一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置，涉及气体钻井技术。根据现场气体循环钻井井口设备确定气体循环钻井的最小井口回压；根据实际气体密度公式和质量流量相等关系，得到井下任一点处的气体流速公式；根据不可压缩流体动量守恒的运动方程，得到斜井眼的井筒环空压力公式；根据偏心时钻柱与井眼的几何关系，得到钻柱偏心时，偏心环空窄间隙处的气体平均流速；根据定向井的井眼轨迹，建立岩屑在气体推动下的力学模型；最终求解钻至不同井深处需要的最小注气量。

A Method and Device for Determining Minimum Gas Injection Rate in Directional Well Gas Circulation Drilling

The invention provides a method and a device for determining the minimum gas injection rate in directional well gas circulation drilling, which relates to gas drilling technology. The minimum wellhead back pressure of gas circulation drilling is determined according to field gas circulation drilling wellhead equipment; the gas flow velocity formula at any point in the well is obtained according to the relationship between actual gas density formula and mass flow rate; the annular pressure formula of inclined wellbore is obtained according to the motion equation of momentum conservation of incompressible fluid; and the geometric relationship between drill string and wellbore is obtained when eccentricity occurs. When the drill string is eccentric, the average gas velocity in the narrow gap of eccentric annulus is calculated. According to the well trajectory of directional wells, the mechanical model of cuttings driven by gas is established. Finally, the minimum gas injection required to drill to different depths of wells is solved.

【技术实现步骤摘要】
一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置
本专利技术涉及气体钻井技术，尤其涉及一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置。
技术介绍
气体循环钻井是一种新型环保的气体钻井技术，同常规气体钻井工艺相比，气体循环钻井能够将井下返出的气体进行精细过滤净化，再次注入井内循环，极大的降低了气体钻井成本，同时对生态环境也具有一定的保护作用。而在使用气体循环钻井技术进行定向井作业时，由于井口循环设备的存在以及井眼轨迹的复杂特点，井口压力的控制尤为重要，其是保障地面设备的稳定工作，监测井下状况的重要措施。根据实际井口压力确定气体循环钻井最小井口注气量能有效清除井下岩屑，保证钻井作业的效率及安全性。因此，研究定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法具有重要的现场意义。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置，以能够准确确定定向井气体循环钻井最小注气量。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法，包括：根据现场气体循环钻井井口设备确定气体循环钻井的最小井口回压；根据实际气体密度公式和质量流量相等关系，得到井下任一点处的气体流速公式；根据不可压缩流体动量守恒的运动方程，得到斜井眼的井筒环空压力公式；根据偏心时钻柱与井眼的几何关系，得到钻柱偏心时，偏心环空窄间隙处的气体平均流速；根据定向井的井眼轨迹，建立岩屑在气体推动下的力学模型；将井深以预设的固定段长为单位划分成若干单元，并根据所述最小井口回压、实际气体密度公式、气体流速公式、井筒环空压力公式、偏心环空窄间隙处的气体平均流速和所述力学模型进行计算，求解钻至不同井深处需要的最小注气量。