气体钻井随钻分析地层岩性的方法

摘要

本发明提供了一种气体钻井随钻分析地层岩性的方法，可对气体钻井返出的岩屑进行快速准确分析。该方法主要包括确定岩屑迟到时间，获取岩屑，现场X射线衍射分析并判断岩性。该方法可在钻井现场快速获取岩层中矿物组份的数据。与现有技术相比，不仅显著缩短了岩屑样品分析周期，使岩性判断极为快速，而且提高了岩性判断的准确性。并且，上述方法可实现随钻井进度实时分析，实时得出地层岩性剖面，可将岩性判断马上反馈给钻井现场技术人员，使现场技术人员可根据岩性判断及时采取相应措施避免钻井事故的发生。

主权项

气体钻井随钻分析地层岩性的方法，其特征是：确定岩屑迟到时间；根据岩屑迟到时间获取对应井深的岩屑，其中，岩屑获取是按钻井深度由浅至深每钻1至2米获取一次岩屑；每次岩屑获取后在钻井现场对岩屑进行X射线衍射分析获得岩屑的X射线衍射数据，通过X射线衍射数据在钻井现场判断岩性：先根据X射线衍射数据获得X射线衍射图谱，然后将X射线衍射图谱与矿物组分数据库进行对比获得岩屑的矿物组份，根据获得的矿物组份判断岩性；所述岩屑迟到时间通过以下模型计算确定：(1)气体钻井流动理论模型：①气体在钻杆内的流动方程：质量守恒方程：$\frac{\partial \rho }{\partial t}+▿·\left(\mathrm{\rho V}\right)=0,$动量守恒方程：$\rho \frac{\mathrm{DV}}{\mathrm{Dt}}=\mathrm{\rho g}-▿p+▿·2\mu \left[{ϵ}_{\mathrm{ij}}\right]+▿(\lambda ▿·V),$能量守恒方程：$\rho \frac{\mathrm{De}}{\mathrm{Dt}}=▿(k▿T)+\phi -p▿·V,$②气体钻井环空流动方程：气相：$\frac{d(A·{\phi }_g·{\rho }_g·v_g)}{\mathrm{dx}}=0,$固相：$\frac{d(A·{\phi }_s·{\rho }_s·v_s)}{\mathrm{dx}}=0,$混合相：$\frac{d}{\mathrm{dx}}[A·({\phi }_g·{\rho }_g·v_g+{\phi }_s·{\rho }_s·v_s)]=0,$③环空动量方程：气相：$\frac{{\mathrm{dv}}_g}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{Q_{\mathrm{mg}}}\frac{d\left(p_{g}A\right)}{\mathrm{dx}}-\frac{f_{\mathrm{Re}}}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q_{\mathrm{mg}}}(\frac{v_g}{v_s}-1)-\frac{f_g}{2}\frac{v_g}{D}-\frac{g}{v_g},$固相：$\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{Q_{\mathrm{ms}}}\frac{d\left(p_{s}A\right)}{Q_{\mathrm{ms}}}-\frac{f_{\mathrm{pe}}}{t_v}(\frac{v_g}{v_s}-1)-\frac{f_s}{2}\frac{v_s}{D}-\frac{g}{v_s},$混合相：$Q_{\mathrm{mg}}\frac{{\mathrm{dv}}_g}{\mathrm{dx}}+Q_{\mathrm{ms}}\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dx}}=-A\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}-p\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dx}}-\frac{f_g}{2}\frac{Q_{\mathrm{mg}}{v}_g}{D}-\frac{f_s}{2}\frac{Q_{\mathrm{ms}}{v}_s}{D}-{\rho }_m\mathrm{Ag},$④环空能量方程：气相：$\frac{{\mathrm{de}}_g}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_{\mathrm{pe}}{v}_g}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q}{(\frac{v_g}{v_s}-1)}^2-\frac{f_g}{2}\frac{v_g^2}{D}-\frac{c_s}{v_s}\frac{N_{\mu }}{2}\frac{T_g-T_s}{t_T}-g,$固相：$\frac{{\mathrm{de}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_{\mathrm{pe}}{v}_s}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q_{\mathrm{mg}}}{(\frac{v_g}{v_s}-1)}^2-\frac{f_s}{2}\frac{v_s^2}{D}-\frac{c_s}{v_s}\frac{N_{\mu }}{2}\frac{T_g-T_s}{t_T}-g,$混合相：$Q_{\mathrm{mg}}\frac{{\mathrm{de}}_g}{\mathrm{dx}}+Q_{\mathrm{ms}}\frac{{\mathrm{de}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_g}{2}\frac{Q_{\mathrm{mg}}{v}_g^2}{D}-\frac{f_s}{2}\frac{Q_{\mathrm{ms}}{v}_s^2}{D}-g{Q}_{\mathrm{mgs}},$其中，g──重力加速度，m/s²；μ＝μ(p、T)──粘性系数，mPa·s；λ＝λ(p、T)──体膨胀粘性系数；k＝k(p、T)──热传导系数；p＝p(x,y,z,t)──压力函数；ρ＝ρ(x,y,z,t)──密度函数；v＝v(x,y,z,t)──速度矢函数；e＝e(x,y,z,t)──内能函数；φ＝φ(x,y,z,t)──耗散功；T＝T(x,y,z,t)──温度函数；$\left[{ϵ}_{\mathrm{ij}}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\partial