中浅层氮气钻井可混空气量临界值计算模型及应用

周毅　（大庆钻探工程公司国际事业部）



中浅层氮气钻井可混空气量临界值计算模型及应用

周毅（大庆钻探工程公司国际事业部）

由于氮气钻井需要制氮设备造成钻井成本高，在不发生燃爆的前提下，应用可混空气临界浓度计算模型和编制的计算软件计算确定了可混入空气的气量临界值，并优化配置了中浅层储层氮气钻井配套设备，减少氮气设备的使用。通过现场4口井的应用，节约柴油8.8 t，有效降低成本，为氮气钻井的经济应用提供了依据。

中浅层储层；氮气钻井；可混空气临界值；计算模型

气体钻井具有钻井速度快，对储层污染小等优点，可用于提高非产层钻井速度和保护油气层。对于储层应用空气钻井，为预防燃爆，可选用氮气钻井，氮气钻井需要制氮设备，成本比空气钻井高，为了减少氮气设备的使用，可以在不发生燃爆的前提下，混合适量的空气，对混入气量临界值的计算模型进行研究。

1　计算模型

燃烧需要可燃气体和助燃气体达到一定的浓度。可燃气体是从地层出来，钻井进行中无法控制，助燃气体是氧气，可以控制注入气体中氧气含量，可燃气体氧气燃烧临界浓度按下式计算：

qn=（10.35-1.68log10P）×10-2×100%（1）式中：P——井底环空压力，MPa；

qn——氧气浓度，%。

式（1）是燃烧所需氧气浓度计算公式，根据井底压力和氧气浓度可以确定氮气钻井能够混入空气的气量。

2　参数计算

2.1井底压力计算

由于气体在井眼中高速流过产生较大的压耗，不同井深压力不同，其流速也不同，需要求出气体在不同井深下的压力，对于等直径的环空微元段［1-2］，则：

式中：dP——井底压力增量；

v——井底气体流速，m/s；

Dh——井眼直径，m；

Dp——钻柱外径，m；

dZ——井深Z处的压力增量；

γm——井深Z处混合物重度，N/m3；

f——摩擦系数。

混合物的重度可由下面公式得到：

式中：ws——固体的质量流量，N/s；

wg——气体的质量流量，N/s；

r——环空中固体、气体中质量流量比；

ρg——气体的密度，kg/m3；

T——井底温度，℃；

T0——标准状况下温度，℃；

ρs——岩屑密度，kg/m3；

ρ0——标准状况下气体压力，Pa；

ρg0——标准状况下气体密度，kg/m3；

Qg0——标准状况下气体注入量，m3/s；

νpe——钻速，m/s。

将式（3）代入式（2）可得：

式中：A——流道横截面积，m2。

积分（4）式得：

式中：p上——单元上游压力，Pa；

p下——单元下游压力，Pa；

Z——井段长度，m。

2.2可混空气量临界值计算

制氮设备产出的氮气都有一定的含氧量，含氧浓度为qn1，氮气排量为Qn，可混空气量为Qa，则：

式（1）带入式（6）得出可混空气量临界值为

式中：Qa——可混空气量，m3/min；

Qn——氮气排量，m3/min；

qn1——含氧浓度，%。

根据建立的可混空气量临界值数学模型，应用VB6.0（Visual Basic）语言，编制了中浅层氮气钻井可混入空气量临界值计算软件。该软件由参数输入、计算以及结果输出3个模块组成，能够计算不同井深、井眼尺寸条件下中浅层氮气钻井可混入空气量临界值。图1为1500 m井深注入正常压力不同氮气排量可混空气量临界值计算结果。在确保井下不发生燃爆前提下，通过对中浅层氮气钻井可混入空气量临界值进行优化，即使用3套膜制氮装备在60 m3/min排量的基础上，只需增加22 m3/min空气排量，达到混合气体82 m3/min排量便可满足中浅层氮气钻井井底携岩要求，只需1台空压机。

图1　中浅层氮气钻井可混空气量临界值计算结果

3　现场应用

利用中浅层氮气钻井可混空气量临界值数学模型计算结果，采用3套膜制氮装备、1台空压机设备组合方式，以82 m3/min注气量在 Y195-67、Y199-64、F16-X48、F175-X148共4口井进行了现场应用，比原来减少了2台空压机，节约空压机使用8台/d，共节省柴油消耗8.8 t，有效地降低钻井成本。

4　结论

1）应用助燃气体临界浓度计算模型和井底压力计算公式，编制了计算软件确定氮气钻井可混入空气临界值，优化了中浅层储层氮气钻井配套设备。

2）采用优化后中浅层储层氮气钻井配套设备进行了4口井现场应用，共节省柴油消耗8.8 t，有效地降低钻井成本，同时为氮气钻井的经济应用提供依据。

［1］杨毅，齐彬，黄琳，等.氮气钻井与筛管完井在中浅油层开采中的利用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2013，40（10）：5-8.

［2］杨决算.储层氮气专打技术在大庆油田的应用［J］.钻井液与完井液，2012，29（4）：38-40.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.002

2016-07-28

（编辑庄景春）

周毅，工程师，2005年毕业于中国地质大学（武汉），（勘查技术与工程专业），现从事钻探HSE工作，E-mail：jx_zhouy1@163.com，地址：黑龙江省大庆市让胡路区乘风南路10号大庆钻探工程公司国际事业部，163411。