一种氮气钻井排砂系统安全性判定方法与流程

本发明属于天然气井储层氮气钻井工程技术领域，具体涉及一种氮气钻井排砂系统安全性判定方法。

背景技术：

氮气钻井基于储层提速、保护储层、提高勘探效果的优势而迅速发展，但其安全问题也逐步暴露，尤其天然气井储层氮气钻井钻遇高压高产气层的井控安全问题。氮气钻井钻遇高压高产气层时，随着流体上升，压力变化，气体膨胀，井筒内含砂流体迅速返出，如果排砂系统不满足安全作业要求，将造成严重冲击、振动等破坏，此时，地面排砂系统主要存在以下安全风险：第一，高压高产气层的大量气体迅速运移到井口，井口压力瞬时升高，导致排砂系统部件爆裂的风险；第二，高压天然气携带大量岩屑快速上移到井口，形成高速冲击载荷，对排砂系统产生巨大冲击力，引发排砂系统的剧烈振动，导致排砂系统部件刺漏、断裂等风险；第三，含砂气体对排砂系统结构变化段造成长时间冲蚀，降低导致管线刺漏的风险。因此，对排砂系统抗高压、抗高冲击力以及流道有效性等性能提出更高的要求，迫切需要一种较全面的方法对氮气钻井排砂系统进行安全性判定，确保氮气钻井时排砂系统运转安全可靠。

技术实现要素：

本发明提供的氮气钻井排砂系统安全性判定方法目的一是克服现有技术中氮气钻井钻遇高压高产气层时，随着流体上升，压力变化，气体膨胀，井筒内含砂流体迅速返出，如果排砂系统不满足安全作业要求，将造成严重冲击、振动等破坏的问题；目的二是克服现有技术中没有一种较全面的方法可对氮气钻井排砂系统进行安全性判定，确保氮气钻井时排砂系统运转安全可靠的问题。

为此，本发明提供了一种氮气钻井排砂系统安全性判定方法，包括如下步骤：

1)输入基本信息和系统信息并建立氮气钻井排砂系统的结构模型；

2)输入约束信息对步骤1)的氮气钻井排砂系统增加约束参数；

3)输入工况信息并计算步骤2)的氮气钻井排砂系统的载荷参数；

4)输入安全性判定条件，根据安全性判定条件，判断氮气钻井排砂系统的安全性，若氮气钻井排砂系统的判定结果安全，则将步骤1)至步骤3)的信息数据输出并保存，若氮气钻井排砂系统的判定结果不安全，则确定排砂系统存在的不安全因素，若不安全因素为约束条件不足，则改善约束条件，然后再次重复步骤2)至步骤4)直至氮气钻井排砂系统的判定结果安全；或者若不安全因素为除约束条件不足之外的其他因素，则改进氮气钻井排砂系统的系统结构，然后再次重复步骤1)至步骤4)直至氮气钻井排砂系统的判定结果安全。

所述步骤1)的基本信息至少包括井号、单位和分析人；系统信息至少包括排砂系统数量、部件安装顺序、类型、长度、弯度、曲率半径、安装角度、内径、壁厚、内壁粗糙度、许用应力、起点连接方式、终点连接方式。

所述步骤2)的约束信息至少包括序号、约束方式、约束位置、最大约束力。

所述步骤3)的工况信息至少包括天然气产量及特性参数、氮气排量及特性参数、岩屑含量及特性参数、地层出水量及特性参数、当地气压、钻进速度、岩屑类型及参数、预计最大地层出气量、地面温度、冲蚀速度。

所述步骤3)的载荷参数至少包括排砂系统流道内的流速、流动压力分布、排砂系统的受力和排砂系统易冲蚀段的冲蚀速度，所述排砂系统的受力包括拉伸力、剪切力和振动力。

所述步骤1)建立氮气钻井排砂系统的结构模型包括如下步骤：以排砂系统进口为原点建立三维空间坐标系，将排砂系统以微元段形式共划分为i段，设定排砂系统入口后的第一段微元段标识为第1段，后面依次标识为2、3、……、i，并根据提供的三维布局和结构参数，计算记录各微元段进口、出口、中段三维坐标以及微元段的方向参数和结构参数。

