（油气井工程专业论文）空气钻井工作特性分析与工艺参数选择研究.pdf

a b s t r a c t k e y w o r d s :人 i t d r i l l i n g , o p t i m i z e m o d e l , c h a r a c t e r a n a l y s i s p a r a m e t e r c a l c u l a ti o n a i r d r i l l i n g i s t h e o n e o f t h e m a i n b r a n c h e s o f u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g ( u b d ) . i t o w n s m o r e a d v a n c e d c h a r a c t e r s th a n m u d d r i l l i n g , s u c h a s h i g h r a t e o f p e n e t r a t e ( r o p ) , r e s e r v o i r p r o t e c t i o n , r e d u c t i o n o f d r i l l in g c o s t e t c . i t w i l l h a v e a m o r e b r o a d a p p l i c a t i o n i n t h e fi x t u r e . b y f a r , t h e t h e o r y r e s e a r c h a n d t h e m a i n p a r a m e t e r s c a lc u l a t i o n o f a i r d r i l l i n g a r e j u s t b e g i n n i n g i n c h i n a . t h e d e s t in a t i o n o f t h e p a p e r i s t h a t i t c a n p r o v i d e t h e t h e o ry b a s e a n d t e c h n i q u e s u p p o r t f o r c a l c u l a t i n g t h e m a i n p a r a m e t e r s a n d c h a r a c t e r c u r v e s i n a i r d r i l l i n g b y t h e o ry r e s e a r c h . t h e p a p e r g i v e s a c o m p l e t e e x p l a n a t i o n o f a i r d r i l l i n g s y s t e m o n t h e b a s i s o f i n v e s t i g a t i n g m u c h o f m a t e r i a l s a n d c o n s u l t i n g r e l a t e d e x p e rt s . o n a c c o u n t o f t a k i n g t h e c o m p r e s s e d a i r a s c i r c u l a t e d fl u i d , a ir d r i l l in g h as m a n y d i ff e r e n t a s p e c t s fr o m m u d d r i l l i n g , s u c h a s t h e d i s t r i b u t i o n o f p r e s s u r e , t h e s e l e c t i o n o f d r i l l i n g m a t e r i a l s a n d t h e r e as o n a b l e c o n f i g u r a t i o n o f d r i l l i n g p a r a m e t e r s . t h e p a p e r b e g i n s w i t h t h e a n a l y s i s o f p r e s s u r e d i s t r ib u t i o n , t h e n o p t i m i z e s t h e m o d e l o f a i r d r i l l i n g , a n d c o n d u c t s e q u a t i o n , a t l ast w r i t e s p r o g r a m t o c a l c u l a t e t h e m a i n p a r a m e t e r s a n d c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s o f a i r