[0001] 本发明涉及一种气体钻井空井压井方法，特别是一种应用于钻井井控领域的气体钻井空井压井方法。

[0002] 气体钻井具有以下优点：①钻进速度快，建井周期短；②能够大大减少生产开支，提高油气的产量；③能够避免井漏的发生；④克服水敏性页岩坍塌；⑤能够有效的保护储层等优点。因此，气体钻井技术将是解决我国非常规油气生产难题的有效途径之一。气体钻井打开储层后需要压井进行后续作业，与常规压井条件不同的是气体钻井井筒内为气体，无泥浆，如要压井需注入泥浆建立循环，进行压井作业，且在一定的施工条件下，泥浆返出井口后还没将井压住，之后也不会将井压住。从空井筒到建立泥浆循环这个过程目前尚无完整的方法，大多依赖于经验，因此现有技术中还没有一种可在气体钻井打开气层后空井的情况下进行压井，并可以有效保护油气层的气体钻井空井压井方法。

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种可在气体钻井打开气层后空井的情况下进行压井，并可以有效保护油气层的气体钻井空井压井方法。

[0004] 为解决上述技术问题本发明采用的气体钻井空井压井方法，包括以下几个步骤：

[0005] A、根据零流模型计算出泵排量、泥浆密度、泥浆粘度、井口回压；

[0006] B、关井，使井口回压达到A步骤计算出的井口回压；

[0007] C、按照A步骤计算出的泥浆密度、泥浆粘度配制泥浆；

[0008] D、开泵，将C步骤中配置好的泥浆按照A步骤计算出的泵排量通过钻柱注入井内；

[0009] E、控制井口回压，保证产气量不为0之前无钻井液返出井口；

[0010] F、液体返出井口后将回压调至0；

[0011] G、循环进行步骤B至F。

[0012] 进一步的是，在所述E步骤中采用调节井口流量阀的方法来控制井口回压。

[0013] 进一步的是，所述G步骤中的循环时间为30分钟。

[0014] 本发明的有益效果是：本申请基于零液流理论的气体钻井空井压井方法，可在气体钻井打开气层后空井的情况下进行压井，可以有效保护油气层。弥补了现有技术中从空井筒到建立泥浆循环这个过程尚无完整的方法，大多依赖于经验，准确性及可靠性不高的缺陷。附图说明

[0015] 图1是Kelessidis流型分布图；

[0016] 图2是2MPa的井口回压时产气量随压井时间变化图；

[0017] 图3是2MPa的井口回压时动液面高度随压井时间变化图；

[0018] 图4是5MPa的井口回压时产气量随压井时间变化图；

[0019] 图5是5MPa的井口回压时动液面高度随压井时间变化图。

[0020] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0021] 本发明的气体钻井空井压井方法。

[0022] 为解决上述技术问题本发明采用的气体钻井空井压井方法，包括以下几个步骤：

[0023] A、根据零流模型计算出泵排量、泥浆密度、泥浆粘度、井口回压；

[0024] B、关井，使井口回压达到A步骤计算出的井口回压；

[0025] C、按照A步骤计算出的泥浆密度、泥浆粘度配制泥浆；

[0026] D、开泵，将C步骤中配置好的泥浆按照A步骤计算出的泵排量通过钻柱注入井内；

[0027] E、控制井口回压，保证产气量不为0之前无钻井液返出井口；

[0028] F、液体返出井口后将回压调至0；

[0029] G、循环进行步骤B至F。

[0030] 所说的工程设计中的参数基于零液流模型计算，零液流模型为：

[0031] 其假设条件及简化因素，如下：

[0032] (1)模型满足流体力学三大基本方程，即：连续性方程、动量方程、能量方程；

[0033] (2)气液滑脱损失100％；

[0034] (3)该模型与基本多相流识别准则相似，但识别转化点以及压降计算模型不同。零净液流量气液两相流流动的主要流型近似为段塞流和搅动流。低气相流速时表现为段塞流，高气相流速时表现为搅动流。

[0035] 零净液流量气液两相流的摩擦阻力压力降可表示为：

[0036]

[0037] 式中：

[0038] ΔPF——摩擦阻力压力降，pa；

[0039] Lp——管流长度，m；

[0040] τs——液弹区壁面切应力，pa；

[0041] π——圆周率；

[0042] τf——液膜壁面切应力，pa。

[0043] τf和Lf需对Taylor气泡区联合应用动量平衡和质量平衡方可算出。采用与Taitel&Dukler相类似的方法，可导出Taylor气泡区液膜流的动量平衡方程和质量平衡方程分别为：