所述步骤3)排砂系统流道内的流速、流动压力分布的计算步骤包括：

31)排砂系统各微元段进口与出口间的流动压力变化受到流体与系统内壁的摩擦、流体重力、流体动能及局部结构变化的影响，氮气钻井时，排砂系统第i段微元段的流动压降计算公式为：

△pi＝△pfi+△peli+△pai+△pci

其中△pi为排砂系统第i段的流动压降，△pfi为排砂系统第i段的摩擦压降，△peli为排砂系统第i段的重力压降，△pai为排砂系统第i段的动能压降，△pci为排砂系统第i段的局部形阻压降；

32)返出流体经第i段排放到大气层，则第i段的出口压力poi为已知数，因此，基于步骤31)所述流动压降计算公式，可以通过排砂系统第i段依次反推计算出所有微元段在返出流体流动时的进口压力、出口压力以及平均流动压力，并确定排砂系统流道内的流动压力分布。

所述步骤3)的排砂系统受力的计算步骤包括：排砂系统至少包括排砂系统入口、弯管结构和排砂系统出口，排砂系统入口、弯管结构和排砂系统出口依次连接，弯管结构的弯管内有稳态流体流动时，取截面间微元段流体为控制体，此时，控制体内的动量无变化，所受的力包括流体压力、重力和管壁的作用力，以步骤1)建立的三维空间坐标系为基础，求出弯管结构各微元段x轴、y轴、z轴三个方向所受作用力，然后通过矢量计算弯管结构受力。

所述步骤3)的排砂系统易冲蚀段的冲蚀速度是基于不同气量、含砂量、含水量，通过排砂系统现场实际使用参数、壁厚检测参数以及室内试验测试情况，建立排砂系统结构变化较大易冲蚀段的冲蚀速度模型，确定冲蚀速度并预测壁厚随时间的变化。

所述步骤4)的安全性判定条件及结果为：

1)若流速＞许可最低流速，则安全，否则存在砂堵风险；若存在砂堵风险，并提示易砂堵段坐标、流速情况以及许可最低流速；

2)若流动压力＜许可最高压力，则安全，否则存在内压破坏风险；若因流动压力过大，存在內压破坏风险，并提示易內压破坏段坐标、压力情况及许可最高压力；

3)若拉伸力＜许可最大拉伸力，则安全，否则存在拉伸破坏风险；若存在拉伸破坏风险，并提示易拉伸破坏段坐标、受力情况及许可应力；

4)若剪切力＜许可最大剪切力，则安全，否则存在剪切破坏风险；若存在剪切破坏风险，并提示易剪切破坏段坐标、受力情况及许可应力；

5)若振动力＜许可最大振动力，则安全，否则存在振动破坏风险；若存在振动破坏风险，并提示易振动破坏段坐标、受力情况及许可应力；

6)若壁厚＜许可最小壁厚或可冲蚀时间＜安全使用时间，则安全，否则存在冲蚀破坏风险；若存在冲蚀破坏风险，并提示易冲蚀段位置坐标、现有壁厚、冲蚀速度、许用应力变化及安全时间；

7)排砂系统安全可控。

本发明的有益效果：本发明提供的这种氮气钻井排砂系统安全性判定方法，通过预测产量、排砂系统参数等数据，计算分析排砂系统流速、流动压力、受力、冲蚀速度情况，开展氮气钻井排砂系统安全分析，确定排砂系统存在的不安全因素，并提出改进建议，将有助于配置、安装、改进排砂系统和完善氮气钻井井控措施，提高氮气钻井排砂系统安全性，确保天然气井储层氮气钻井安全作业。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的排砂系统三维结构布局示意图

图2为本发明的弯管结构(不稳定段)微元段流动分析图

图3氮气钻井排砂系统安全性判定流程图

图4排砂系统安装示意图(实施例：二维)