d r i l l i n g . t h e m a i n p a r ts o f t h e p a p e r i n c lu d e a n a l y z i n g t h e d i s t r i b u t i o n l a w o f p r e s s u r e , fl u i d d e n s i t y a n d v e l o c i ty i n t h e w h o l e w e l l ; d i s c u s s i n g a l l k i n d s o f t e m p e r a t u r e m o d e l s i n a i r d r i l l i n g ; s t u d y i n g t h e m i n i m u m v o l u m e r a t e t h e o ry , a n d t h e s e l e c t io n p r i n c i p l e o f t h e d i a m e t e r o f d r i l l in g c u t t i n g s ; c a l c u l a t i n g t h e m a i n p a r a m e t e r s o f a i r c o m p r e s s o r , a n a l y z i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o m p r e s s o r p a r a m e t e r s a n d d r i l li n g p a r a m e t e r s , r e v i s i n g t h e fl o w r a t e a n d o u t p u t p r e s s u r e o f a i r c o m p r e s s o r i n d i ff e r e n t s i t u a t i o n , a n d m e as u r i n g t h e c h a n g e o f p r e s s u r e , d e n s i t y a n d v e l o c i t y i n t h e w e l l d u e t o t h e v a r i a t i o n v o l u m e r a t e o f c o m p r e s s o r ; m a k i n g a n a n a l y s i s o n r o t a ry s p e e d o f p o s i t i v e d i s p l a c e m e n t mo t o r ( p d m) i n a i r d r i l l i n g ; s e l e c t in g r e a s o n a b l e r o p , w h i c h m e a n s c a l c u l a t i n g t h e r o p c r i t i c a l v a l u e , w h i c h i s v e ry i m p o rt a n t t o d r i l l i n g s a f e t y ; i n t r o d u c i n g t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f a i r d r i l l i n g ; g i v i n g a n e x p l a n a t i o n o f e q u i p m e n t s u s i n g i n a i r d r i l l i n g a n d n o t i c e s i n d r i l l i n g p r o c e s s i o n . t h e n e w i d e as a n d i n n o v a t i o n s i n t h e p a p e r a r e l i s t e d a s b e l o w : a l o t o f v a l u a b l e d a t a a n d s o me c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s i n a i r d r i l l i n g a r e g o t t e n a n d m e a s u r e d b y p r o g r a m ; t h e e r r o r s o f a n g e l m o d e l a r e d i s c u s s e d a n d t h e r e a s o n s a n d s o l u t i o n s o f e r r o r s a r e a l s o g i v e n i n t h e p a p e r ; t h e n e w m o d e l p r e