气体钻井地层出水随钻监测与携水规律研究

赵向阳，孟英峰，杨顺辉，李皋，李永杰，周玉良

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.西南石油大学油气藏地质与开发国家重点实验室，四川 成都 610500）

气体钻井地层出水随钻监测与携水规律研究

赵向阳1，孟英峰2，杨顺辉1，李皋2，李永杰2，周玉良2

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.西南石油大学油气藏地质与开发国家重点实验室，四川 成都 610500）

气体钻井在某些方面具有常规钻井液钻井不可比拟的优势，尤其在深层海相地层勘探开发中提高钻速、降低成本方面，应用前景广阔；然而地层出水后，如果不能及时发现和处理，有可能造成井壁失稳等井下复杂事故，影响气体钻井的安全性。文中系统总结了气体钻井地层出水的预测方法，介绍了气体钻井地层出水的监测原理、仪器和解释方法，建立了气体钻井地层出水井筒气液两相流流型转化模型、液滴大小和尺寸分布模型、气体携液模型，结合具体应用情况，对气体钻井过程中地层出水后的携水规律进行了计算分析。分析结果与现场施工情况吻合，表明文中给出的模型具有现场应用价值。

气体钻井；地层出水；预测方法；随钻监测；携水规律

1 气体钻井地层出水预测方法

目前，预测地层出水的方法主要有地质水文资料分析、测井资料分析、射开水层测试、欠平衡钻开水层的随钻测试和解释［1-3］。

地质水文资料分析方法可以对浅层或大水层有一个大致的认识，但对深部、小水层常常缺乏有用的信息。测井资料预测基于孔隙度测井、渗透率测井和孔隙流体测井，来判断水层的位置、厚度、孔隙渗透性、矿化度等，进而推测出水量。射开水层测试方法最为直接，并且能够定量，比较准确，但选择射开层位时存在人为误差，有可能真正水层没有被选中，在钻井或射孔过程中会对水层造成一定程度的伤害，从而改变总表皮系数，使试水结果偏离真实值。欠平衡钻开水层的随钻测试方法通过分析压力和注入参数的变化，就可以得出水层个数、位置、段长、出水量及出水量的衰竭情况。

2 气体钻井地层出水随钻监测

2.1 地层出水随钻监测原理

气体钻井中，当排砂管线能够观测到出水时，返出气体的相对湿度早已达到100%，井下早已出水。因此，监测返出气体中的相对湿度变化，更能及时发现地层出水迹象，防止井下复杂事故［4-9］。湿空气中水蒸气的分压力很低，可视水蒸气为理想气体。一般情况下，可将湿空气看作理想混合气体。根据道尔顿定律，湿空气的总压力等于水蒸气的分压力与干空气的分压力之和：p=pv+pa。湿空气的绝对湿度与同温度下饱和湿空气的绝对湿度之比，称为湿空气的相对湿度，计算公式为

式中：ρv，ρs分别为湿空气、饱和湿空气的绝对湿度，无因次；pv，ps分别为水蒸气、干空气的分压力，MPa。

在气体钻井中，由于钻具、环空流动的各种流动阻力，井口气体的注入压力多在2 MPa以上，空气经过空气压缩机、除水分离器、冷却器后，进入注入管线供钻井工程使用。在2 MPa、常温25℃的注入状态下，注入空气为饱和湿空气状态，采用除水分离器后，湿空气的含湿量为

式中：ω为含湿量，表示单位质量湿空气中含有的水蒸气质量，kg/kg；p为湿空气的总压力，MPa。

根据空气钻井过程中气体的热力学状态变化规律，在干地层钻进过程中，气体中的绝对含湿量基本不变，在正常钻进过程中，气体的压力逐渐下降到排砂管出口压力0.1 MPa，气体温度逐渐变化到出口状态温度，接近常温25℃。根据水蒸气的焓湿图，在绝对湿度不变时，该注入空气经过降温、降压，相对湿度将由入口时的饱和状态（相对湿度100%）下降到在排砂管出口状态下（0.1 MPa，25℃）的40%左右，随着注入压力的提高，出口状态的相对湿度还会降低。所以，根据一定压力和温度下的进出口空气湿度，可以在地表观察到出水之前及时发现地层出水迹象，为避免井下复杂事故提供工程决策依据。

