地面氮气抽吸作业气体流动规律研究.pdf
《地面氮气抽吸作业气体流动规律研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《地面氮气抽吸作业气体流动规律研究.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 基金项目:中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“水平井优质高效钻完井技术研究”课题“气体钻水平井/侧钻水平井技术研究”(编号:2021DJ4205)。作者简介:许期聪(1969-),正高级工程师,中国石油川庆钻探工程有限公司钻采院工程技术研究院院长,主要从事油气井钻井工程技术研究和管理。地址:(618300)四川省广汉川庆钻采工程研究院,E-mile:xqc690118 钻井工艺地面氮气抽吸作业气体流动规律研究许期聪1,2,3,李中权1,姚 舜41 中国石油川庆
2、钻探工程有限公司钻采工程技术研究院2 国家能源高含硫气藏开采研发中心 3 中国石油欠平衡与气体钻井试验基地4 中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司摘 要:储层氮气钻完井是致密砂岩等低渗气藏储量有效动用和产能释放的革命性技术之一。储层氮气钻完井作业期间,起下钻及下完井管串过程中,井口处于敞开状态,此时采用地面氮气抽吸技术,有控制地“引导”地层产出的天然气流向排砂管线出口进行处理。为此,文章基于数值仿真方法,系统研究了敞井条件下地面氮气抽吸作业时的气体流动规律,考虑天然气的扩散现象,建立了气体流动模型,并定量分析了影响氮气抽吸效果的主要因素。研究表明,氮气抽吸效果主要受注入方式、氮气抽吸气量、
3、抽吸装置安装位置、排砂管线长度和天然气产量的影响。同心注气方式相较于斜插注气方式具有更好的抽吸效果;低抽吸气量下,氮气注入量越大,抽吸率越高,随着抽吸气量持续增加,抽吸率达到峰值后有所下降;抽吸装置距离排砂管线出口越近、排砂管线越短、地层产气量越低,抽吸效果越好,实现完全抽吸所需的临界抽吸气量越低。文章研究成果为优化氮气抽吸工艺设计、保障储层氮气钻完井敞井条件下的安全作业提供了理论支撑,并在四川大塔场气田进行了现场应用,实现了储层氮气钻完井作业敞井条件下地层产出天然气 100%的抽吸,确保了作业安全。关键词:氮气钻完井;起下钻;完井管串;氮气抽吸技术;抽吸装置;抽吸注气量DOI:10.3969
4、/J.ISSN.1006-768X.2023.03.01引用格式:许期聪,李中权,姚舜.地面氮气抽吸作业气体流动规律研究J.钻采工艺,2023,46(3):1-8XU Qicong,LI Zhongquan,YAO Shun.Study on the Gas Flow Law of Ground Nitrogen Extraction OperationJ.Drilling and Production Technology,2023,46(3):1-8Study on the Gas Flow Law of Ground Nitrogen Extraction OperationXU Qic
5、ong1,2,3,LI Zhongquan1,YAO Shun41.Drilling and Production Engineering Technology Research Institute,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Guanghan,Sichuan 618300,China;2.National Energy Research and Development Center for High Sour Gas Reservoir Exploita-tion,Chengdu,Sichuan 610051,China;3.Ch
6、ina Petroleum Underbalance and Gas Drilling Test Base,Guanghan,Sichuan 618300,China;4.Downhole Operation Company,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610051,ChinaAbstract:Nitrogen drilling and completion of reservoirs is one of the revolutionary technologies for effectively u
7、tilizing reserves and releasing production capacity in low-permeability gas reservoirs such as tight sandstones.During the nitrogen drilling and completion operation of the reservoir,the wellhead is in an open state during the tripping and completion of the well string.At this time,it is necessary t
8、o use the wellhead nitrogen suction tech-nology to control the flow of natural gas produced by the formation to the outlet of the sand discharge pipeline for treatment.Therefore,based on numerical simulation methods,the article systematically studied the gas flow law during nitrogen suction operatio