s e n t s i n t h e p a p e r w h i c h i s m o r e a c c u r a t e a n d p r a c t i c a b l e t h a n a n g e l s m o d e l d u e t o t a k in g t h e s p e c i a l c h a r a c t e r s o f a i r a n d s l i p p a g e b e t w e e n a i r a n d d r i l l i n g c u t t i n g s i n t o c o n s i d e r a t io n ; t h e l a w o f p d m r o t a r y s p e e d i n a i r d r i l l i n g i s m o r e c l e a r t h a n b e f o r e , w h i c h i s m a i n l y e ff e c t e d b y p r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e i n m o t o r ; t h e c a lc u l a t i n g m e t h o d i s g i v e n t o c o m p u t e t h e c r i t i c a l v a l u e o f r o p ; t h e p r o g r a m f o r c a l c u l a t i n g t h e p a r a m e t e r s i n a i r d r i l l i n g i s w r i t t e n a n d i t i s v e r y c o n v e n i e n t t o b e u s e d b y d r i l l i n g e n g i n e e r s . 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国石油勘探开发研究院或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料， 与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表达了谢意。 签 名 : i 引”日期:j、斗s ) 了 ) x 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油勘探开发研究院有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 中国石油勘探开发研究院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅; 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存 论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签 名 :1 =! ， ，导师签名:夭 脑。 期 .,? 0 s 4 - 不? -o 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 空气钻井简介 一、空气钻井在国内外应用现状 空气钻并是欠平衡钻井的一个重要分支，与传统钻井液钻井相比具有明显的 特征。空气钻井是指以空气作为循环介质进行欠平衡钻井，它是最早发展起来的 一种欠平衡钻井技术。空气钻井在美国及加拿大应用较为广泛。据文献记载空气 钻井首次使用是在十九世纪中期， 有文字记载的是1 9 5 3 年美国犹他州使用空气钻 井 技 术 进 行 钻井 。 此 后， 该 技术 被 广泛 应用于 世界 各 地油 气 井 ( 包括 煤 层 气 ) 的 钻 探和开发上。到7 0 年代末， 估计有 1 0 %的深井钻井和完井作业采用了空气与气体 钻井技术。 截止到2 0 0 0 年， 据美国能源部统计3 0 % 左右的石油、 天然气钻井和完 井作业采用了该技术，最深井已钻达 1 9 0 0 0英尺，特别是在美国东部阿巴拉契亚 山脉地区、新墨西哥州的圣.胡安盆地以及西得克萨斯的某些油田和那些钻井液 易漏失的地区如洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用。美国能源部要求，到 2 0 0 5 年用空气或气体钻井技术的油井要达到3 0 %以上， 美国年钻井3 3 0 0 0口 左右， 也就是说到2 0 0 5 年将有1 0 0 0 0 口以上的油井采用空气或气体钻井技术 2 1 。 近年来 空气钻井在我国也得到了一定程度的应用并取得了良好的效果。例如，玉门青西 油田的隆 9井一开后，所钻遇的地层均为逆掩推覆体地层，由于逆掩推覆体老地 层倾角大，最大达到 7 0 0。裂缝发育，斜、跳、慢是制约该井机械钻速的主要因 素，平均机械钻速约为 0 . 