CN108316895B - 一种获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法，其特征在于：它包括以下步骤：1)获取井筒中固相总体积；2)获取正常钻进过程中破岩产生的固相体积；3)获取井壁垮塌进入井筒中的固相体积；4)获取井筒扩径率。本发明根据监测到的在环空井口温度、压力条件下，单位时间内的气相流量得到标况井口温度、压力条件下的单位时间内的气相流量，进而得到单位时间内进入井筒的天然气水合物体积量，然后根据单位时间内进入井筒的天然气水合物体积量计算井筒中固相总体积，利用单位时间内井筒中固相总体积求出井筒扩径率，因此本发明可以监测到的在环空井口温度、压力条件下，单位时间内的气相流量实时获取海域天然气水合物层钻井扩径率。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋钻井扩径率监测方法，特别涉及一种获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法。
背景技术
天然气水合物作为一种新型的清洁能源而引人关注，它具有高密度、高热值、分布范围广等显著特点。陆地上20.7％和深水海底90％的地区具有形成天然气水合物的有利条件，其中海域天然气水合物的储量是陆地的约100倍，被认为是21世纪最具潜力的接替能源。海域天然气水合物层钻井时，钻头破岩产生的水合物钻屑会进入井筒并随钻井液上返，除此之外，天然气水合物储层由于自身稳定性较弱，在钻井施工的影响下，部分会发生分解、垮塌并进入井筒中随钻井液上返。井壁垮塌所造成的井径扩大对于钻井过程中的安全携岩等具有严重威胁，同时大范围井壁垮塌会造成海域天然气水合物层钻井地质风险的加剧，因此迫切需要一种能够实现海域天然气水合物层钻井扩径率监测的方法，以对钻井施工过程中的井筒扩径情况实时监测，防止施工风险、地质风险等的发生，为钻井安全施工提供重要依据。
目前，国内外针对海域天然气水合物层钻井扩径率监测的研究较少，主要集中在井筒流动安全和室内钻井模拟方面。专利CN104500031A公开了一种天然气水合物地层的钻井模拟装置，主要从水合物岩心的室内生成、钻进施工、钻井液的注入循环及回收系统几个方面进行了描述，可以模拟不同工况下的天然气水合物地层钻进，对评估安全控制具有重大意义，但是其属于室内模拟试验，与现场钻井具有一定差异。专利CN102865066A公开了一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置及方法，通过考虑水合物相变影响下的井筒多相流动进行模拟实验，为深水井筒多相流动规律分析提供依据，但是其未从钻井施工对天然气水合物储层的影响方面提出相关方法。因此，现有技术无法满足海域天然气水合物层钻井井径扩大监测的技术要求，无法有效防止施工风险、地质风险等的发生，迫切需要提出一种海域天然气水合物层钻井扩径率监测方法，为钻井安全施工提供重要依据。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够实时获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法，包括以下步骤：
1)获取井筒中固相总体积；
2)获取正常钻进过程中破岩产生的固相体积；
3)获取井壁垮塌进入井筒中的固相体积；
4)获取井筒扩径率。
所述步骤1)中获取井筒中固相总体积的具体过程如下：①获取标况井口温度、压力条件下的气相流量；②获取进入井筒的天然气水合物体积量；③根据进入井筒的天然气水合物体积量计算井筒中固相总体积。
所述步骤①中，获取标况井口温度、压力条件下的气相流量的具体过程如下：
根据监测到的环空井口温度、压力条件下的气相流量，利用如下式(1)计算标况井口温度、压力条件下的气相流量
式中，Qsc为标况井口温度、压力条件下的气相流量，m3/s；Qg分别为环空井口温度、压力条件下的气相流量，m3/s；Zsc标况井口温度、压力条件下的气体压缩因子，无量纲；Za分别为环空井口温度、压力条件下的气体压缩因子，无量纲；Tsc为标况井口处的温度，K；Ta为环空井口处的温度，K；psc为标况井口处的压力，Pa；pa分别为环空井口处的压力，Pa。
所述步骤②中，获取进入井筒的天然气水合物体积量的过程如下：
在标准状况下，1m3天然气水合物可分解为1m3水和164m3甲烷气体，根据标况井口温度、压力条件下的气相流量，利用如下式(2)得到进入井筒的天然气水合物体积量