9、n under open well conditions,considered the diffusion phenomenon of natural 1 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023gas,established a gas flow model,and quantitatively analyzed the main factors affecting the nitrogen suction effect.Research has shown that the effectiveness of nitrog
10、en suction is mainly influenced by injection method,ni-trogen suction volume,installation position of suction device,length of sand discharge pipeline,and natural gas production.The concentric injection method has better suction effect compared to the oblique insertion injection method;under low suc
11、tion volume,the larger the nitrogen injection volume,the higher the suction rate.As the suction volume continues to increase,the suction rate reaches its peak and then decreases;the closer the suction device is to the outlet of the sand discharge pipeline,the shorter the sand discharge pipeline,and
12、the lower the gas production of the formation,the better the suction effect,and the lower the critical suction volume required to achieve complete suction.The research results provide theoretical support for optimizing the design of nitrogen suction process and ensuring safe operation under open wel
13、l conditions for nitrogen drilling and completion in res-ervoirs.They have been applied on-site in Sichuan Datachang Gas Field,achieving 100%suction of natural gas produced in the formation under open well conditions for nitrogen drilling and completion in reservoirs,ensuring operational safety.Key
14、words:nitrogen drilling and completion;tripping;completion of the well string;nitrogen extraction tech-nology;suction device;suction and injection volume0 引言氮气钻井技术对储层的保护作用,使之成为我国储量巨大的致密砂岩等低渗储层实现储量有效动用和产能释放的革命性技术之一1-3,已在四川大塔场气田、川西须家河组气藏、塔里木迪北区块等致密砂岩气藏规模化应用4-6。储层氮气钻井中,若钻遇中低产量储层,一般采用不压井起下钻和下完井管串作业;若钻遇高
15、产储层,则直接钻杆完井投产7。在中低产量条件下,起下钻和下完井管串时,由于管串中的扶正器与旋转防喷器胶芯尺寸不一致及完井管串的筛管无法密封等原因,需要预先卸掉旋转防喷器的胶芯,井口处于敞井状态,此时采用地面氮气抽吸技术,有控制地引导地层产出的天然气流向排砂管线进行处理。邓柯等8-9详细介绍了氮气抽吸作业的技术原理及实施方法;范黎明等10介绍了一种轴向斜喷抽吸助排的装置;董玉辉、贾丽等11-12基于恒定气流伯努利方程建立了氮气抽吸量计算模型,但模型过于简单,并没有考虑气体瞬态流动特性和天然气分子扩散及对流现象等的影响,计算精度不高。因此,亟需开展氮气抽吸作业时气体流动规律研究,探究影响抽吸效率的
16、主要因素,为优化氮气抽吸工艺设计、保障氮气钻井敞井条件下安全作业提供理论支撑。本文基于数值仿真方法,开展了敞井条件下井口氮气抽吸作业时气体的瞬态流动规律,建立了考虑天然气扩散现象的抽吸作业气体瞬态流动计算模型,系统分析了地层天然气产量、抽吸氮气注入量、注入方式、抽吸装置安装位置对氮气抽吸效果的影响,并开展现场试验。1 地面氮气抽吸技术原理氮气抽吸作业的技术原理是在地面排砂管线上安装抽吸装置,当井口处于敞开状态时,地层产出的天然气沿着井筒从井底向井口方向运移,安装在排砂管线内的抽吸装置向排砂管线内注入氮气,注入的高速氮气气流沿排砂管线流向出口,并在旋转防喷器壳体至抽吸装置之间形成负压,当天然气沿
17、井筒运移到旋转防喷器壳体处,受负压作用,井筒内的天然气被吸入排砂管线内,与排砂管线内的高速氮气气流一起沿着排砂管线排至出口,然后进行燃烧等无害化处理,避免敞井状态下地层产出的天然气向钻台面和井场逸散,威胁施工安全。图 1 为氮气钻完井井口抽吸工艺原理图。其中,图 1(a)中抽吸装置为同心式,图 1(b)中抽吸装置为斜插式。氮气钻完井过程中地面氮气抽吸作业时可能存在地层天然气向敞井井口逸散和敞井井口附近的大气抽吸进入井口并流向排砂口的情况,其抽吸效率可通过抽吸率进行评价,具体定义如下:=1-Q出2Q入2()100%(1)式中:抽吸率,%;Q出2井口逸出的气体质量流量,kg/s;Q入2地层天然气产