图5基础信息输入界面1；

图6基础信息输入界面2；

图7分析计算结果界面。

附图标记说明：1、排砂系统入口；2、弯管结构；3、排砂系统出口。

具体实施方式

实施例1：

一种氮气钻井排砂系统安全性判定方法，包括如下步骤：

1)输入基本信息和系统信息并建立氮气钻井排砂系统的结构模型；

2)输入约束信息对步骤1)的氮气钻井排砂系统增加约束参数；

3)输入工况信息并计算步骤2)的氮气钻井排砂系统的载荷参数；

4)输入安全性判定条件，根据安全性判定条件，判断氮气钻井排砂系统的安全性，若氮气钻井排砂系统的判定结果安全，则将步骤1)至步骤3)的信息数据输出并保存，若氮气钻井排砂系统的判定结果不安全，则确定排砂系统存在的不安全因素，若不安全因素为约束条件不足，则改善约束条件，然后再次重复步骤2)至步骤4)直至氮气钻井排砂系统的判定结果安全；或者若不安全因素为除约束条件不足之外的其他因素，则改进氮气钻井排砂系统的系统结构，然后再次重复步骤1)至步骤4)直至氮气钻井排砂系统的判定结果安全。

实施例2

如图1-3、5-6所示，一种氮气钻井排砂系统安全性判定方法，包括如下步骤：

1)输入基本信息和系统信息并建立氮气钻井排砂系统的结构模型；

2)输入约束信息对步骤1)的氮气钻井排砂系统增加约束参数；

3)输入工况信息并计算步骤2)的氮气钻井排砂系统的载荷参数；

4)输入安全性判定条件，根据安全性判定条件，判断氮气钻井排砂系统的安全性，若氮气钻井排砂系统的判定结果安全，则将步骤1)至步骤3)的信息数据输出并保存，若氮气钻井排砂系统的判定结果不安全，则确定排砂系统存在的不安全因素，若不安全因素为约束条件不足，则改善约束条件，然后再次重复步骤2)至步骤4)直至氮气钻井排砂系统的判定结果安全；或者若不安全因素为除约束条件不足之外的其他因素，则改进氮气钻井排砂系统的系统结构，然后再次重复步骤1)至步骤4)直至氮气钻井排砂系统的判定结果安全。本发明提供的这种氮气钻井排砂系统安全性判定方法，通过开展氮气钻井排砂系统安全分析，确定排砂系统存在的不安全因素，并提出改进建议，将有助于配置、安装、改进排砂系统和完善氮气钻井井控措施，提高氮气钻井排砂系统安全性，确保天然气井储层氮气钻井安全作业。

所述步骤1)的基本信息至少包括井号、单位和分析人；系统信息至少包括排砂系统数量、部件安装顺序、类型、长度、弯度、曲率半径、安装角度、内径、壁厚、内壁粗糙度、许用应力、起点连接方式、终点连接方式。

所述步骤2)的约束信息至少包括序号、约束方式、约束位置、最大约束力。

所述步骤3)的工况信息至少包括天然气产量及特性参数、氮气排量及特性参数、岩屑含量及特性参数、地层出水量及特性参数、当地气压、钻进速度、岩屑类型及参数、预计最大地层出气量、地面温度、冲蚀速度。

所述步骤3)的载荷参数至少包括排砂系统流道内的流速、流动压力分布、排砂系统的受力和排砂系统易冲蚀段的冲蚀速度，所述排砂系统的受力包括拉伸力、剪切力和振动力。

所述步骤1)建立氮气钻井排砂系统的结构模型包括如下步骤：以排砂系统进口为原点建立三维空间坐标系，将排砂系统以微元段形式共划分为i段，设定排砂系统入口后的第一段微元段标识为第1段，后面依次标识为2、3、……、i，并根据提供排砂系统的三维布局和结构参数，计算记录各微元段进口、出口、中段三维坐标以及微元段的方向参数和结构参数。氮气钻井排砂系统由排砂直管、排砂弯管、降尘装置和排砂出口管等多组件组成，由于氮气钻井现场作业现场环境及设备布局影响，安装形成的排砂系统将以三维的形式展现不同构件的布局、结构参数和性能参数；以排砂系统进口(即旋转防喷器出口)为原点o建立三维空间坐标系(x，y，z)，排砂系统各个构件以微元段形式共划分为i段，设定排砂系统入口后的第一段微元段标识为第1段，后面依次标识为2、3、……、i，并根据提供各个构件的三维布局和结构参数，计算记录各微元段进口、出口、中段三维坐标以及微元段的方向参数和结构参数。

