气体钻井地面分离设备液体排料系统的设计研究

目前,氮气、天然气欠平衡钻井过程中将由井筒返回至地面的气体进行直排放燃,这样既污染了环境,又浪费了能源,增加了钻井成本.为此,设计了一套气体钻井地面分离系统对由井筒返回至地面的气体进行回收,并对分离设备的排料系统进行了设计研究.为充分回收气体并保证连续排料,采用了液体排料的方案.液体输送需要保证排料速度大于临界流速,而临界流速与所输送固体的粒径有关,通过调研和采样分析,掌握了井口钻屑粒度分布范围,确定采用相应的B.C.克诺罗兹公式计算排料临界流速.同时,为了达到带压锁气排料的目的,设计了料罐液位自控方案.最后,针对气体钻井的实际工况对排料系统进行了实例设计,并进行了排料系统携岩排料能力试验,证明所做的设计可行.     

气体钻井岩屑分离系统设计

现行气体钻井返出岩屑只能依靠降尘水分离,排砂管线出口必须接到污水池,地层出气后不具备点火条件。若将排砂管线接到燃烧池进行点火,岩屑又容易堆积,影响燃烧池后续使用。迫切需要研究能有效实现分离、点火的除尘方法。文章从常规的环境处理方案中开启思路,以气体钻井返出岩屑分离的总流程分析为基础,将岩屑处理系统分为分离系统和循环水处理系统。分析并计算分离系统入口岩屑粒径和浓度,将分离系统设计为 两级：一级分离采用湿式、重力、惯性原理除去大颗粒和部分细颗粒岩屑;二级分离采用湿式原理除去较细小颗粒。通过岩屑分离系统除尘性能计算结果可知,分离出的气体能达到直接排放标准并直接排放至燃烧池。此套系统对进一步拓宽气体钻井的应用领域,为气体钻井储层钻井技术的发展奠定坚实基础。     

非直井气体钻井岩屑起动的临界流速

注气量作为气体钻井的关键参数,直接关系到现场钻井的成败。目前用于气体钻井的注气量计算方法均是基于垂直井眼得到的,对于水平井、大斜度井的情况并不适用,从而给气体钻井在水平井、大斜度井的应用造成很大困难。在分析岩屑颗粒运动方式的基拙上,假设岩屑颗粒沉积在下井壁,注入气体后对岩屑颗粒进行受力分析,得到不同井斜角情况下岩屑颗粒起动所需的临界流速模型。以此速度作为气体的最小流速,从而得到最小注气量。分析认为,在井斜角为60700的情况下,岩屑颗粒起动所需气体速度最大;大粒径岩屑对注气量要求很高,实际钻井过程中应采用适当方法减少大粒径岩屑的数量     

临界气体流量影响因素分析

泡状流向段塞流转化的临界气体流量是一个非常重要的参数。应用奥齐思泽斯基方法和克雷洛夫-路塔斯金方法，分别就其影响因素进行了较为全面的分析计算，并结合我国油田实际状况给出了克雷洛夫-路塔斯金临界气体流量的修正公式。     

气体钻井临界携水量计算

地层出水是制约气体钻井顺利实施的一个瓶颈,准确计算一定注气量下的临界携水量对于气体钻井现场安全施工、避免井下复杂至关重要。基于最小动能标准建立了计算气体钻井临界携水量的数学模型,该模型综合考虑了地层出水后环空多相流动状态,利用该模型可确定气体钻井注气量和临界携水量的对应关系。计算结果表明：增加注气量和降低液气表面张力是提高气体钻井临界携水量的有效途径;当增加注气量不能满足携水要求时,必须转换钻井方式,通过降低液气表面张力来提高临界携水量;气体钻井临界携水量计算需兼顾携带岩屑和携水两个要求,当所需的最小携水动能等于最小携带岩屑动能时,液气表面张力达到极值,进一步降低液气表面张力失去意义。实例验证表明,该研究成果能够用于指导气体钻井现场实践,为地层出水后气体钻井转换钻井方式提供了理论依据。     

天然气钻井气体回收设备的研制

天然气钻井过程中,井筒返回至地面的携岩天然气直接放燃,这样既浪费能源又污染环境。为了回收井筒返回至地面的携岩天然气,研究了天然气回收工艺,设计了由一级分离器、二级分离器、缓冲罐和过滤器组成的回收设备。一级分离器起预分离的作用,具有分离效率高、防粘壁、防返混的特点;二级分离器利用导叶式旋分管做分离元件。两级分离器能够除净气体中粒径大于7μm的钻屑颗粒。一级和二级分离器均采用液体输送方式进行连续排料。过滤器选用了外层玻璃纤维滤芯加内层金属纤维滤芯的双层复合滤芯,过滤分离效率可达99.8%以上,能够除净气体中粒径大于5μm的钻屑颗粒,可以保证过滤后的气体达到压缩机的进气要求。该回收设备不仅适用于天然气钻井中的携岩天然气回收,同时适用于其他气体钻井过程中携岩气体的净化和回收。     

气体钻井地面分离系统的现场试验研究

气体钻井地面分离系统是用来回收环空返回到地面的携岩气体.为检验气体钻井地面分离系统的现场适应性能以及对钻井操作的影响,在气体钻井现场进行现场试验.试验结果表明:两级旋风分离器分离总效率维持在99.8%以上,分离性能高效稳定;过滤器出口浓度在0.02～0.05 mg/m3之间,且出口气体中粉尘最大粒径小于5 μm,完全能够达到回收利用的要求.该地面分离系统的使用对气体钻井立管压力影响较小,证明井口携岩气体回收利用可行.     