18、量,kg/s。Q出0 时,小于 100%,表示井筒内的天然气没有完全被抽吸,部分通过井口逸散出井口;Q出0 时,大于等于 100%,表示没有天然气逸出井口,甚至井内的空气也全部被抽吸进入排砂管线并通过排砂管线出口排出。2第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 图 1 氮气钻完井出口抽吸原理图2 数值仿真模型2.1 网格模型及边界条件 本文利用 ANSYS Fluent 软件,对储层氮气钻完井地面氮气抽吸作业条件下排砂管线及井筒内气体流动规律,进行数值仿真分析。考虑不同地层天然气产量、氮气注入方式、排砂管线长度、抽
19、吸装置安装位置等因素,基于 ICEM CFD 软件,建立了系列数值计算网格模型。其中,图 2 为同心注入方式的三维网格计算模型,主要参数见表 1,采用结构化网格构建数值计算网格,并在井口及抽吸装置安装位置进行局部加密网格,以提升计算精度。根据抽吸作业的实际情况设置边界条件:抽吸装置入口 1 和井筒入口 2 为质量流量边界,排砂管线出口 1 和井筒出口 2 为定压边界,其余部分为壁面边界。图 2 数值仿真计算网格2.2 数学模型假设氮气抽吸作业时,井筒及排砂管线内气体流动为可压缩气体等熵流动,流动控制方程可表示为:连续性方程:t+div(V)=0(2)运动方程:(V)t+div(VV)=divp
20、+b(3)动量守恒方程:p=n-1i=0i,divV,D2,J3(D),Jn(D)Di(4)氮气抽吸作业时,整个流体域内存在天然气和氮气两种气体,存在天然气在氮气中的扩散问题,根据质量守恒原理,可得到天然气在井筒运动的扩散方程13:CAt+NA,xx+NA,yy+NA,zz-RA=0(5)式中:流体密度,kg/m3;t时间,s;div散度,表征空间各点矢量场发散的强弱程度,无因次;V流体速度,m/s;克罗内克积,两个任意大小的矩阵的张量积,无因次;p流体压力,Pa;b流体所受外力当量密度,kg/m3;i(i=0,1,2,3,)内变量,无因次;D加速度,m/s2;J涡流量,m3/s;CA天然气的
21、浓度,mol/L;NA,x、NA,y、NA,z天然气组分进入氮气微元体的速率,mol/s;RA因化学反应生成组分 A 的速率,该项为 0。为使得方程封闭,需引入湍流模型。本文选择SST k-湍流模型,其结合了近壁面边界层区域模型与高雷诺数区域模型的优势,同时能保证求解稳定性。SST k-湍流模型中 k、的输运方程如下14:ddt(k)=Gk+Wk-Yk=0(6)ddt()=G+W-Y=0(7)式中:k、两方程模型的湍流标量湍动能,J;Gk、G、Wk、W、Yk、Yk、的生成项、扩散项、耗散项。天然气的压缩因子采用高压下相对误差较小的Hall-Yarborough 模型进行计算15-16,其表达式
22、如下:Z=0.061 25prNTrexp-1.2 1-1Tr()2(8)3 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023式中:pr、Tr对比压力和对比温度,无因次;N对比密度,无因次。表 1 数值模拟参数表参数数值排砂管线直径/mm244.5排砂管线长度/m75,90,105抽吸装置距井口距离/m20,35,50抽吸装置注气管斜插角度/()同心,15,30 地层天然气产量/(104 m3d-1)1,5,10氮气抽吸气量/(m3min-1)0120井筒出口压力大气压排砂管线出口压力大气压2.3 网格无关性验证开展氮气抽吸数值仿真
23、之前需进行网格无关性验证,以确保数值计算的精度,并确定合适的网格数量以提高计算效率。以同心注气方式为例,模拟地层产气量 5104 m3/d,氮气抽吸气量 60 m3/min 进行说明。共计构建了 9 个不同的网格,网格数量为 13 9411 468 711,模拟抽吸时间均为 5 min,以井筒出口的气相质量流量为验证标准,数值计算结果见表 2。表 2 数值模拟参数表序号网格数量井筒出口质量流量/(kgs-1)113 9410.087 3226 4340.102 4357 8320.401 64210 2760.376 55338 4770.327 76487 5200.328 97616 45
24、20.330 78876 9870.322 091 468 7110.329 4 可以看出,当网格数量低于 338 477 时,井筒出口质量流量介于 0.087 3 和 0.376 5,呈现出剧烈的波动;当网格数量从 338 477 增长到 1 468 711 时,井筒出口质量流量维持在 0.327 7 上下,基本保持稳定,其相对误差低于 1.74%。数值仿真计算表明,当网格数量超过 338 477 时,模拟计算结果不再随网格数量的变化而变化,因此,选择网格数量 338 477 的网格模型进行数值仿真。3 氮气抽吸作业流场特性以同心注气方式、地层天然气产量 5104 m3/d、氮气抽吸注气量
25、120 m3/min、抽吸装置距离井口 20 m、排砂管线长度 75 m 的参数进行仿真验证,仿真计算出的流体域压力云图和速度矢量图分别如图 3 和图 4 所示。从图 3 中可以看出,地层天然气产量为5104 m3/d、氮气注气量为 120 m3/min 时,高速气流会在旋转防喷器壳体至抽吸装置之间形成负压,最大负压值约 5.83104 Pa,位于排砂管线内靠近井筒位置,而井口处于敞开状态,其相对压力为 0,井筒内是相对高压区,在压差的作用下井筒内天然气全部进入排砂管线内,并从排砂管线末端出口排出。同样,井口附近的部分少量空气也在负压差的“驱使”下被吸入排砂管线,如图 4 所示。向排砂管线内注
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 地面 氮气 抽吸 作业 气体 流动 规律 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。