CN106930749A - 基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，包括：（1）获取海域天然气水合物层钻井参数和地层参数；（2）钻井至一定深度后停泵，采用气举的方法降低井底压力，当井底压力低于地层压力时停止气举；（3）在井底负压差的作用下，储层孔隙中的气相渗流到井筒环空中，同时天然气水合物发生分解所产生的气相也进入到井筒环空中，气体沿井筒环空上升至井口；（4）通过井口装置实时监测井口返出气量，得到进入井筒中的总气量；（5）计算海域天然气水合物层等效渗透率。本发明能够实现海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算，在现场施工条件下便捷有效，无需室内分析，为海域天然气水合物层钻井随钻储层评价提供理论依据。

Description

基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法

技术领域

本发明属于海域天然气水合物层钻井技术领域，具体地，涉及海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，特别是基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法。

背景技术

天然气水合物是一种新型的清洁能源，能够稳定存在于高压、低温的环境中，发生分解会生成天然气和水。近年来，海域天然气水合物由于其巨大的资源量不断引人关注，其主要以层的形式存在于海底浅表层。在海域天然气水合物层钻井过程中，实现海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算，能够为海域天然气水合物层钻井随钻储层评价提供理论依据，同时，为后续开采方案分析和钻采施工设计提供依据。

基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，即为通过降压的方法，使储层孔隙中的气相和由于降压作用发生分解所产生的气相进入井筒环空，通过实时监测井口返出气量，根据相关方法进行分析来获取海域天然气水合物层等效渗透率的一种方法。

目前，国内外针对海域天然气水合物的研究主要集中在室内评价上，针对现场施工过程中的随钻分析较少。专利CN105223315A公开了一种天然气水合物储层-结构物相互作用的计算预测方法，通过天然气水合物参数标定、可视化前后处理以及求解等模块的分析，计算天然气水合物分解后储层应力、应变的变化程度，此种评价方法属于通过室内的软件模块化计算来对水合物储层的一种研究方法。专利CN201661295U公开了一种天然气水合物储层物性测量装置，通过反应釜生成天然气水合物，并测定其储层物性参数，此方法需通过室内实验完成，且反应生成的天然气水合物与海域储层中的性质具有差异。因此，基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，是能够从海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算的角度，为海域天然气水合物层钻井随钻储层评价提供一种切实可行的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，该方法原理可靠，便于操作，能够为海域天然气水合物层钻井随钻储层评价提供一种切实可行的方法，具有广阔的市场前景。

为了达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

钻井至海域天然气水合物层后，首先，采用气举的方法降低井筒静液柱高度，进而降低井底压力，使井底形成负压差。然后，储层孔隙中的气相在压差作用下渗流到井筒环空中，同时由于降压作用天然气水合物发生分解所产生的气相进入到井筒环空中，气体沿环空井筒上升至井口。然后，实时监测井口返出气量。最后，根据大平面径向渗流数学理论模型，计算海域天然气水合物层等效渗透率。

基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，依次包括以下步骤：

(1)获取海域天然气水合物层钻井参数和地层参数，钻井参数包括：井深h_a、钻井液密度ρ_l、氮气密度ρ_gn、井筒半径r_w，地层参数包括：地层压力p_e、钻开储层厚度h_x、地层温度T、天然气水合物储层流体粘度μ。

(2)钻井至海域天然气水合物层一定深度后停泵，向井筒中注入氮气，采用气举的方法携带出井筒中的部分钻井液，使井筒中钻井液减少以降低井底压力，当井底压力低于地层压力时停止气举，此时井底形成负压差，即：

p_e＞p_w (1)

式中：p_e为地层压力，MPa；

p_w为井底压力，MPa。

(3)在井底负压差的作用下，储层孔隙中的气相渗流到井筒环空中，同时由于降压作用天然气水合物发生分解所产生的气相也进入到井筒环空中，气体沿井筒环空上升至井口。此过程中，从天然气水合物层等效渗透率计算的角度，根据大平面径向渗流数学理论模型，进入到井筒中的总气量为(黄炳光，刘蜀知，唐海等.气藏工程与动态分析方法[M].北京：石油工业出版社，2004)：