5 8米/ 1 1 、 时左右，机械钻速很低。为了寻求硬地层井段 提高机械钻速的新方法，降低勘探开发综合成本，加快窿 9井推覆体并段钻井速 度 决定在2 9 7 0 至3 3 0 0 m 井段采用空气( 雾化) 钻井枝术 结果实验取得成功， 机 械钻速达到3 .4 81 1 .6 米/ 小时左右， 为原钻速的6 - 2 0 倍“ ， 。 另外在长庆油田苏里 格气田、四川油田的正坝 1 井、浅三井、长庆油田的陕2 4 2 井、苏3 5 -1 8 井等等 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 都曾 采用过空气或气体钻井的方式， 均取得了良 好的效果 ” 。 事实证明 采用空气 或气体钻井可大幅度地提高机械钻速，保护产层。同时在空气钻井工具上，我国 也取得了突破性的进展。2 0 0 1 年，我集团公司国际工程公司在伊朗承包了欠平衡 钻井项目，根据有关方面所设计的工程施工方案，需要空气或泡沫作为介质驱动 螺杆钻具进行钻井作业。中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂联合 组成课题组，承担了集团公司科技发展部下达的 “ 伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具 研制” 项目，旨 在开发用空气及泡沫作为钻井介质的新型螺杆钻具 k 7 l z 2 4 4样机 并形成产品，以解决伊朗欠平衡钻井项目的急需，并为国内今后的欠平衡钻井及 空气钻井提供一种实用工具。经过双方人员的共同努力，样机研制获得成功，并 已在伊朗项目中使用，获得较满意的效果。 二、国内外关于空气钻井理论研究与参数计算的发展与现状 空气或气体钻井的理论研究第一个具有里程碑式的人物是d .j ma r t i n ， 他于 1 9 5 2年发表的题为 u s e o f a i r o r g a s a s a c i r c u l a t i n g f l u i d i n r o t a r y d r i l l i n g - v o lu m e t r i c r e q u i r e m e n t s 的 论 文， 首次 提出 用数学的 方 法来预 估干空 气 钻井所需的气量。尽管当时他没有考虑环空岩屑的影响，但是他启发了人们使用 数学的方法来解决空气钻井的若千问 题。1 9 5 7 年，p h i l l i p s公司的r .r . a n g e l 给出了 第一个实 用的 计算公式， 在这个公 式里， a n g e l 把所需 流量与 气体的 密度， 井眼的大小、 深度， 钻柱的尺寸以及机械钻速关联起来。 该公式的影响极其深远， 此后所推导的包含各种考虑因素的公式皆是在该公式基础上的修正或引用。比 如:1 9 8 0 年， i k o k o 和wi l l i a m s 就是把该公式与砂岩、石灰岩和页岩的颗粒运移 速度以 及环空摩擦系数关联起来。1 9 8 4 年， w c . l y o n s 总结了当时的各项公式， 提出计算空压机和增压器所需功率的七个步骤，并与当年出版了第一版的 a ir a n d g a s d r i l l i n g m a u n a l) ) a 9 0 年代早期， 欠平衡钻井成为当时油气井钻井和完井 工程的 一 项重要技术，同时空气与气体钻井技术的潜在经济效益和环保效益受到 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 高 度 关 注， 促 使 他 和同 事 于2 0 0 1 年 再 版 a ir a n d g a s d r i l li n g m a u n a l ( 5 1 。 近两 年来国内 外学者多把注意力放在环空携屑的 研究上， 例如 y . m a s u d a研究了 泥浆 钻井中 弯曲 井段 环空携屑的 规 律并给出了 控制方程 ; l i u h u i x i n g等研究了 在 实验室条件下环空携屑的各种情况并推导了携屑数学模型， 但其结果只停留在实 验室阶段， 未经现场实钻检验川 。 中国 石油勘探开发研究院钻井所硕士研究生庞 保平的硕士论文 空气钻井流体压力计算与空气螺杆马达的初步研究 ，对空气 钻井沿程压力分布规律及空气螺杆马达的设计也做出了有益的探讨。 三、空气钻井的优缺点比较 空气钻井作为欠平衡钻井的一种特殊形式，具有自己 显著的特点，应用范围 亦有一定的限 制。下面简要介绍一下哪些情况较适合空气钻井以及其局限性。 ( 一) 、空气钻井尤其适合用于下述情况 1 、地层岩石坚硬 2 、井壁稳定性强 3 、较少的地层流体侵入 4 、具有中低孔隙压力的地层。 5 、缺水干旱地区。 6 、对水基或油基钻井液敏感的地层。 ( 二) 、空气钻井的局限性 1 、对地层流体的侵入控制力不强。 2 、钻头的适用范围窄。由于空气对钻头的冷却作用不强，使得耐高温性能不强的 金刚石类钻头较少应用于空气钻井中，因此在空气钻井中大多使用牙轮钻头。 3 、 软地层不适用于空气与气体钻井。 