具体的，所述根据现场气体循环钻井井口设备确定气体循环钻井的最小井口回压，包括：根据管线压降PL和现场气体循环钻井井口设备压降Pe确定气体循环钻井的最小井口回压Phead；其中，Phead＝PL+Pe。具体的，所述根据实际气体密度公式和质量流量相等关系，得到井下任一点处的气体流速公式，包括：根据实际气体状态方程和在井深H处的气体压缩因子Zg，得到气体在气体压力P和气体温度T下的实际气体密度公式：其中，ρg表示井深H处的气体密度；M表示气体摩尔质量；R表示气体常量；T＝Ts+GD，Ts为地表温度，G为当地地温梯度，D为井深H对应的垂直深度。根据实际气体密度公式和质量流量相等关系Qgoρgo＝Qgρg，得到井下任一点处的气体平均轴向流速公式：在钻柱旋转速度影响下，环空气体平均流速公式为：其中，Qgo表示大气条件下的气体体积流量；Qg表示井深H处的气体体积流量；ω表示钻柱转速；ρgo表示大气条件下的气体密度；v表示井下任一点处的环空气体平均流速；A表示井筒环空截面积，其中，Dh为井眼内径；Dp为钻柱外径。具体的，所述根据不可压缩流体动量守恒的运动方程，得到斜井眼的井筒环空压力公式，包括：根据不可压缩流体动量守恒的运动方程以及气体的粘性，推导得到斜井眼的井筒环空压力公式：其中，H为井深度；P为井深H处环空压力；θ为井斜角度；υ为气体的运动粘度；g为重力加速度。具体的，所述根据偏心时钻柱与井眼的几何关系，得到钻柱偏心时，偏心环空窄间隙处的气体平均流速，包括：在钻柱偏心度的影响下，当钻柱发生偏心时，任意环空间隙处的气体平均轴向流速为：当考虑钻柱旋转时，得到偏心环空窄间隙处的气体平均流速为：其中，e为偏心距，即钻柱与井眼的轴心距离；α为极角。具体的，所述根据定向井的井眼轨迹，建立岩屑在气体推动下的力学模型，包括：将岩屑作为规则球体，确定岩屑在气体推动下的受力情况包括：重力G：ds为岩屑直径；ρs为岩屑密度；流体压差力FΔP：井壁摩擦力Ff：Ff＝fsGsinθ，fs为井壁摩擦系数；气体推力FD：在钻柱未发生偏心时，在钻柱发生偏心时，CD为推力系数；设置岩屑发生滑动的岩屑临界滑动条件：岩屑所受合力Fc满足：Fc＝FΔp+FD-Ff-Gcosθ≥0当岩屑处于直井段时，Ff为0；当岩屑处于水平段时，Gcosθ为0。具体的，所述将井深以预设的固定段长为单位划分成若干单元，并根据所述最小井口回压、实际气体密度公式、气体流速公式、井筒环空压力公式、偏心环空窄间隙处的气体平均流速和所述力学模型进行计算，求解钻至不同井深处需要的最小注气量，包括：步骤1、将井深以预设的固定段长ΔH为单位划分成若干单元；步骤2、由井口出口处的第一段ΔH开始计算，设定初始注气量为大气条件下的气体体积流量Qgo＝0，最小计算增量为ΔQgo,将气体循环钻井的最小井口回压Phead作为初始计算压力P1；步骤3、根据公式T＝Ts+GD确定气体温度T，并根据气体温度T及气体当前计算压力P，由气体压缩因子图版确定气体压缩因子Zg，将Qgo、当前计算压力P、T、Zg和ω代入所述环空气体平均流速公式，计算对应井深处的气体平均流速v；步骤4、将P、T、Zg代入实际气体密度公式，计算对应井深处的气体密度ρg；步骤5、根据定向井或水平井井眼轨迹确定对应井深处的井斜角度θ，将对应井深处的气体平均轴向流速v′、气体的运动粘度υ、气体密度ρg和井斜角度θ代入斜井眼的井筒环空压力公式，得到对应井深处的压力增量步骤6、根据所述压力增量，计算得到对应井深处下一个点的气体压力，作为对应井深处下一个点的计算压力；其中，Pn+1为对应井深处下一个点的气体压力；Pn为对应井深处的气体压力；步骤7、重复执行步骤3至步骤6，直至根据各段ΔH从井口出口处到已钻点对应井深处的气体压力计算完成；步骤8、根据岩屑在气体推动下的受力情况，计算从井口出口处到已钻点的全井段中各段ΔH对应井深处的岩屑所受合力，取全井段岩屑所受合力的最小值为Fc；若Fc<0，则增大注气量，即更新后的注气量Qgo’＝Qgo+ΔQgo，将Qgo’作为Qgo重新计算全井段岩屑所受合力的最小值Fc；直至Fc>0，计算结束，取当前注气量为最小注气量。一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定装置，包括：最小井口回压确定单元，用于根据现场气体循环钻井井口设备确定气体循环钻井的最小井口回压；气体流速公式获得单元，用于根据实际气体密度公式和质量流量相等关系，得到井下任一点处的气体流速公式；井筒环空压力公式获得单元，用于根据不可压缩流体动量守恒的运动方程，得到斜井眼的井筒环空压力公式；偏心井段环空气体流速获得单元，用于根据偏心时钻柱与井眼的几何关系，得到钻柱偏心时，偏心环空窄间隙处的气体平均流速；力学模型建立单元，用于根据定向井的井眼轨迹，建立岩屑在气体推动下的力学模型；最小注气量确定单元，用于将井深以预设的固定段长为单位划分成若干单元，并根据所述最小井口回压、实际气体密度公式、气体流速公式、井筒环空压力公式、偏心环空窄间隙处的气体平均流速和所述力学模型进行计算，求解钻至不同井深处需要的最小注气量。