式中：Q_g为进入井筒中的总气量，m³/d；

k为天然气水合物层等效渗透率，10^-3um²；

h_x为钻开储层厚度，m；

p_e为地层压力，MPa；

p_w为井底压力，MPa；

T为地层温度，K；

μ为天然气水合物储层流体粘度，mPa·s；

Z为天然气压缩因子，无因次；

r_e、r_w分别为边界半径、井筒半径，m。

(4)气体沿井筒环空上升至井口后，通过井口装置实时监测井口返出气量，即得到进入井筒中的总气量Q_g。

(5)以大平面径向渗流数学理论模型为基础，根据公式(2)及监测得到进入井筒中的总气量Q_g，计算海域天然气水合物层等效渗透率：

将天然气水合物储层看成是由许多很小的储层单元构成，将每个储层单元等效渗透率依次记为k₁，k₂，…，k_i，…，k_n。根据公式(2)，考虑仅第1个天然气水合物层单元被钻开厚度h_x1，可得第1个天然气水合物层单元的等效渗透率为：

同理，可得第i个天然气水合物层单元的等效渗透率为：

式中：Q_g1、Q_gi分别为钻至第1、第i个天然气水合物层单元进入井筒中的总气量，m³/d；

k₁、k_i分别为第1、第i个天然气水合物层单元等效渗透率，10^-3um²；

h_x1、h_xi分别为钻开第1、第i个天然气水合物层单元储层的厚度，m；

p_e1、p_ei分别为第1、第i个天然气水合物层单元地层压力，MPa；

p_w1、p_wi分别为钻至第1、第i个天然气水合物层单元时井底压力，MPa；

T₁、T_i分别为第1、第i个天然气水合物层单元的地层温度，K；

μ₁、μ_i分别为第1、第i个天然气水合物层单元中的流体粘度，mPa·s；

Z₁、Z_i分别为第1、第i个天然气水合物层单元中的天然气压缩因子，无因次；

r_e1、r_ei分别为钻至第1、第i个天然气水合物层单元时的边界半径，m。

r_w1、r_wi分别为钻至第1、第i个天然气水合物层单元时的井筒半径，m。

所述步骤(2)中，钻井至海域天然气水合物层一定深度后停泵，采用气举的方法降压，使井底形成负压差，此时井底压力p_w的计算方法如下：

式中：ρ_l、ρ_gn分别为环空中钻井液、氮气密度，kg/m³；

h_a、h_l分别为井深、气举后环空中液柱高度，m；

g为重力加速度，m/s²。

本发明具有以下显著优点：

(1)本发明能够实现海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算，在现场施工条件下便捷有效，无需室内分析，能够为后续方案设计及时提供可靠数据。

(2)本发明是基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，是针对不同的储层实现的现场计算，更能准确反应对应储层的等效渗透率。

(3)本发明能够实现海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算，为海域天然气水合物层钻井随钻储层评价提供理论依据，同时，为后续开采方案分析和钻采施工设计提供依据。

附图说明

图1是基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算物理模型图。

图2是降压后天然气水合物储层流体进入井筒示意图。

具体实施方式

下面结合附图和现场实例对本发明作进一步详细地说明，但本发明并不局限于以下实施例。

基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，依次包括以下步骤：

(1)获取海域天然气水合物层钻井参数和地层参数。井深h_a为1200m，钻井液密度ρ_l为1030kg/m³，氮气密度ρ_gn为1.36kg/m³，井筒半径r_w为0.445m，地层压力p_e为12.113MPa，钻开储层厚度h_x为20m，地层温度T为285K，天然气水合物储层流体粘度μ为1.561×10^-5mPa·s。

(2)钻井至海域天然气水合物层一定深度后停泵，向井筒中注入氮气，采用气举的方法携带出井筒中的部分钻井液，使井筒中钻井液减少，气举后环空中液柱高度h_l为1190m，井底压力p_w通过公式(5)计算为12.012MPa。此时，存在p_e＝12.113MPa>p_w＝12.012MPa，因此井底形成负压差。

(3)如图1所示基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算物理模型图，在井底负压差的作用下，储层孔隙中的气相渗流到井筒环空中，同时由于降压作用天然气水合物发生分解所产生的气相进入到井筒环空中，气体沿井筒环空上升至井口。

(4)气体沿井筒环空上升至井口后，通过井口装置实时监测井口返出气量，得到进入井筒中的总气量Q_g为2×10⁴m³/d。

(5)以大平面径向渗流数学理论模型为基础，根据公式(2)及监测得到进入井筒中的总气量Q_g，实现海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算。

如图2所示降压后天然气水合物储层流体进入井筒示意图，将天然气水合物储层看成是由许多很小的储层单元构成，将每个储层单元等效渗透率依次记为k₁，k₂，…，k_i，…，k_n。根据公式(4)，本实施例中，计算第2个天然气水合物储层单元的等效渗透率为：k₂＝7.336×10^-6um²。