气井携液临界流速公式的推导及影响因素分析

气井开始积液时,井筒内气体的最低流速称为气井携液临界流速,对应的流量称为气井携液临界流量.曳力系数是推导临界流速公式的重要参数,本文引用西南石油学院彭朝阳推导出的临界流速公式进行计算,经过实验验证,此公式更能较为准确地预测气井积液情况.根据所引用的临界流速公式,对某气井进行分析表明:在不改变气液的表面张力和天然气相对密度,并同时增大温度和压力的情况下,天然气的压缩系数及气体的密度会发生变化,随着温度和压力的增加,气体的临界流速增大,而临界流量随之减小.为了保证该气井能够连续携液生产,将井底的积液完全排出井口,气井在生产过程中的产气量应大于井口的临界流量.     

气体钻井技术的发展趋势与新技术探讨

回顾了气体钻井技术的发展历程,探讨了出水、出油地层气体钻井技术,连续循环气体钻井技术,气体钻水平井技术,储层氮气钻井技术等气体钻井新技术。雾化/泡沫钻井及循环泡沫钻井技术是解决小出水地层的有效手段,强抗油分散能力的抗油泡沫基液是解决地层出油关键。基于充气控回压的气体钻井控水工艺技术解决了大出水地层地面水难处理的问题。连续循环气体钻井技术可以在接单根、起下钻过程中保持连续循环,避免了井底积液引起的井壁垮塌,降低了卡钻风险,提高了钻井效率,延长了气体钻井井段。气体钻井钻水平井技术应用潜力较大,但国内气体钻井专用的螺杆等井下动力钻具还不成熟,限制了该项技术的发展。储层氮气钻完井技术能最大限度地避免外来流体对储层的伤害,有效保护油气层,提高单井产量和采收率,避免钻井井漏发生,大幅提高钻井速度,节约勘探开发成本,是解决致密油气藏难发现、难开采、提高单井产能十分有效的手段。以上新技术的成功应用将会对气体钻井技术产生革命性的影响,大大拓宽气体钻井技术的应用范围。     

龙岗地区气体钻井结束后卡钻原因分析

气体钻井工艺是近年发展迅速的一项新型钻井工艺,但在气体钻井结束替入压井钻井液后,却时常发生卡钻事故。从气体钻井的特征出发,揭示了卡钻发生的原因,提出了相应的预防措施,并用实例佐证了该措施的可行性。     

气井携液临界流量研究

准确计算携液临界流量对采气工程方案编制有很重要意义。根据最新的研究成果,液滴在气流的作用下呈高宽比接近0.9的椭球体。在这种情况下,计算气井携液临界流量需要考虑液滴形变的影响。在分析了前人携液模型和产水气井携液流动机理的基础上,考虑了液滴内部流动对曳力系数的影响,建立了新的气井携液临界流量计算模型。     

超深井气体钻井环空流动研究

气体钻井由于其低压,具有机械钻速高、避免井漏、消除泥页岩水化及保护储层等不可比拟的优势,目前在钻井界开展得如火如荼。但在超深井钻井过程中,面临地层高温、高压、产出流体相态复杂,这对环空携岩和安全是一个严峻的考验。通过理论与实验的综合研究结果表明,井筒环空流速、压力、动能从下到上逐渐增加,在井口处达到最大值,并且与地层产出流体相态和气体注入参数以及钻井工艺参数存在一定的关系,环空岩屑浓度从下到上呈减小趋势,在钻铤与钻杆连接处存在转折点。这为超深井气体钻井过程中设计注入参数,钻井参数以及携岩、井筒净化等提供了重要的依据。     

七里北101井气体钻井提高钻速试验研究

遭遇大段研磨性强、可钻性差的难钻地层,钻井液钻井钻速慢,井下事故频繁,建井周期长,已成为制约深层油气资源有效勘探开发的瓶颈。采用气基流体作为钻井循环介质,通过改变井底应力状态、消除压持效应、降低岩石强度和研磨性、延长钻头寿命和提高井底清洁效率可有效提高钻速。七里北101井采用气体钻井进行提速的试验结果表明,气体钻井可提高钻速1．7～13．3倍,有效减少钻具事故和克服井漏,大幅缩短建井周期;钻前进行井壁稳定性、地层出水和地层出气分析并配套相应的井身结构设计和钻进方案设计,钻进过程进行气体监测和设备工具配套有利于保证气体钻井安全顺利进行。     