Qhyd＝Qsc/164 (2)
式中，Qhyd为单位时间进入井筒的天然气水合物体积，m3/s。
所述步骤③中，根据进入井筒的天然气水合物体积量计算井筒中固相总体积的具体过程如下：
单位时间进入井筒中的天然气水合物体积量并不能代表进入井筒的固相总体积，需要考虑受天然气水合物储层中水合物丰度的影响，因此可利用如下式(3)计算出进入井筒的固相总体积
Qs＝Qhyd/xhyd (3)
式中，Qs为单位时间进入井筒中的固相总体积，m3/s；xhyd为天然气水合物储层中水合物丰度，％。
所述步骤2)中，获取正常钻进过程中破岩产生的固相体积的具体过程如下：
根据机械钻速和钻头尺寸，利用如下式(4)得出正常钻进过程中破岩产生的固相体积：
式中，Qsbit为单位时间进入井筒中的由于钻头破岩所产生固相体积，m3/s；ROP为机械钻速，m/s；Dbit为钻头尺寸，m。
所述步骤3)中，获取井壁垮塌进入井筒中的固相体积的具体过程如下：
根据步骤1)中获取的单位时间进入井筒中的总固相体积和步骤2)中获取的正常钻进过程中破岩产生的固相体积，根据如下式(5)得到由于井壁垮塌而进入井筒的固相体积
Qsx＝Qs-Qsbit (5)
式中，Qsx为单位时间进入井筒中的由于井筒扩径所产生固相体积，m3/s。
所述步骤4)中，获取井筒扩径率的具体过程如下：
根据如下式(6)计算实时扩径率
式中，ε为井筒扩径率，％。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：本发明根据监测到的在环空井口温度、压力条件下，单位时间内的气相流量得到标况井口温度、压力条件下的单位时间内的气相流量，进而得到单位时间内进入井筒的天然气水合物体积量，然后根据单位时间内进入井筒的天然气水合物体积量计算井筒中固相总体积，利用单位时间内井筒中固相总体积求出井筒扩径率，因此本发明可以监测到的在环空井口温度、压力条件下，单位时间内的气相流量实时获取海域天然气水合物层钻井扩径率。
附图说明
图1是海域天然气水合物层钻井井径扩大示意图；
图2是井口监测气相流量和井筒扩径率变化趋势示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供的一种获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法，包括以下步骤：
1)获取井筒中固相总体积，具体过程如下：
①获取标况井口温度、压力条件下的气相流量
根据监测到的环空井口温度、压力条件下的气相流量，利用如下式(1)计算标况井口温度、压力条件下的气相流量
式中，Qsc为标况井口温度、压力条件下的气相流量，m3/s；Qg分别为环空井口温度、压力条件下的气相流量，m3/s；Zsc标况井口温度、压力条件下的气体压缩因子，无量纲；Za分别为环空井口温度、压力条件下的气体压缩因子，无量纲；Tsc为标况井口处的温度，K；Ta为环空井口处的温度，K；psc为标况井口处的压力，Pa；pa分别为环空井口处的压力，Pa。
②获取进入井筒的天然气水合物体积量
在标准状况下，1m3天然气水合物可分解为1m3水和164m3甲烷气体，根据标况井口温度、压力条件下的气相流量，利用如下式(2)得到进入井筒的天然气水合物体积量
Qhyd＝Qsc/164 (2)
式中，Qhyd为单位时间进入井筒的天然气水合物体积，m3/s。
③根据进入井筒的天然气水合物体积量计算井筒中固相总体积
单位时间进入井筒中的天然气水合物体积量并不能代表进入井筒的固相总体积，需要考虑受天然气水合物储层中水合物丰度的影响，因此可利用如下式(3)计算出进入井筒的固相总体积
Qs＝Qhyd/xhyd (3)
式中，Qs为单位时间进入井筒中的固相总体积，m3/s；xhyd为天然气水合物储层中水合物丰度，％。
2)获取正常钻进过程中破岩产生的固相体积，具体过程如下：
根据机械钻速和钻头尺寸，利用如下式(4)得出正常钻进过程中破岩产生的固相体积：
式中，Qsbit为单位时间进入井筒中的由于钻头破岩所产生固相体积，m3/s；ROP为机械钻速，m/s；Dbit为钻头尺寸，m。
3)获取井壁垮塌进入井筒中的固相体积，具体过程如下：
根据步骤1)中获取的单位时间进入井筒中的总固相体积和步骤2)中获取的正常钻进过程中破岩产生的固相体积，根据如下式(5)得到由于井壁垮塌而进入井筒的固相体积
Qsx＝Qs-Qsbit (5)