2.2 地层出水随钻监测设备

西南石油大学CNPC欠平衡钻井技术研究室对地层出水在线现场监测技术进行了深入研究，研制了出水监测仪，可以在随钻过程中监测出水迹象。

2.3 地层出水随钻监测解释

根据随钻监测和解释软件，可以直观地观察到：正常钻进过程中地层没有出水时，相对湿度与温度曲线都比较平稳；如果相对湿度曲线有较大波动，同时温度曲线也有较大波动，但是温度与相对湿度的变化趋势符合气体温度对相对湿度的影响规律，虽然相对湿度有变化，仍然可以确定地层并没有出水。地层出水时，相对湿度上升比较明显。因此，通过相对湿度的变化，可以判别地层出水的迹象。

3 气体钻井地层出水携水规律

气体钻井地层出水时，井筒为气液两相流，分析气液两相流动规律，可以为设计气体钻井排水工艺参数和雾化剂注入量提供依据［10-11］。

3.1 垂直环空中的流型及转化

试验研究表明，环空管内气-液两相流的流型可分为泡状流、分散泡状流、弹状流、搅动流、环雾流等5种类型。

气体钻井携水所处的合理流态应为“环雾流”。一旦井底关节点处的流态由于含水量过大，而由环雾流转化为搅动流，则雾化钻井失效，必须转为泡沫钻井，否则井内携岩携水能力会严重不足。转换的判别标准见式（3）和式（4）。

搅动流判别式:

环雾流判别式：

式中：σ为气液相间界面张力，N/m；ρg，ρl分别为气、液相密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；D为管径，m；f为摩阻系数；vM为混合物速度，m/s；vsg为气相折算速度，m/s。

在环（雾）状流型中，通常大部分液体以液滴形式被携带于中央气流中（气核区），同时在流道壁面上（井壁和钻具表面）吸附一层液膜，气核与液膜之间的分界面也是高低不平的波面。由于气相速度大于液膜的液相速度，气流常把波面突出处的液体撕裂，形成液滴，进入气核，被气流带走；而由于气流的横向脉动，又会使靠近液膜的一些液滴沉积于液膜中。随着气相速度的增加，液膜越来越薄，直至转换为无液膜的环状流。

3.2 液滴动态分散与聚并规律

室内模拟试验表明：纯气体有效携水的流态是环雾流流态，其次是雾状流流态，当流态为搅动流时就不能有效携水。3种流态的共同特点是都以气体为连续相，液体为分散相，区别在于气液比不同。搅动流由于液相比例高，液相有成为连续相的趋势。纯气体钻井的液相来源于地层水，图1为地层水在上升过程中的流态变化，显示了上升气流中液滴的变形、分散与聚并。

图1 气体携水机理示意

3.2.1 雾化钻井中液滴的大小

空气雾化钻井中，液滴大小及分布是十分重要的参数。液滴尺寸首先影响地层水能否快速有效地带出到地面。在环空高速气流的系统中，液滴尺寸的分布原则可根据能量守恒确定，由搅动势能与表面势能的平衡得到。由努基亚玛-塔那萨瓦经验公式来计算液滴的平均直径，该公式采用国际单位制的形式如下：

式中：d为液滴平均直径，m；vg为气相速度，m/s；vl为液相速度，m/s；μl为液相黏度，mPa·s；Qg为气体流量，m3/s；Qf为液体流量，m3/s。

对壁面的液膜而言，气相的高流速将液膜卷席成液滴颗粒进入气流中，流型就会向雾状流转变。

3.2.2 雾化钻井中液滴尺寸分布

在早期实验研究中发现，喷雾中的液滴大小是不等的。为了评价雾化质量和表示喷雾特征，前人已用大量实验方法得出液滴尺寸的频谱一般符合正态分布和对数正态分布。努基亚玛-塔那萨瓦经验公式给出的分布函数形式为

式中：A，b为标准化因子；m，n一般为整数。

模拟结果表明，雾化液滴的直径主要集中在150～700 μm，分布在这个范围内的概率为0.786。影响液滴尺寸分布的因素很多，凡是影响液滴大小的因素都将影响液滴尺寸分布。

3.3 垂直环空中环雾流数学模型

在环状流中，液体的大部分通常以液滴的形式被携带于中央气流中。因此，管子中央核心部分的流体密度不同于单相气体的流动密度。同时，管壁附近的液膜表面是一个不稳定的“粗糙”面。如图2所示，设外管壁内侧与内管壁外侧液膜厚度相等（实际上内膜厚度略大），且都为δ（δ1=δ2=δ），则气芯区的面积为