通过此方法即可获得任一天然气水合物储层单元的等效渗透率，为海域天然气水合物层钻井随钻储层评价提供理论依据，同时，为后续开采方案分析和钻采施工设计提供依据。

Claims (2)

1.基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，依次包括以下步骤：

(1)获取海域天然气水合物层钻井参数和地层参数，钻井参数包括：井深h_a、钻井液密度ρ_l、氮气密度ρ_gn、井筒半径r_w，地层参数包括：地层压力p_e、钻开储层厚度h_x、地层温度T、天然气水合物储层流体粘度μ；

(2)钻井至海域天然气水合物层一定深度后停泵，向井筒中注入氮气，采用气举的方法携带出井筒中的部分钻井液，使井筒中钻井液减少以降低井底压力，当井底压力低于地层压力时停止气举，此时井底形成负压差：

p_e＞p_w

式中：p_e为地层压力，MPa，

p_w为井底压力，MPa；

(3)在井底负压差的作用下，储层孔隙中的气相渗流到井筒环空中，同时由于降压作用天然气水合物发生分解所产生的气相也进入到井筒环空中，气体沿井筒环空上升至井口，此过程中，进入到井筒中的总气量为：

$Q_g=\frac{774.6k\·h_x\·(p_e^2-p_w^2)}{T\·\mathrm{\μ}\·Z\·ln\frac{r_e}{r_w}}$

式中：Q_g为进入井筒中的总气量，m³/d，

k为天然气水合物层等效渗透率，10^-3um²，

h_x为钻开储层厚度，m，

p_e为地层压力，MPa，

p_w为井底压力，MPa，

T为地层温度，K，

μ为天然气水合物储层流体粘度，mPa·s，

Z为天然气压缩因子，无因次，

r_e、r_w分别为边界半径、井筒半径，m；

(4)气体沿井筒环空上升至井口后，通过井口装置实时监测井口返出气量，得到进入井筒中的总气量Q_g；

(5)根据步骤(3)公式及监测得到进入井筒中的总气量Q_g，计算海域天然气水合物层等效渗透率：

将天然气水合物储层看成是由许多很小的储层单元构成，将每个储层单元等效渗透率依次记为k₁，k₂，…，k_i，…，k_n，考虑仅第1个天然气水合物层单元被钻开厚度h_x1，可得第1个天然气水合物层单元的等效渗透率为：

$k_1=\frac{Q_{g1}\·T_1\·{\mathrm{\μ}}_1\·Z_1\·ln\frac{r_{e1}}{r_{w1}}}{774.6h_{x1}\·(p_{e1}^2-p_{w1}^2)}$

同理，可得第i个天然气水合物层单元的等效渗透率为：

$k_i=\frac{Q_{gi}\·T_i\·{\mathrm{\μ}}_i\·Z_i\·ln\frac{r_{ei}}{r_{wi}}}{774.6h_{xi}\·(p_{ei}^2-p_{wi}^2)}$

式中：Q_g1、Q_gi分别为钻至第1、第i个天然气水合物层单元进入井筒中的总气量，m³/d，

k₁、k_i分别为第1、第i个天然气水合物层单元等效渗透率，10^-3um²，

h_x1、h_xi分别为钻开第1、第i个天然气水合物层单元储层的厚度，m，

p_e1、p_ei分别为第1、第i个天然气水合物层单元地层压力，MPa，

p_w1、p_wi分别为钻至第1、第i个天然气水合物层单元时井底压力，MPa，

T₁、T_i分别为第1、第i个天然气水合物层单元的地层温度，K，

μ₁、μ_i分别为第1、第i个天然气水合物层单元中的流体粘度，mPa·s，

Z₁、Z_i分别为第1、第i个天然气水合物层单元中的天然气压缩因子，无因次，

r_e1、r_ei分别为钻至第1、第i个天然气水合物层单元时的边界半径，m，

r_w1、r_wi分别为钻至第1、第i个天然气水合物层单元时的井筒半径，m。

2.如权利要求1所述的基于降压的海域天然气水合物层钻井等效渗透率计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中，钻井至海域天然气水合物层一定深度后停泵，采用气举的方法降压，使井底形成负压差，此时井底压力p_w的计算方法如下：

$p_w=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{gh}}_l+{\mathrm{\ρ}}_{gn}g(h_a-h_l)}{{10}^6}$

式中：ρ_l、ρ_gn分别为环空中钻井液、氮气密度，kg/m³，

h_a、h_l分别为井深、气举后环空中液柱高度，m，

g为重力加速度，m/s²。