式中，Qsx为单位时间进入井筒中的由于井筒扩径所产生固相体积，m3/s。
4)获取井筒扩径率，具体过程如下：
根据如下式(6)计算实时扩径率
式中，ε为井筒扩径率，％。
下面通过一个具体实施例用以说明本发明的效果：
如图1～2所示，横坐标为钻进时间，利用本发明获取实时扩径率的方法计算得到的扩径率与井口检测气相的关系。
A～B时间内，钻进过程中未发生扩径，即扩径率ε为0，井口监测的气相流量即为正常钻进中由于钻头破岩所产生固相Qsbit进入井筒中，上升过程发生分解所产生的气量Qgbit；
B～C时间内，井筒发生扩径，扩径速度增大，钻进过程中扩径率增大，井口监测气相流量增大；
C～D时间内，井筒扩径速度达到稳定，钻进过程中扩径率为ε1，单位时间进入井筒中的固相总量为Qs1，发生分解所产生的气量为Qg1；
D～E时间内，钻进过程中井筒扩径进一步加剧，井口监测气相流量进一步增大；
E～F时间内，扩径速度达到最高值，钻进过程中井筒扩径率达到ε2，单位时间进入井筒中的固相总量为Qs2，发生分解所产生的气量为Qg2；
F～G时间内，通过采取措施，控制井筒扩径，扩径速率降低，钻进过程中扩径率降低；
G～H时间内，钻进过程中不发生扩径，同A～B时间段的相同。
可以看出，根据海域天然气水合物层钻井扩径率监测方法，能够实现海域天然气水合物层钻井扩径率的实时监测反演，通过现场及时采取必要措施，为钻井安全施工提供依据，同时为海域天然气水合物层钻井地质安全基础提供保障，避免安全风险的发生。
上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法，包括以下步骤：
1）获取井筒中固相总体积，具体过程如下：
根据监测到的环空井口温度、压力条件下的气相流量，利用如下式（1）计算标况井口温度、压力条件下的气相流量：
式中，Q sc 为标况井口温度、压力条件下的气相流量，m3/s；Q g 分别为环空井口温度、压力条件下的气相流量，m3/s；Z sc 标况井口温度、压力条件下的气体压缩因子，无量纲；Z a 分别为环空井口温度、压力条件下的气体压缩因子，无量纲；T sc 为标况井口处的温度，K；T a 为环空井口处的温度，K；p sc 为标况井口处的压力，Pa；p a 分别为环空井口处的压力，Pa；
在标准状况下，1m3天然气水合物分解为1m3水和164m3甲烷气体，根据标况井口温度、压力条件下的气相流量，利用如下式（2）得到进入井筒的天然气水合物体积量：
式中，Q hyd 为单位时间进入井筒的天然气水合物体积，m3/s；
根据进入井筒的天然气水合物体积量计算井筒中固相总体积的具体过程如下：
单位时间进入井筒中的天然气水合物体积量并不能代表进入井筒的固相总体积，需要考虑受天然气水合物储层中水合物丰度的影响，因此可利用如下式（3）计算出进入井筒的固相总体积：
式中，Q s 为单位时间进入井筒中的固相总体积，m3/s；x hyd 为天然气水合物储层中水合物丰度，%；
2）获取正常钻进过程中破岩产生的固相体积；
3）获取井壁垮塌进入井筒中的固相体积；
4）获取井筒扩径率：
根据如下式（6）计算实时扩径率：
式中，ε为井筒扩径率，%；ROP为机械钻速，m/s；D bit 为钻头尺寸，m。
2.如权利要求1所述的一种获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法，其特征在于：所述步骤2）中，获取正常钻进过程中破岩产生的固相体积的具体过程如下：
根据机械钻速和钻头尺寸，利用如下式（4）得出正常钻进过程中破岩产生的固相体积：
式中，Q sbit 为单位时间进入井筒中的由于钻头破岩所产生固相体积，m3/s；ROP为机械钻速，m/s；D bit 为钻头尺寸，m。
3.如权利要求2所述的一种获取海域天然气水合物层实时钻井扩径率的方法，其特征在于：所述步骤3）中，获取井壁垮塌进入井筒中的固相体积的具体过程如下：
根据步骤1）中获取的单位时间进入井筒中的总固相体积和步骤2）中获取的正常钻进过程中破岩产生的固相体积，根据如下式（5）得到由于井壁垮塌而进入井筒的固相体积
式中，Q sx 为单位时间进入井筒中的由于井筒扩径所产生固相体积，m3/s。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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