所述步骤3)排砂系统流道内的流速、流动压力分布的计算步骤包括：

由于气体属于易压缩流体，返出流体在排砂系统内流动时的流速模型与流动压力模型是相互联系相互影响的，需要通过迭代计算求得。根据各微元段内流道结构参数，基于返出流体总量(包括预测或设计的天然气产量、氮气注入量、岩屑含量以及地层出水量等)、流动压力等参数计算流速并确定流速分布。

31)排砂系统各微元段进口与出口间的流动压力变化受到流体与系统内壁的摩擦、流体重力、流体动能及局部结构变化的影响，氮气钻井时，排砂系统第i段微元段的流动压降计算公式为：

△pi＝△pfi+△peli+△pai+△pci

其中△pi为排砂系统第i段的流动压降，△pfi为排砂系统第i段的摩擦压降，△peli为排砂系统第i段的重力压降，△pai为排砂系统第i段的动能压降，△pci为排砂系统第i段的局部形阻压降；

33)返出流体经第i段排放到大气层，则第i段的出口压力poi为已知数，因此，基于步骤31)所述流动压降计算公式，可以通过排砂系统第i段依次反推计算出所有微元段在返出流体流动时的进口压力、出口压力以及平均流动压力，并确定排砂系统流道内的流动压力分布。

所述步骤3)的排砂系统受力的计算步骤包括：排砂系统至少包括排砂系统入口1、弯管结构2和排砂系统出口3，排砂系统入口1、弯管结构2和排砂系统出口3依次连接，弯管结构2的弯管内有稳态流体流动时，取截面间微元段流体为控制体，此时，控制体内的动量无变化，所受的力包括流体压力、重力和管壁的作用力，以步骤1)建立的三维空间坐标系为基础，求出弯管结构各微元段x轴、y轴、z轴三个方向所受作用力，然后通过矢量计算弯管结构受力。

所述步骤3)的排砂系统易冲蚀段的冲蚀速度是基于不同气量、含砂量、含水量，通过排砂系统现场实际使用参数、壁厚检测参数以及室内试验测试情况，建立排砂系统结构变化较大易冲蚀段的冲蚀速度模型，确定冲蚀速度并预测壁厚随时间的变化。排砂系统有流体流动时，排砂直管仅返出流体与系统内壁的摩擦阻力、返出流体重力会对系统产生作用力，但由于返出流体主要为气体，产生的作用力较小，可以忽略；根据氮气钻井排砂系统使用情况，排砂弯头、排砂出口管是排砂系统内部结构变化较大部件，其均属于弯管结构。排砂系统有流体流动时，排砂弯头、排砂出口管将会因为部件内部结构变化较大产生的较大作用力；弯管内有稳态流体流动时的弯管结构受力分析如下：考虑弯管可能存在不规则尺寸变化，取截面间微元段流体为控制体(即弯管中的管流)，此时，控制体内的动量无变化，所受的力有流体压力、重力和管壁的作用力，以s22建立三维空间坐标系为基础，求出弯管结构各微元段x轴、y轴、z轴三个方向所受作用力，然后通过矢量计算弯管结构受力情况。

所述步骤4)的安全性判定条件及结果为：

1)若流速＞许可最低流速，则安全，否则存在砂堵风险；若存在砂堵风险，并提示易砂堵段坐标、流速情况以及许可最低流速；

2)若流动压力＜许可最高压力，则安全，否则存在内压破坏风险；若因流动压力过大，存在內压破坏风险，并提示易內压破坏段坐标、压力情况及许可最高压力；

3)若拉伸力＜许可最大拉伸力，则安全，否则存在拉伸破坏风险；若存在拉伸破坏风险，并提示易拉伸破坏段坐标、受力情况及许可应力；

4)若剪切力＜许可最大剪切力，则安全，否则存在剪切破坏风险；若存在剪切破坏风险，并提示易剪切破坏段坐标、受力情况及许可应力；

5)若振动力＜许可最大振动力，则安全，否则存在振动破坏风险；若存在振动破坏风险，并提示易振动破坏段坐标、受力情况及许可应力；

6)若壁厚＜许可最小壁厚或可冲蚀时间＜安全使用时间，则安全，否则存在冲蚀破坏风险；若存在冲蚀破坏风险，并提示易冲蚀段位置坐标、现有壁厚、冲蚀速度、许用应力变化及安全时间；

