[发明专利]一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置

摘要

本发明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。

主权项

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；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：d_s为岩屑直径；ρ_s为岩屑密度；流体压差力F_ΔP：井壁摩擦力F_f：F_f＝f_sGsinθ，f_s为井壁摩擦系数；气体推力F_D：在钻柱未发生偏心时，在钻柱发生偏心时，C_D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F_c满足：F_c＝F_Δp+F_D‑F_f‑Gcosθ≥0当岩屑处于直井段时，F_f为0；当岩屑处于水平段时，Gcosθ为0；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Q_go＝0，最小计算增量为ΔQ_go,将气体循环钻井的最小井口回压P_head作为初始计算压力P₁；步骤3、根据公式T＝T_s+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Z_g，将Q_go、当前计算压力P、T、Z_g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、Z_g代入实际气体密度公式，计算对应井深处的气体密度ρ_g；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ρ_g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，P_n+1为对应井深处下一个点的气体压力；P_n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F_c；若F_c＜0，则增大注气量，即更新后的注气量Q_go’＝Q_go+ΔQ_go，将Q_go’作为Q_go重新计算全井段岩屑所受合力的最小值F_c；直至F_c＞0，计算结束，取当前注气量为最小注气量。