[0044]

[0045] (1-hf)(vt-vGF)＝(1-Hs)(vt-vs)

[0046] 式中τi与Si分别为相界面的切应力和湿周，υGf为液膜区气相流速。气液界面的摩擦系数采用Wallis建议的关系式。液膜壁面摩擦阻力系数、液弹区壁面摩擦阻力系数与非牛顿流体的特性参数n和K有关，引入非牛顿摩擦流体阻力系数计算式如下：

[0047]

[0048]

[0049] 式中ReMR是Metzner-Reed通用雷诺数，定义为：

[0050]

[0051] 式中：

[0052] DH——水力直径，m；

[0053] n——非牛顿流体流性指数；

[0054] v——管流速度，m/s。

[0055] 零液流量气提流动的总压力降由重位压力降和摩擦阻力压力降组成：

[0056]

[0057] 式中：

[0058] Δpt——管流总压降，Pa；

[0059] Δpf——管流摩阻压降，Pa；

[0060] hl——持液率；

[0061] lp——测试管长，m；

[0062] ρl——液相密度，kg/m3；

[0063] ρg——气相密度，kg/m3。

[0064] 零液流量气相表观流速度可表示为：

[0065]

[0066]

[0067]

[0068] 式中：

[0069] vm——混合物流速，m/s；

[0070] Qg——气相流量，m3/s；

[0071] A——管流面积，m2；

[0072] vsg——气相表观流速，m/s；

[0073] hs——液弹持液率；

[0074] vt——Talylor气泡平移速度，m/s。

[0075] 其中，液弹持液率可用Gregorg关系式表示：

[0076]

[0077] vt是Talylor(泰勒)气泡平移速度vt，可表示为：

[0078] vt＝covm+vd

[0079] 式中飘移速度：

[0080]

[0081] 段塞液塞区、气塞区长度以及长泡的持液率计算：

[0082] 凯莱西迪斯研究发现：当液体段塞的长度小于临界稳定段塞长度时，将会出现搅动流态，最小稳定段塞的液弹长度为14D。对于稳定段塞，随着气液量的变化，稳定液体段塞的长度无明显变化。

[0083] 凯莱西迪斯对于环空管提出计算公式：

[0084]

[0085] 式中：

[0086] Ls——稳定液塞长度，m；

[0087] D——环空当量直径，m；

[0088] vrc——气泡在同心环空液体中的稳定上升速度，m/s，取0.37；

[0089] vm——气相表观流速，m/s。

[0090] C取1.55。

[0091] 气塞区的长度计算

[0092] 弹状流向团状流转换时液塞内持气率以0.52为准则来建立环形管转换模型，为此给出转换准则如下：

[0093] Es＝0.52

[0094] Akagawa和Sakaguchi对垂直圆管内弹状流的液栓内平均持气率(占整个弹状流单元)的研究得到下面的表达式：

[0095]

[0096] 联立上两个公式可以得出：

[0097]

[0098] 由于前文所提最小稳定段塞中液塞长度Ls＝14D，可求得Lb＝5.6D

[0099] 应用以上数学模型可计算出零液流量在段塞流和搅动流条件下的气提流动的持液率、摩擦阻力压降和总压降以及相应水动力学参数。

[0100] 2)流型划分及压降计算

[0101] 研究结合图1 Kelessidis流型分布图在产液量极小时可以看出多相流流型与气相表观流速的大致关系。

[0102] (1)泡流

[0103] ①持液率

[0104] 在静止液体井口无钻井液顶出条件下中运动的气泡以微分散泡的形式沿环空管流曲折向上流动，偶尔聚合成大气泡。当到达某一点时当其聚合频率陡然上升，转变为段塞流。根据格里菲斯Griffith和莫伊西斯Moissis实验研究在低液体流量或无液体流量时，泡流的向段塞流转变的持液率临界点为0.7。

[0105] ②气相表观流速

[0106] 要计算泡流的气相表观流速先要计算单个气泡运动速度，其计算为[0107]

[0108] vsg＝(1-HL)vg

[0109]

[0110] ③流型判别条件

[0111]