气芯区面积占整个环空横截面总面积的分数为

式中：δ为液膜厚度，m；D2，D1分别为液膜外径、内径，m；αcore为气芯空泡率，无因次。

图2 环空流截面积几何结构

气芯区携液量占总携液量的分数为

与气芯区微元段相对应的整个环空区域上的微分单元的动量方程为

式中：μg为气相黏度，Pa·s；ρg为气相真实密度，g/cm3； ρcore为气芯区气体密度为气芯平均速度，m/s； Dh为井眼直径，m。

3.3.1 加大气量的携水规律及携水极限能力

根据上述理论模型，结合钻井实际参数，可以编程计算气体钻井的携水规律和携水极限能力。以某井为例，在正常钻进条件下，钻进速度10 m/h，注气量60 m3/min。此时如果地层出水，水滴的聚并与分散规律如图3a所示，最大水滴直径出现在最低携岩动能的关节点处，为8 mm（达到了自然悬浮水滴的最大值），最小水滴直径出现在井口处（0.45 mm），略大于极限分散尺寸0.3 mm。此时的携水极限能力如图3b所示，全井最小携水能力点位于最小动能的关节点处，携水量为0.73 L/s。井眼上部的携水能力是充足的，瓶颈点在下部关节点。

按照国外经验，地层出水时首先将注气量增大30%，即注气量由60 m3/min增加至80 m3/min，分析携水能力的变化。增大注气量后，井下关节点处的最大水滴直径由8 mm减小至3.6 mm，井下关节点处的极限携水量由 0.73 L/s增大至 1.34 L/s，注入压力由 3.3 MPa增加至4.2 MPa。

图3 气体钻井携水

室内台架实验证明了上述计算的可靠性。但实际经验中携水量似乎比计算值偏低，这是由于地层水与水化岩屑的共同作用，造成了井内的泥包和流道堵塞。

3.3.2 加入雾化液的携水规律及携水极限能力

地层出水后，当出水量不大且岩屑非水化时，可以采用增大30%注气量的排水方法。如果出水量大于气体钻井的极限携水量（即增大30%注气量后的排水能力），则不宜继续增大气量。气量过大，不但加重设备和燃料的负荷，而且造成敏感性井段的冲刷扩大。此时应该采用雾化钻井，即将一定量的雾化液由地面注入，雾化液内加有高浓度的表面活性剂。注入雾化液在井下与地层水混合，使混合液体成为“活性水”，从而便于携带。保持注气量80 m3/min，注入雾化液，使表面张力减少50%。分析携水能力的变化，结果如图4所示。

图4 雾化钻井携水

对比无雾化液的气体钻井可见，井下关节点处的最大水滴直径由3.6 mm减小至1.19 mm，井下关节点处的极限携水量由1.34 L/s增大至2.8 L/s。

4 结论

1）气体钻井中监测返出气体中的相对湿度变化，可及时发现地层出水迹象，防止井下复杂事故的发生。

2）建立的气体钻井液滴大小和尺寸分布模型、气体携水模型可以有效地指导气体钻井过程中施工参数的选择。

3）气体钻井地层出水时，加入一定的雾化液可以提高气体携水能力。

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（编辑 赵卫红）

Monitoring while drilling and water carrying law for formation water production in gas drilling

Zhao Xiangyang1,Meng Yingfeng2,Yang Shunhui1,Li Gao2,Li Yongjie2,Zhou Yuliang2
(1.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

Gas drilling has some unparalleled advantages compared with conventional drilling in some aspects and especially it can shorten the drilling time and lower the drilling cost of exploration and development in deep marine strata,having the broad prospects for application.However,after the formation water produces,it may cause complex accidents such as borehole instability which affect the safety of gas drilling if not timely detecting and treating.This paper systematically summarizes the prediction method, introduces the monitoring principles,instrument and interpretation methods of formation water production during gas drilling and establishes the transformation model of wellbore gas-liquid flow patterns,the distribution model of droplet size and dimensions and the liquid carrying model of gas.The results are identical with field operations through the calculation and analysis of liquid carrying law after the formation water produces.It is shown that the model presented in this paper has a field application value.

gas drilling;formation water production;prediction method;monitoring while drilling;water carrying law

TE242.6

：A

1005-8907（2012）01-0120-04

2011-05-13；改回日期：2011-11-30。

赵向阳，男，1985年生，工程师，2011年毕业于西南石油大学油气井工程专业，主要从事气体钻井、欠平衡钻井、控压钻井与多相流理论方面的研究。电话：（010）84988570，E-mail：swpuzxy@163.com。

赵向阳，孟英峰，杨顺辉，等.气体钻井地层出水随钻监测与携水规律研究［J］.断块油气田，2012，19（1）：120-123. Zhao Xiangyang，Meng Yingfeng，Yang Shunhui，et al.Monitoring while drilling and water carrying law for formation water production in gas drilling［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（1）：120-123.