min；mg举升气体的相对分子量，无量纲；r为普适气体常量，j/(mol
·
k)；d
pipe
和d
collar
分别为钻杆和钻铤的内径，m；h
pipe
和h
collar
分别为井内钻杆和钻铤的长度，m。t为井深二分之一处的地层温度，k。
[0042]
3、根据计算判断是否可采用充气气举排液；
[0043]
判断是否可采用充气气举排液，应采用以下公式：
[0044]
p
zmax
＞p
amax
ꢀꢀꢀ
(6)
[0045]
其中，p
amax
为采用充气气举排液时井口出现的最大套压，其计算结果比较复杂，可以由以下简化方法进行估算。钻杆中多相流组分气体的体积分数在井口的钻杆中最大，在井底处最小，简化处理为以井口和井底中间处的气体体积分数代表整个钻杆中两相流气体的平均气体体积分数，进而可以计算钻杆内的静液柱压力。p
amax
由以下方程组求取：
[0046][0047][0048][0049]
式中：p
amax
为充气气举排液过程井口的最大泵压，mpa；p
zmax
为增压机的最大允许压力，mpa；α0和α
t
分别为气举最大井口泵压情况下井口处和井底处的气体体积分数，无量纲；qg和qm分别为充气气举下气体的注入排量和液体的注入排量，m3/min。
[0050]
求取方法为：先给定一个符合现场施工的qg和qm数值。将式(8)和式(9)代入式(7)中，可以得到一个以p
amax
为自变量的隐函数，通过数值迭代法即可求得以qg和qm为施工参数时井口出现的最大泵压p
amax
。
[0051]
如果式(6)满足，则实施充气气举排液方式，施工参数的注气量和注液量分别为qg和qm。否则转入步骤4。
[0052]
4、根据计算判断是否可采用交替气举排液；
[0053]
判断是否可采用交替气举排液，应采用以下公式：
[0054]
p
zmax
≥pb/3
ꢀꢀꢀ
(10)
[0055]
如果(10)式满足，则采用交替气举排液方式。其步骤为：先用增压机以最大排量向钻具中注入气体；等增压机压力达到p
zmax
后停止注气，打开钻井泵或压裂泵，向钻具中注入液体；注入液体后泵压开始下降，等泵压降至p
zmax
/2停止注液体；开增压机再次注入气体，以此循环。
[0056]
如果(10)式不满足条件，则转入步骤5。
[0057]
5、采用分段气举排液方式进行气举；
[0058]
分段气举排液方式的主要施工要点是确定每次气举前钻具需下入的深度，根据钻具组合的不同可以分为两种情况：钻具中不含止回阀和含止回阀。对于这两种情况，第一段气举钻具下深h均由下式确定：
[0059][0060]
对于钻具不含止回阀的情况，由于钻具和环空之间是连通的，环空流体可以进入钻具，二者液面始终一致，第2段到第n段的钻具下深受到钻具体积的影响，由下式确定：
[0061][0062]
对于钻具中含有止回阀的情况，由于环空中的液体无法流入钻具中，下钻过程需要对钻杆灌浆，保证钻具内液面和环空液面一直。因此，第2段到第n段的钻具下深由下式确定：
[0063][0064]
式中：h2和h
′2分别为钻具中无止回阀和钻具中有止回阀时第2次到第n次的钻具下深，m；dh为最后一开次套管的内径，m；d
p1
为钻具的外径，m；d
p2
为钻具的内径，m；h为第1段气举的钻具下深，m。
[0065]
本发明的一种气体钻井气举排液方式的确定方法可根据现场供气设备性能以及井身结构情况，综合各因素优选出一种合适的气举排液方式，保证气举过程快速、高效地进行，进而为后续气体钻井钻进提供条件，使气体钻井技术为石油钻探提速、提效、提质和增产提供技术支撑。