v}_1}{{\partial x}_1}& \frac{1}{2}(\frac{{\partial v}_2}{{\partial x}_1}+\frac{\partial v_1}{{\partial x}_2})& \frac{1}{2}(\frac{{\partial v}_1}{{\partial x}_3}+\frac{{\partial v}_3}{{\partial x}_1})\\ \frac{1}{2}(\frac{{\partial v}_2}{{\partial x}_1}+\frac{{\partial v}_1}{{\partial x}_2})& \frac{{\partial v}_2}{{\partial x}_2}& \frac{1}{2}(\frac{{\partial v}_3}{{\partial x}_2}+\frac{{\partial v}_2}{{\partial x}_3})\\ \frac{1}{2}(\frac{{\partial v}_1}{{\partial x}_3}+\frac{\partial v_3}{\partial x_1})& \frac{1}{2}(\frac{\partial v_3}{\partial x_2}+\frac{\partial v_2}{\partial x_3})& \frac{\partial v_3}{\partial x_3}\end{array}\right]$──应变张量；x、y、z为三维坐标系的三个坐标轴，其中z代表井的轴向，x和y代表与井的横截面上的两个相互垂直的方向；t为时间；A为环空截面积；Q为总流量；Qms为岩屑的质量流量；Qmg为气体的质量流量；Qmgs为环空中气体与固体颗粒混合物质流量；Vg为岩屑速度；Vs为气体速度；f为摩阻系数；f_RE为气动阻力修正系数；f_PE为岩屑运动阻力修正系数；t_v为速度松弛时间；Cs为岩屑浓度；Nμ为努赛尔数；t_T为温度松弛时间；(2)井内温度动态分布方程：井内流体流动与地层传热的三维瞬态模型如下：$\left\{\begin{array}{c}\frac{\partial \rho }{\partial t}+▿·\left(\mathrm{\rho V}\right)=0\\ \frac{\partial }{\partial t}\left(\mathrm{\rho V}\right)+▿·\left(\mathrm{\rho VV}\right)=\mathrm{\rho f}+▿·\tilde{P}\\ \frac{\partial }{\partial t}\left({\mathrm{\rho c}}_{p}T\right)+▿·\left({\mathrm{\rho c}}_p\mathrm{TV}\right)=▿·[\frac{\lambda }{c_p}▿·\left(c_{p}T\right)]+S_T\end{array}\right.,$S_T为能量方程的源项，其具体表达式为：$S_T=\mathrm{\rho T}\frac{{\mathrm{Dc}}_p}{\mathrm{Dt}}-▿·(\frac{\lambda }{c_p}T▿·c_p)+\tilde{T}▿V+q_s,$其中：ρ——介质密度，kg/m³；V——钻井液在井筒内的速度矢量，m/s；f——单位质量的质量力矢量，N；——钻井液在井筒内的流动的应力张量；——钻井液在井筒内的流动的偏应力张量；c_p——介质定压比热容，J/(kg·K)；λ——介质导热系数；q_s——单位体积计算域内热源，J/m³；t———时间，s；T———温度；(3)环空颗粒运动方程：颗粒运动的矢量方程：${\rho }_s\frac{\pi }{6}{d}_s^3\frac{\partial \overrightarrow{V_s}}{\partial t}\frac{\pi }{4}{d}_s^2\frac{C_D}{2}{\rho }_g{(\overrightarrow{V_g}-\overrightarrow{V_s})}^2-\frac{\pi }{6}{d}_s^3({\rho }_s-{\rho }_g)\sin \alpha -\frac{\pi }{6}{d}_s^3▿p+\Sigma \overrightarrow{F},$将二维流场简化为一维流场，则矢量方程简化为下列标量方程：${\rho }_s\frac{\pi }{6}{d}_s^3\frac{\partial V_s}{\partial t}=\frac{\pi }{4}{d}_s^2\frac{C_D}{2}{\rho }_g{(V_g-V_s)}^2-\frac{\pi }{6}{d}_s^3({\rho }_s-{\rho }_g)-\frac{\pi }{6}{d}_s^3\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\Sigma F_z,$其中：$\overrightarrow{V_s}=\overrightarrow{V_s}(x,y,z,t)$—颗粒速度矢；$\overrightarrow{V_g}=\overrightarrow{V_g}(x,y,z,t)$—气流速度矢；p(x,y,z,t)—压力场；—压力梯度；—重力加速度矢，—力；ρ_s—颗粒密度；ρ_g—气体密度，p_g为气体压力，M为气体的分子量，R为气体常数8.31，T为温度，T需要根据(2)井内温度动态分布方程确定；d_s—颗粒直径；$C_D=\frac{24}{\mathrm{Re}},\mathrm{Re}=d_s|V_s-V_g|/\mu ,$μ为气体动力粘度；根据上述(1)气体钻井流动理论模型、(2)井内温度动态分布方程和(3)环空颗粒运动方程可确定岩屑的上返速度与井深的对应关系；计算迟到时间时，可将全井段分成i个微元，由于计算时划分的微元相对全井段极小,岩屑在微元内匀速运动，由此,可计算岩屑流经微元体所需的时间:${\mathrm{\Delta t}}_i=\frac{\mathrm{\Delta h}}{v_i};$然后，分别求出岩屑经过每个微元中所需时间,迭代求和即可得岩屑迟到时间t:$t=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta t}}_i.$