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以下步骤：根据现场气体循环钻井井口设备确定气体循环钻井的最小井口回压；根据实际气体密度公式和质量流量相等关系，得到井下任一点处的气体流速公式；根据不可压缩流体动量守恒的运动方程，得到斜井眼的井筒环空压力公式；根据偏心时钻柱与井眼的几何关系，得到钻柱偏心时，偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法，其特征在于，包括：根据现场气体循环钻井井口设备确定气体循环钻井的最小井口回压；根据实际气体密度公式和质量流量相等关系，得到井下任一点处的气体流速公式；根据不可压缩流体动量守恒的运动方程，得到斜井眼的井筒环空压力公式；根据偏心时钻柱与井眼的几何关系，得到钻柱偏心时，偏心环空窄间隙处的气体平均流速；根据定向井的井眼轨迹，建立岩屑在气体推动下的力学模型；将井深以预设的固定段长为单位划分成若干单元，并根据所述最小井口回压、实际气体密度公式、气体流速公式、井筒环空压力公式、偏心环空窄间隙处的气体平均流速和所述力学模型进行计算，求解钻至不同井深处需要的最小注气量。

【技术特征摘要】
1.一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法，其特征在于，包括：根据现场气体循环钻井井口设备确定气体循环钻井的最小井口回压；根据实际气体密度公式和质量流量相等关系，得到井下任一点处的气体流速公式；根据不可压缩流体动量守恒的运动方程，得到斜井眼的井筒环空压力公式；根据偏心时钻柱与井眼的几何关系，得到钻柱偏心时，偏心环空窄间隙处的气体平均流速；根据定向井的井眼轨迹，建立岩屑在气体推动下的力学模型；将井深以预设的固定段长为单位划分成若干单元，并根据所述最小井口回压、实际气体密度公式、气体流速公式、井筒环空压力公式、偏心环空窄间隙处的气体平均流速和所述力学模型进行计算，求解钻至不同井深处需要的最小注气量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据现场气体循环钻井井口设备确定气体循环钻井的最小井口回压，包括：根据管线压降PL和现场气体循环钻井井口设备压降Pe确定气体循环钻井的最小井口回压Phead；其中，Phead＝PL+Pe。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据实际气体密度公式和质量流量相等关系，得到井下任一点处的气体流速公式，包括：根据实际气体状态方程和在井深H处的气体压缩因子Zg，得到气体在气体压力P和气体温度T下的实际气体密度公式：其中，ρg表示井深H处的气体密度；M表示气体摩尔质量；R表示气体常量；T＝Ts+GD，Ts为地表温度，G为当地地温梯度，D为井深H对应的垂直深度；根据实际气体密度公式和质量流量相等关系Qgoρgo＝Qgρg，得到井下任一点处的气体平均轴向流速公式：在钻柱旋转速度影响下，环空气体平均流速公式为：其中，Qgo表示大气条件下的气体体积流量；Qg表示井深H处的气体体积流量；ω表示钻柱转速；ρgo表示大气条件下的气体密度；v表示井下任一点处的环空气体平均流速；A表示井筒环空截面积，其中，Dh为井眼内径；Dp为钻柱外径。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据不可压缩流体动量守恒的运动方程，得到斜井眼的井筒环空压力公式，包括：根据不可压缩流体动量守恒的运动方程以及气体的粘性，推导得到斜井眼的井筒环空压力公式：其中，H为井深度；P为井深H处环空压力；θ为井斜角度；υ为气体的运动粘度；g为重力加速度。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据偏心时钻柱与井眼的几何关系，得到钻柱偏心时，偏心环空窄间隙处的气体平均流速，包括：在钻柱偏心度的影响下，当钻柱发生偏心时，任意环空间隙处的气体平均轴向流速为：当考虑钻柱旋转时，得到偏心环空窄间隙处的气体平均流速为：其中，e为偏心距，即钻柱与井眼的轴心距离；α为极角。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据定向井的井眼轨迹，建立岩屑在气体推动下的力学模型，包括：将岩屑作为规则球体，确定岩屑在气体推动下的受力情况包括：重力G：ds为岩屑直径；ρs为岩屑密度；流体压差力井壁摩擦力Ff：Ff＝fsGsinθ，fs为井壁摩擦系数；气体推力FD：在钻柱未发生偏心时，在钻柱发生偏心时，CD为推力系数；设置岩屑发生滑动的岩屑临界滑动条件：岩屑所受合力Fc满足：Fc＝FΔp+FD-Ff-Gcosθ≥0当岩屑处于直井段时，Ff为0；当岩屑处于水平段时，Gcosθ为0。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将井深以预设的固定段长为单位划分成若干单元，并根据所述最小井口回压、实际气体密度公式、气体流速公式、井筒环空压力公式、偏心环空窄间隙处的气体平均流速和所述力学模型进行计算，求解钻至不同井深处需要的最小注气量，包括：步骤1、将井深以预设的固定段长ΔH为单位划分成若干单元；步骤2、由井口出口处的第一段ΔH开始计算，设定初始注气量为大气条件下的气体体积流量Qgo＝0，最小计算增量为ΔQgo,将气体循环钻井的最小井口回压Phead作为初始计算压力P1；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，柳贡慧，韩烈祥，王昊，张辉，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11