7)排砂系统安全可控。

根据本发明提出的氮气钻井排砂系统安全性判定方法，其中，所述步骤4)中对排砂系统不安全因素的确定步骤包括：

41)确定维持排砂系统安全的约束条件，包括部件、连接类型、连接件、基墩、支撑架、绷绳、防砂堵最小流速等约束条件的约束方式、约束位置和最大约束能力；

42)基于权利要求3所求取流速分布、流动压力分布、受力情况、冲蚀速度，结合41)所提约束条件，判断不满足氮气钻井排砂系统安全的约束条件，确定排砂系统存在的不安全因素。

根据分析获取的排砂系统不安全性情况，提出对应的改进建议，通过权利要求1-要求4所述模型量化改进参数，包括更换新部件、增强部件性能(管径、壁厚和钢级)、增强连接件性能(即螺栓直径和钢级)、增加约束(在相应位置增加基墩、支撑架、绷绳等)、增加排砂系统分支数量。

本发明通过提出一种基于排砂系统流体流速分析、内压力分析、系统受力分析、冲蚀分析等的氮气钻井排砂系统安全性判定方法，该方法将有助于配置、安装、改进排砂系统和完善氮气钻井井控措施，提高氮气钻井排砂系统安全性和天然气井储层氮气钻井安全作业能力。

实施例3：

在实施例2的基础上，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付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。

请参阅图3，本发明依据氮气钻井排砂系统安全性判定方法制定的判定流程进行以下步骤的实施例计算和分析。

(1)基础信息输入

排砂系统安全性判定前，首先需要输入基本信息、系统信息、约束信息、工况信息和判定条件等，见图5、图6。

基本信息：井号、单位、分析人。

系统信息：排砂系统数量、部件安装顺序、类型、长度、弯度、曲率半径、安装角度、内径、壁厚、内壁粗糙度、许用应力、起点连接方式、终点连接方式。

约束信息：序号、约束方式、约束位置、最大约束力。

工况信息：天然气产量及特性参数、氮气排量及特性参数、岩屑含量及特性参数、地层出水量及特性参数、当地气压、钻进速度、岩屑类型及参数、预计最大地层出气量、地面温度、冲蚀速度。

判定条件：许可最低流速、许可最高压力、许可最大拉伸应力、许可最大剪切应力、许可最大振动应力、许可最小壁厚、安全使用时间

(2)排砂系统结构模型建立

如图4所示排砂系统安装示意图(实施例)，此实施例结构模型为二维布局，为现场最简单的排砂系统(无纵向变化)。

(3)计算载荷参数

载荷参数包括：流速、流动压力、拉伸力、剪切力、振动力、壁厚、可冲蚀时间。

(4)安全性判定

①如流速＞许可最低流速，则安全，否则存在砂堵风险；

②如流动压力＜许可最高压力，则安全，否则存在内压破坏风险；

③如拉伸力＜许可最大拉伸力，则安全，否则存在拉伸破坏风险；

④如剪切力＜许可最大剪切力，则安全，否则存在剪切破坏风险；

⑤如振动力＜许可最大振动力，则安全，否则存在振动破坏风险；

⑥如壁厚＜许可最小壁厚或可冲蚀时间＜安全使用时间，则安全，否则存在冲蚀破坏风险。

(4)判定结果

①如果判定结果均安全可控，则显示排砂系统安全可控(见图7)，并计算每项判定项的对应安全系数。

②如果判定结果均存在不安全项，则显示不安全项，并分析提出改善约束条件或改进系统结构的改进建议，确保排砂系统安全可控。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。