通常情况下软地层产生的岩屑尺寸较大，不 利于在较大井深情况下气体携屑。 4 、井底着火。当井底烃类气体与空气混合达到一定比例后，就有可能发生燃烧。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 四、空气钻井设备介绍 空气钻井中所用设备和井场布置明显有别于传统钻井方式，现简要介绍一下 主要设备的功能及其井场布置原则。 ( 一) 、空气钻井井场布置图 8 1 压羚份比 引失协 图 1 . 1 . 1 下面简单介绍一下图 1 . 1 . 1 各部分设备的功能: 空压机:空气钻井中最主要的设备，高压气体产生的源泉。本论文会有专门章节 介绍空压机的有关问题。 增压机:提高压缩空气的压力等级，以补偿当空气钻进时使用小尺寸喷嘴或井下 动力钻具造成的过大的压力损耗。 增压机控制阀:由于控制增压机移出或接入空气循环系统。 流管中的安全阀:当流管中气体压力过高时，通过开启安全阀释放过高的压力。 液体注入泵:由于地层大量出水而需将空气钻井转为雾化或泡沫钻井时，用来向 空气中加入水或起泡剂;或向空气螺杆马达注入润滑剂时使用。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 固体注入泵:当地层出现少量水时，可向井筒内注入干燥剂，有利于气体携屑。 压力计、温度计、流量计:用来监测流管中气体状态. 泥浆罐: 储备泥浆，用于特殊情况下，由空气钻井转为常规泥浆钻井时使用. 压力释放管线:用于释放空气流动系统中过高的压力。常用于起下钻、接单根或 其它需要开口操作的场合。 空气吸湿器:干空气钻井时要求空气进入井筒前除去水分。当空气较湿润时，经 过空压机压缩后，空气中可能有水分析出，因此使用空气吸湿器除去水分。 排出管线:从环空中出来的气固混合物通过排出管线排离钻台，其内截面一般应 为井口环空截面的1 . 1 倍。 排出管线的控制阀:用于控制井口回压，也可用于配合试井测试. 岩屑捕获器:用于获得井口处的岩屑样本。 气体探测器:用于检测烃类气体，便于钻工采取安全措施。 减尘器:用于向排管内的气固混合物喷水，减少粉尘污染。 燃烧池:用于沉降岩屑和燃烧井底产生的烃类气体。 引火器:将从排管中带出来的井底产生的烃类混合气体点燃，保证安全钻进。 ( 二) 、 井口 设备布置图山 图 1 . 1 . 2 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 旋转头:它分为旋转与非旋转两部分。旋转部分可以和钻柱一起旋转。非旋转部 分和同密封装置配合，使从环空中出来的含岩屑的气流流向排出管线，保证钻井 平台和人员的安全。 防 喷 器组 合【 2 7 1 : 空气钻井中 主要 使用两 种防喷器。 一种为 环形防喷器 ( 或旋转防 喷器) ， 它靠液动作用使胶芯挤向井口中心，直到抱紧钻具或全封闭井口，从而实 现其封井的目的。另一种为闸板防喷器，要求半封、全封齐全。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 . 2 本论文选题依据及研究思路 一、论文选题依据 ( 一)、空气钻井在我国有着广泛的应用前景 目 前空气钻井主要应用于中低压地层，由于我国大部分油田都处于开发后期， 地层压力大都存在不同程度的下降，这就为空气钻井提供了用武之地。近年来随 着大量低渗透油气藏投入开发，如何保护此类油气藏成为人们关注的焦点。空气 或气体钻并由 于具有欠平衡钻井的性质，所以对于保护低渗透油气藏来说具有比 传统钻井方式明显的优势。同时空气钻井还具有大幅节约钻头、降低钻井成本、 环境污染小等其它特点。正困为空气钻井具有如此多的技术和经济上的优势，因 此它必将在我国有着越来越广泛的应用前景。 ( 二)、国内急需空气钻井理论指导 目 前我国钻井界己日益重视空气与气体钻井这一新技术。由于气体具有可压 缩性的性质，所以常规泥浆钻井的有关理论对空气或气体钻井而言己不适用。空 气或气体钻井在国内刚刚起步，很多理论分析、计算方法尚未形成，计算软件还 属空白。面对空气钻井的日益发展壮大，急需开展空气钻井理论方面研究，为空 气钻井的设计、设备选型、工艺参数优化提供理论保证和技术支持。 ( 三) 、开拓海外钻井市场的需要 随着我国石油战略的调整和国内油田的开发日 益困难，开拓海外石油市场越 来越显出其重要性。按照集团公司的要求到2 0 2 0 年海外原油生产将成为集团公司 的半壁江山【 ， ， 。由于种种原因在国外我们得到的油田多为开发年限长、难度大的 硬骨头。 如何降 低占 整个开发方案投资相当比 重 ( 约1 / 3 ) 的钻井费 用是决定油田 是否具有开发效益的关键因素之一。由于国外油田多采用衰竭式开发模式，因此 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 我们得到的油田地层压力大都较低。如阿曼 5区主力油田地层压力只有原始压力 的3 6 % - 8 0 % ;阿塞拜疆k k 油层压力系数已 降到0 . 6 左右. 这就为发挥空气钻井的 优势创造了先决条件。在适宜地区大量采用空气钻井势必会大大降低钻井成本， 从而取得可观的经济效益。 