从井底岩石受力分析研究气体钻井对机械钻速的影响

采用气体钻井时机械钻速较高,目前已被钻井界普遍认可;但对气体钻井是如何提高机械钻速的研究还不多。为此,通过有限元软件对井底岩石所受应力及其垂向应力积分曲线进行分析,结果发现,气体钻井过程中井底岩石上凸,表现为类似"张力"的外张趋势,其垂直于井底平面向下应力影响范围也比常规钻井液的大,由于没有钻井液静液柱压力的压持效应,岩石开始从塑性向脆性转变,这和所预期的结果一致;这一转变更利于钻头切削面与岩石接触,提高岩石破碎效率;也就是说,如果在使用相同的钻头、钻具组合以及机械参数等作用下,岩石破碎的区域更大,钻进速度也更快。     

空气钻井中的压力及注气量问题研究

运用流体力学知识对空气钻井中影响井底压力的各个因素进行了分析。重点讨论了影响环空压力的主要因素、钻头水眼气体流速、最优气体注入量等问题，给出了相关的计算公式和方法，为空气钻井设计提供了必要理论依据。     

气井井筒携液临界流速和流量的动态分布研究

随着有水气田的开发，产水气井所占比例逐年增加，准确预测气井的携液临界流量和流速对于气井配产及积液判断有着重要的意义，除了寻找适合本气田的预测模型外，还要考虑最大携液临界流量在井筒中出现的位置。为此，通过对携液临界流量和携液临界流速沿井筒分布规律的研究，认为携液临界流量与沿井筒分布气井的产液量有关，其变化直接改变了井筒温度和压力分布。产液量较小时，井筒的温度损失较大，压力损失较小，温度变化对携液临界流量的分布起主导因素，而随着产液量的增加，温度损失逐渐减小，而压力损失逐渐增加，压力变化逐渐成为影响携液临界流量分布的主导因素；携液临界流量沿井筒分布曲线出现的拐点，就是压力变化起主导因素到温度变化起主导因素的转折点；产液量较大时，最大携液临界流量往往出现在井底。研究表明，在计算气井携液临界流量时要算出沿井筒每个位置的携液临界流量值，并以较大值作为气井的携液临界流量。     

涩北气田携液临界流量计算模型优选

在前人研究的基础上,应用现场实际生产数据,以井筒积液时间为标准,对Turner模型、李闽模型以及四相流模型进行了对比分析,从中优选出涩北气田适应性较强的临界携液流量计算模型。对比分析结果表明,李闽模型的预测结果与实际情况更加吻合,应用该方法能够更为准确地确定涩北气田气井的合理排水采气时机,对涩北气田的合理开发有一定的指导意义。     

A Mechanistic Study on Minimum Flow Rate for the Continuous Removal of Liquids from Gas Wells

Abstract

Experimental studies show that liquid drop is deformed from initial sphere shape into oblate spheroid shape in parallel air flow, and experimentally determined values available of critical Weber number We_crit vary from 2.2 to 60 in low-viscosity liquid. Based on forces equilibrium, the authors deduced a new model to predict minimum flow rate. The model introduces a parameter C_k,Wecrit that describes the effect of liquid drop deformation and the maximum drop size difference on minimum flow rate. A function to predict drop deformation magnitude for different critical Weber number is developed based on energy conservation. The function prediction results are in good agreement with experimental data given in the literature and the predicted result from the DDB model, and the deviation is less than 6%. The C_k,Wecrit calculated by new model changes from 2.44 to 4.79, and the C_k,Wecrit calculated from data from gas field and experiment changes from 1.86 to 5.0. The new model theoretically explains the reasons that the discrepancy of the minimum flow rate is significant and minimum flow rate in some gas wells in China are low.     

Sensitivity Analysis of Major Drilling Parameters on Cuttings Transport during Drilling Highly-inclined Wells

Abstract

In this study, a layered cuttings transport model is developed for high-angle and horizontal wells, which can be used for incompressible non-Newtonian fluids as well as compressible non-Newtonian fluids (i.e., foams). The effects of major drilling parameters, such as flow rate, rate of penetration, fluid density, viscosity, gas ratio, cuttings size, cuttings density, wellbore inclination and eccentricity of the drillsting on cuttings transport efficiency are analyzed. The major findings from this study are, the dominating parameter on wellbore cleaning is the flow rate, and, as the viscosity of the fluid is increased, the thickness of the cuttings bed developed in the wellbore is significantly increasing. Also, cuttings properties, fluid density, wellbore inclination and eccentricity have some influence on cuttings transport.     

束缚水和衰竭速度对凝析油临界流动饱和度的影响

近年来国内外对凝析油临界流动饱和度进行了大量的研究,研究方法和手段的差异造成研究结果存在很大的差异,甚至相反。利用自行建立的超声波测试系统进行了5次凝析油临界流动饱和度测试,包括两组考虑束缚水影响的对比实验和一组考虑衰竭速度影响的对比实验。实验结果显示,凝析油临界流动饱和度比较低,大约在百分之十左右;高的衰竭速度测得的凝析油临界流动饱和度比低衰竭速度低,这表明高的衰竭速度有利于地层凝析油的流动;束缚水的存在降低了凝析油临界流动饱和度。