CN109214039A - 一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置

技术领域

本发明涉及气体钻井技术，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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P_L和现场气体循环钻井井口设备压降P_e确定气体循环钻井的最小井口回压P_head；其中，P_head＝P_L+P_e。

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Z_g，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，ρ_g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＝T_s+GD，T_s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Q_goρ_go＝Q_gρ_g，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，Q_go表示大气条件下的气体体积流量；Q_g表示井深H处的气体体积流量；ω表示钻柱转速；ρ_go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，D_h为井眼内径；D_p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：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。

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。

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。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

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。

本发明实施例提供的一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法及装置，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。可见，本发明能够准确确定定向井气体循环钻井最小注气量，从而有效提高钻井作业的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法的流程图；

图2为本发明实施例中的钻柱偏心示意图；

图3为本发明实施例中的求解钻至不同井深处需要的最小注气量的流程图；

图4为本发明实施例中，最小注气量随井深的变化关系的示意图；

图5为本发明实施例中，在相应的注气排量下，钻至500m及1000m处井筒环空气体密度分布曲线的示意图；

图6为本发明实施例中，对比井口回压为0.5MPa和0.4MPa下的最小注气量的对比图；

图7为本发明实施例中，钻柱偏心与不偏心时的最小注气量的对比示意图；

图8为本发明实施例提供的一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明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，包括：

步骤101、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。

步骤102、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。

步骤103、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。

步骤104、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。

步骤105、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。

步骤106、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。

本发明实施例提供的一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法，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。可见，本发明能够准确确定定向井气体循环钻井最小注气量，从而有效提高钻井作业的效率。

具体的，上述步骤101中，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，可以采用如下方式实现：

根据管线压降P_L和现场气体循环钻井井口设备压降P_e确定气体循环钻井的最小井口回压P_head；其中，P_head＝P_L+P_e。另外，该最小井口回压也可由现场实际情况预先设定。

具体的，上述步骤102中，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，可以采用如下方式实现：

根据实际气体状态方程和在井深H处的气体压缩因子Z_g(可根据气体压缩因子图版得到)，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，ρ_g表示井深H处的气体密度；M表示气体摩尔质量，可根据查询气体参数得到；R表示气体常量，一般约为8.314J/(molgK)；T＝T_s+GD，T_s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Q_goρ_go＝Q_gρ_g，得到井下任一点处的气体平均轴向流速公式：其中，Q_go表示大气条件下的气体体积流量；Q_g表示井深H处的气体体积流量；ω表示钻柱转速；ρ_go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，D_h为井眼内径；D_p为钻柱外径。

具体的，上述步骤103中，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，可以采用如下方式实现：

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，可根据预先设置的表或者通过实验确定；g为重力加速度。

具体的，上述步骤104中，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，可以采用如下方式实现：

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，即为图2所示的钻柱偏心示意图中所示的α角度。

具体的，上述步骤105中，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，可以采用如下方式实现：

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，可由现场录井测量得到；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，其可由实验测得或井场反演得到。

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，可由实验测量或现场经验得到。

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，则有F_Δp+F_D-Gcosθ≥0；当岩屑处于水平段时，Gcosθ为0，则有F_Δp+F_D-F_f≥0。

具体的，上述步骤106中，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，可以采用如下方式实现：如图3所示，求解钻至不同井深处需要的最小注气量的步骤包括：

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。

此处，ΔH取值可根据实际需要确定，ΔH越小，则计算精度越高，但计算冗长；ΔH越大，则计算精度降低，但计算快速简易。

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。

为了使本领域的技术人员了解到本发明上述实施例的过程和效果，下面以具体数据为例，对本发明的效果进行描述：

本具体数据实例中，井眼内径：0.216m；钻柱外径：0.127m，地温梯度0.03K/m，大气条件为15℃，0.1MPa，循环气体为氮气，岩屑直径为2mm，岩屑密度为2500kg/cm³，井壁摩擦系数为0.8，推力系数为0.01。井眼造斜点为700m，造斜率7.5°/30m，井口回压为0.4MPa，气体运动粘度为1.5×10^-5m²/s。

依据本发明的上述实施例中的方法，可得到最小注气量随井深的变化关系如图4所示。可见最小注气量随井深增加而逐渐增大，在弯曲段注气量迅速增加，但增加幅度逐渐变缓，根据实际现场参数不同，在40°井斜角左右出现极大值，水平段注气量变化平缓，几乎保持恒定。

以钻至井深500m及1000m为例，计算得到500m处所需最小气体排量(大气条件上)为67.32m³/min，计算得到1000m处所需最小气体排量(大气条件上)为76.98m³/min。

在相应的注气排量下，钻至500m及1000m处井筒环空气体密度分布曲线如图5所示。

对比井口回压为0.5MPa和0.4MPa下的最小注气量，可得对比图如图6所示。

可以看出，随着井口回压的增加，最小注气量有明显增加。

在实际钻井作业中，井眼弯曲段与水平段极易发生钻柱偏心，钻柱向井眼低边靠近，钻柱偏心与不偏心时最小注气量有明显不同，取偏心距为0.01m进行计算，对比图如图7所示。

可以看出，当钻柱发生偏心时，最小注气量有明显增加。原因是钻柱发生偏心后，环空窄间隙处的气体平均流速大幅度降低，因此，满足岩屑滑动条件所需要的最小注气量增加。

本发明实施例提供的一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定方法，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。可见，本发明能够准确确定定向井气体循环钻井最小注气量，从而有效提高钻井作业的效率。

对应于上述图1和图3所示的方法实施例，如图8所示，本发明实施例还提供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21，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22，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23，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24，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25，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26，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。

本发明实施例提供的一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定装置，能够准确确定定向井气体循环钻井最小注气量，从而有效提高钻井作业的效率。

另外，本发明实施例还提供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。

另外，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

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。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

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P_L和现场气体循环钻井井口设备压降P_e确定气体循环钻井的最小井口回压P_head；其中，P_head＝P_L+P_e。

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Z_g，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，ρ_g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＝T_s+GD，T_s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Q_goρ_go＝Q_gρ_g，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，Q_go表示大气条件下的气体体积流量；Q_g表示井深H处的气体体积流量；ω表示钻柱转速；ρ_go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，D_h为井眼内径；D_p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：d_s为岩屑直径；ρ_s为岩屑密度；

流体压差力

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。

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。

8.一种定向井气体循环钻井最小注气量的确定装置，其特征在于，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。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，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。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

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。