伊朗南部波斯湾北岸的丁 油田采用空气/ 泡沫钻井取得 成功就是典型实例 ” ， 。由 于我国的空气钻井为数还不多，钻井队 伍对空气钻井比 较陌生，缺乏理论支持和现场经验，这就限制了充分发挥空气钻井的优势，因此 这也要求我们加强对空气钻井理论的研究，用于指导实践。 ( 四) 、空气钻井理论发展的需要 经过查阅大量书籍和 s p e文章以及咨询有关专家，国内外关于空气钻井理 论研究及参数计算存在如下问题: 1 、空气钻井理论模型与实际存在较大差距。现在大部分资料还沿用 5 0年代 a n g e l 的 混合 流体均匀流的 模型。 该模型主 要有两点 假设: ( 1 ) 混合流体为不可压缩流体 ( 2 ) 岩屑与气流速度相同 而实际情况是气体具有很强的压缩性，特别是在流速较高时表现很突出。同 时 岩屑与气体之间存在滑移又是客观现实。因 此对a n g e l 的混合流体均匀流模型 的优化势在必行。 2 、现有的空气钻井理论对于造斜段、稳斜段、水平段理论分析较少。以往研究 主要集中 在直井段， 对于非直井段的 理论研究急需加强川 。 3 、 缺乏对空气螺杆马达的分析研究。国外对空气螺杆马达的研究主要停留在当 马达工作在其额定工作点时，马达排量、压力的分布研究，而实际上马达很难固 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 定在额定点工作，因此有必要研究空气螺杆马达在全井钻进中在不同状态下的工 作特性。 4 、国内关于空气或气体钻井理论方面的研究不多， 特别是有关钻井参数计算方 面研究更少。国内空气钻井的参数计算现在还依赖于国外的计算软件 ( 如摩尔软 件) ，缺乏自主开发的工程应用软件。 综上所述空气钻井理论还存在这样或那样的不足， 要使空气钻井更好地发挥 作用，就必须弥补现有理论的缺陷，找到反映空气钻井客观规律的有力武器，使 人们对空气钻井有更加清晰的认识。 二、论文的研究思路及技术路线图 本论文主要研究空气钻井的循环系统的压力、气体密度、流速分布规律，井 底清洁程度 ( 即最小气量问题) ，空气螺杆马达工作特性，选择合理的钻速，空压 机主要参数选择及校验，以及空气钻井中应注意的事项等等有关问题。空气钻井 由于采用了具有极大压缩性的空气，其循环系统的压力分布、所采取的钻具组合、 钻井机械的选择、钻井参数的合理配置与传统钻井方式相比有着很大的区别。本 论文从对循环系统的压力分布模型优化入手， 研究了循环系统的压力、 气体密度、 流速分布规律，进而引出了空气螺杆马达工作特性分析。利用优化后的压力分布 模型和井底清洁程度第二或第一标准，讨论了井底清洁程度 ( 即最小气量问题) 、 选择合理的钻速等问题。最后利用优化后的最小气量及循环系统压力分布公式， 选择空压机型号和校验空压机的主要参数。下面为论文的技术路线图: 中国 石油勘探开发研究院硕士学位论文 循环系统压力分布模型优化 编程i 求解 循环系统压力分布规律 钻柱内压力分布与 气体密度流速分布 钻头压降 环空压力与气体 密度及流速分布 wm 纂ar 7 一 竺 彗 左 飞 寸压 分降 析 #7 c黔 计算方向计算方向 . 气 最小气体流速 井底最小动能 合理钻速选择 携屑最小气量空气螺杆马达特性分析 空压机选型及 主要参数验证 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第二章空气钻井工作特性分析研究 2 . 1空气钻井工作特性分析基础 由于本章及以后章节要进行空气钻井工作特性分析及工艺参数计算，需要甩 一个算例来进行说明，因此论文设计了一个通用算例用于全文的计算。另外空气 钻井采用具有压缩性质的气体作为循环介质，气体温度的变化直接影响到压力数 值，进而会影响到整个空气钻井系统工作特性。同时空气钻井中流态的选择对于 计算结果的准确程度也有着重要的影响。因此有必要在进行空气钻井特性分析前 就这些问题做一说明。 一、通用算例说明 ( 一) 、通用算例模型图 井口 基准面 0、，. 肠 瓶 2896 一i 存 m4 8 r 一 - 一 一 v we n a 图 z . i . i 注 2 . 1 . i :图中的h i , h z， h 3 含义见“ 通用算例原始数据说明， 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 ( 二) 、通用算例原始数据说明 表 2 . 1 . 1 通用算例数据说明 通用算例数据 ( 1 ) h1 :钻杆h 2 :钻艇卜 3 : 钻 头钻头气眼 井深 ( m )陆 it( ) 一沉积岩的 岩屑密度 ( k g / m ) 标况下的 空气密度 ( k g / m ) (k1 1 、】 】 】 少 * f lm ) fal km 夕 m i ki n / 9 h 0 km ) 噢 俘 k 田 夕 3 0 4 80 . 0 0 5 0 8 0 . 0 9 7 20 . 1 1 4 30 . 0 7 1 4 0 . 1 7 1 4 50 . 2 0 . 0 1 7 7 8 * 32 7 0 01 . 2 0 5 表 2 . 