[0112] ④压力降计算

[0113] 混合物密度：ρm＝HLρl+Egρg

[0114] 雷诺数：

[0115]

[0116] 摩阻系数：

[0117] 摩阻梯度：

[0118] 总压力梯度：

[0119]

[0120] (2)段塞流

[0121] ①流型判别条件

[0122] 当气相表观流速在2.5m/s这点时是段塞流和搅动流的临界点，结合Kelessidis流型分布图也可以看出在2.5m/s左右是段塞流和搅动流的转换点。

[0123]

[0124] ②压力降计算

[0125] 引入非牛顿摩擦流体阻力系数计算式如下：

[0126]

[0127]

[0128] 式中ReMR是Metzner-Reed通用雷诺数，定义为：

[0129]

[0130] 式中：

[0131] DH——水力直径，m；

[0132] n、k——非牛顿流体特性参数。

[0133] 零液流量气相表观流速度可表示为：

[0134]

[0135]

[0136] 其中，液弹持液率可用Gregorg关系式表示：

[0137] hs＝1/[1+(vm/8.66)1.39]

[0138] vt是Talylor(泰勒)气泡平移速度vt，可表示为：

[0139] vt＝covm+vd

[0140] 式中飘移速度vd：

[0141]

[0142]

[0143] (3)搅动流

[0144] ①流型判别条件

[0145]

[0146] ②压力降计算

[0147]

[0148] 其中，液弹持液率可用如下关系式表示：

[0149] hs＝1/[1+(vm/8.66)1.39]

[0150] vt是Talylor(泰勒)气泡平移速度vt，可表示为：

[0151] vt＝covm+vd

[0152] 式中飘移速度vd：

[0153]

[0154]

[0155] (4)环雾流

[0156] ①流型判别条件

[0157]

[0158] ②压力降计算

[0159] 由于井口无钻井液顶出条件下的气相浮力驱动其气液两相滑脱损失达100％，因此对于该条件下的环雾流其本身持气率接近100％。所以，该条件下环雾流可以当做纯气柱流动计算。雷诺数：

[0160] 摩阻系数：

[0161] 摩阻梯度：

[0162] 总压力梯度：

[0163] 根据井身结构和地层产气量，采用不同的泵排量、泥浆密度、泥浆粘度、井口回压进行编程试算，得到合适的施工参数，再按照合适的参数进行压井。

[0164] 在所述E步骤中采用调节井口流量阀的方法来控制井口回压。采用调节井口流量阀的调节方法实时快速，操作简单，调节响应快，准确性高。

[0165] 所述G步骤中的循环时间为30分钟。

[0166] 实施例：

[0167] 井身结构为M-34

[0168] 假设初始产气量为27万方/天，压井泥浆密度为1.0g/cm3，粘度为1mPa.s，排量为40L/min，2MPa回压。

[0169] 井身结构设计数据表

[0170]

[0171] 三开普通钻具组合

[0172]

[0173] 如图2和图3所示，很明显，在2MPa的井口回压下进行压井，动液面高度达到井口时，产气量还很大，不为0，因此上述施工参数不合理。此时，加大回压，若将回压加到5MPa结果如下：

[0174] 动液面高度到达井口时产气量为0，因此可采用此施工参数。

[0175] 因此对此井采用基于零液流理论的气体钻井空井压井方法步骤如下：

[0176] 步骤一，根据零液流模型计算工程施工参数。

[0177] 推荐使用参数为：压井泥浆密度为1.0g/cm3，粘度为1mPa.s，排量为40L/min，井口回压5MPa

[0178] 步骤二，关井，使得井口的回压达到工程设计的数值；

[0179] 关井，井口回压达到5MPa时逐渐调整井口节流阀，使其保持在5MPa。

[0180] 步骤三，根据工程设计的要求配置相应密度和粘度的泥浆；

[0181] 配置密度为1.0g/cm3，粘度为1mPa.s的压井泥浆，实为清水。

[0182] 步骤四，开泵，将配置好的泥浆按照设定的泵排量通过钻柱注入井内；

[0183] 开泵，将泵排量调至40L/min。

[0184] 步骤五，按照工程设计调节井口节流阀，控制井口回压，保证产气量不为0之前无钻井液返出井口；

[0185] 步骤六，液体返出井口后将回压调至0，循环30分钟。

[0186] 其中产气量随压井时间如图4所示，井口回压时动液面高度随压井时间变化如图5所示。