1 . 2 通用算例数据说明 通用算例数据 ( 2 ) 环境温度 ( k) 井口温度 ( k ) 温度梯度 mm) 当地大气压 ( p a ) 空压机有效气量 ( m 3 / s ) 空压机工作压力 ( p a ) 2 8 8 . 7 12 8 0 . 2 30 . 0 38 7 3 9 9 . 6 51 . 1 3 3 6 8 9 0 0 0 0 表 2 . 1 . 3 通用算例数据说明 通用算例数据 ( 3 ) 空气马达额定 排量 ( m / s ) 空气马达额定 压降 ( p a ) 空气马 达额定转速 ( r p m) 空气马达每转排量 ( m ) 缨 k m少 0 . 0 2 5 2 31 5 1 6 9 0 02 0 0 0 . 0 0 7 5 7 0 . 1 7 1 4 5 注 2 . 1 .2 ) :空气马达型号为b a k e r o i l t o o l s mo d e l ma c h 1 , 5 / 6 螺杆马达 二、空气钻井温度分布假设 大家公认在空气钻井中环空及钻柱内均处于紊流状态，而紊流对于热传递是 非常有效的。同时与传统钻井泥浆相比 2 6 1 ，空气具有压缩性高， 热容性能差等特 点，因此在井筒中空气与地层的热交换相对较快，空气升温与降温迅速，钻具内 外温度基本一致且与地温相似或略小 ( 考虑到空气流速较快) 。 温 度 分 布 基 本 关 系 式 假 定 为 : 几一 双 十 g h ( 2 . 1 - 1 ) g : 流体温度梯度( 本论文取地温梯度)t s :井口 温度h ;井深 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 三、沿程阻力系数的讨论 ( 一) 、沿程阻力系数兄 的理论计算 根 据流 体 力学 理 论可 知， 沿程阻 力系 数兄 取值与 雷 诺数r 。 有关。 由 尼 古 拉 兹 经典实验，可将圆管中的流动分为4 个不同的流区【 x2 7 1 、层流区 r q 2 0 0 0 ， 处于紊流状态。 由以上分析及计算可见，空气钻井中雷诺数通常很大，将钻柱及环空流动认 为是紊流是可信的。本论文采用完全紊流粗糙区沿程阻力系数计算式为: ( 2 . 1 - 8 ) d , :当量直径 :管壁的绝对粗糙度 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 2 . 2 空气钻并沿程压力系统分析 一、环空压力分布控制式推导及求解 本部分主要介绍了环空压力分布计算所选用的模型，以及用该模型推导出了 直井段、弯曲段、稳斜段的环空压力微分方程及其解的形式。鉴于目 前国内外工 程界在 环空压力 分 布模型上 仍 广泛应 用a n g e l 模型 ， ，因 此本 论文 环空计算中也 沿用a n g e l 的混合均匀流模型。 与美空气钻井手册 ” 环空压力模型求解过程相比， 论文用各点的温度代替了美手册中使用的平均温度。 ( 一) 、直井段环空压力控制方程微分形式推导及其求解 1 、直井段环空压力控制方程微分形式推导 并 口 基 i 佳面 a g1 , v 1 , h1 , a b p 2 v z ，2, p zt dh x图 2 ” 如图 ( 2 .2 . 1 ) 所示，a ,b为两水平面，其上参数如图所标，现截取d h 这一微 元进行分析。 假设此微元满足如下条件: ( 1 ) 、此中流体为气固混合流。 ( 2 ) 、 微元体内流体具有定常流动、均匀流动的性质。 ( 3 ) 、 微元体内 压力变化不大， 近似认为密度为常数 ” 。 ( 即近似当 作不可压缩流 体来处理) 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 注2 .2 . 1 ) : 可参考 流体力学 “ 气体按不可压缩流体处理的限 度” 一 节。 t 西安交 通大 学出版社 。 ( 4 ) 、质量力为重力。 ( 5 ) 、钻柱处于与井眼同心位置 ( 6 ) 、 不考虑钻柱旋转 由于此微元具备使用伯努利方程的条件，列方程得: v 、 2v ,只_ v ， zv , 只 一十一一h ， =一十-h , +机 2 g p g一 2 9p 9 ( 2 .2 - 1 ) 气: a b 之 间 的 沿 程 摩 擦 损 失p: 混 合 流 体 密 度9 : 重 力 加 速 只 ， v h ,: a处的 压力， 平均流 速， 相对于 井口 基准面的 距离 尺 , v 2 , h 2: b处的压力， 乎均流速， 相对于井口 基准面的 距离 因为微元内流体近似为不可压缩流体， 且 a , b处为等截面， 根据质量守衡定律得 到: v i 0 v 2 ,整理式 ( 2 .2 - 1 ) 得: 仇一 p , ) 一 p g (h ， 一 h , ) 一 p g h f = 0 ，. d p 二 p 2 一 p ,;d h = h 2 一 h , d p 一 二 协+ h f ) ( 2 .2 -2 ) 根 据 沿 程 损 失 的 达 西 公 式 “ ， :h f = 、 二二( 2 . 2 - 3 ) 4 r 2 g 兄:沿程阻力系数 r:水力半径 1:流动长度 v :断面平均流速 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 图 2 . 2 .2 图2 .2 .2 为环空截面图，其中r 1 为套管内半径或钻头半径， r 2 为钻柱外半径 根据水力半径的定义“ 4 1 r =( 12 - 4 ) 将式 ( 2 .2 - 3 ) , ( 2 .2 - 4 )代入式 ( 2 . 2 - 2 )式得: ( 12 - 5 ) 2 、 直井段环空压力控制微分方程咖二 a v 2 4 ( r ， 一 r z ) 求解 由于方程求解过程较长，此处仅给出方程解的最终形式，方程详细求解过程 请参见附录 1 . 1 。方程解的形式如下: p = v a 几 c一 b 写 ( 2 . 2 - 6 ) 参数含义: ， _ p iz丛旦t- a b 处 g h . )2 (。 一 g x t + g h , 誓 b = a b ( a 一 g ) 几二 兀+ g h 。 _ 卫 , + w ,， r w g 之( r、 ，w , 1 7 =-; - - 一 二 一 六 一 2 g k d 、 一 口。 八m) ( n 丫， _ ， 1 z 一 w :一d ) l 4 ) ” 气体的质量流量 套管内径或钻头直径 w , :岩屑的质量流量 d y : 钻柱外径 g卜 wd 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 g :混合流体温度梯度 p , t g : 某 一 井 深 气 体的 压力， 温 度 t s :井口温度 h :井深 p l , h , : 计算起点的压力，井深 兄 :沿程阻力系数 r , m:气体常数，摩尔质量 ( 二) 、弯曲段 ( 增斜或降斜)环空压力控制方程微分形式推导及求解 r wa d 3 , v 1 , h l , p b- - , y 2 , v 2 , h 2 , p 图 2 . 2 3 1 i弯曲段 ( 增斜或降斜)环空压力控制方程微分形式推导 如图 ( 2 .2 .3 )所示m n 之间为造斜段 p :混合流体在微元中的密度 d s:a b之间的弧长 d a : a b两处井斜角之差 只 ， v h ,: a处的 压力， 平均流速 只, v 2 , h z:b 处的压力，平均流速 图中参数含义如下 r :弯曲段半径 a :a处井斜角 d h:a b两处形心垂直高 度之差 截面形心相对于井口基准面的垂直距离 截面形心相对于井口基准面的垂直距离 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 下面对微段a b进行研究， 推导过程同直井段环空压力控制方程一样， 同样可 得 到 式( 2 .2 -2 ) 为 : d p 一 p g 协十 h l ) 现 在 推 导h , 在 弯曲 段的 表 达 式: 根 据 达 西 公 式 : h f = 免 二二 4 r 2 g ( r = r , - r , 2 ( 2 . 2 - 7 ) r i :套管内半径或钻头半径: r 2 :为钻柱外半径 微元体内 i 二 d s , d s = r , d a , d h = d s c o s a 将式 ( 2 .2 - 7 ) , ( 2 .2 - 8 )代入 ( 2 .2 - 2 )式整理得: ( 2 . 2 - 8 ) 二 p 一9r. cos a 十 ( 2 一 9 ) 上式即为弯曲段 ( 增斜或降斜)环空压力控制方程。 2 ,弯曲段环空压力控制方程d p 一 !， ， c os a 十d a求解 由于方程求解过程较长，此处仅给出方程解的最终形式，方程详细求解过程 请参见附录 1 . 2 。方程解的形式如下: 一 1 a . e,g ,a(p 一-5-2 一 ) ( 2 . 2 - 1 0 ) 参数含义: q , b , a o , a i : 对计 算点 而 言 均为 常 数 w 9 : 气体的 质量流量 p , t , : 某 一 井 深 气 体 的 压力， 温 度 d n :套管内径或钻头直径 a:井斜角 岩屑的质量流量 弯曲段的平均温度 p, : 钻柱外径 造斜点环空压力 wc:今 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 r , m: 气体常数，摩尔质量几:沿程阻力系数 ( 三) 、稳斜段环空压力控制方程微分形式推导及求解 1 、稳斜段环空压力控制方程微分形式推导 其推导过程类似于弯曲段 ( 增斜或降斜) 环空压力控制方程微分形式的推导， 只是流体流动方向 及水力半径发生改变，由此得到: .vv . a p 一 件 g c o s a _ 十 4 ( r , - r 2 ) j a s ( 2 .2 - 1 1 ) 当a _ = 9 0 0 即 可得到稳斜段为 水平 段的 压力 控制 微分方程，即: d p_ 一 竺 二 - d s ( 2 . 2 - 1 2 ) 4 ( r , 一 r 2 ) 2 .稳斜段环空压力控制方程咖g c o s a _ a .v 2 1 十 ! 4 ( r 。