欠平衡井底压力采集系统的研制与应用

在欠平衡钻井、空气或泡沫钻井中,当钻井液含有多相流时会出现井底压力不清楚、地层压力预测误差较大、欠平衡井底负压值控制不准确等问题。通过在三开欠平衡井段的现场试验,实测出钻井过程中在井底存在多相流时的井底压力,发现理论计算误差在10%左右,在有气侵的情况下误差高达13%,为此,提出一种利用实测井底压力准确计算地层压力的新方法,完井实测地层压力证明了该理论计算的准确性。它能准确计算出井底负压值以及环空钻井液平均密度的大小,合理确定后续欠平衡钻井的钻井液密度,从而发展和完善了欠平衡钻井井底压力控制技术,实现了欠平衡钻井数据采集分析的定量化、标准化和自动化。     

欠平衡钻井井底压力控制技术

在欠平衡钻井过程中,井底压力控制技术是其关键技术之一,为准确掌握井底压力的大小,提高井底负压控制精度,开展了3项关键技术研究。首先利用在钻井过程中随钻测量起钻后地面回放的方法,自行研制开发出能够抗180℃高温、具有抗震功能的测量仪器;其次,在原有模型基础上,利用实测数据进行分析,考虑固相和多相流加速度压降的影响,研制开发了流钻欠平衡钻井环空多相流井底压力的计算模型,并推导出机械钻速影响井底压力增量的计算公式;最后,为验证模型精度,开发了钻井监测与分析计算软件,软件计算结果与实测数据对比,误差小于3%。研究表明,3项技术可提高井底压力计算和控制精度,为欠平衡钻井设计计算与精确控制提供了理论依据和实用数据。     

欠平衡钻水平井全井段气液两相流模型研究

为了给欠平衡钻水平井技术提供工程设计依据，根据气液两相流研究方法在欠平衡钻井中的应用评价结果，利用环空及圆管内的气液两相流力学研究成果，建立了欠平衡钻水平井全井段气液两相流模型，用数值求解方法求解了该模型，并通过现场测量数据和试验数据验证了该模型的预测结果。该欠平衡钻井模型能模拟欠平衡钻水平井的全过程，预测欠平衡钻井过程中井底压力变化规律，对欠平衡钻井环空及钻柱内压力的预测精度在5%左右，能够满足欠平衡钻井工程设计的要求。该模型为欠平衡钻井井底压力预测及控制提供了理论依据，保证了欠平衡钻井的成功实施。     

气液两相流压降模型在欠平衡钻井中的应用

分别利用Hasan kabir和Ansari气液两相流压降模型，分析了欠平衡钻井过程中的井筒压降问题，建立了欠平衡钻井流型判别及压降计算的数学物理模型，并用FORTRAN90进行了编程计算，模拟了欠平衡钻井过程。通过分析井口回压、注气量以及注液量等欠平衡钻井参数发生变化对井底压力的影响，确定了欠平衡钻井井底压力控制方法。理论计算结果与实验数据对比分析表明，Hasan－Kabir预测压力的相对误差在10%以内，Ansari的相对误差在5%以内。因此，建议在欠平衡钻井设计中应用预测精度较高的Ansari方法。     

气液两相流循环温度和压力预测耦合模型

为保证欠平衡钻井安全钻进,需要给欠平衡钻井设计提供井筒温度和压力分布等基础数据。基于气液两相流钻井液循环时的流动特征和井筒与地层的传热机理,建立了适用于欠平衡钻井预测气液两相流钻井液循环温度和压力的耦合模型,给出了模型的离散方法和求解方法。在模型的求解过程中,考虑了温度和压力对气相（空气、氮气）的密度、比热、比焓、动力黏度、热导率等热物性参数的影响及热源对气液两相流钻井液温度场的影响,保证了气液两相流循环温度和压力的计算精度。基于大庆油田升深2-17井充氮气欠平衡钻井试验数据,利用气液两相流钻井液循环温度和压力预测耦合模型对欠平衡钻井时的井底温度和压力进行了计算,计算结果与实测结果吻合程度高,验证了模型的有效性。对比分析了以地温、地面温度作为气液两相钻井液温度和考虑井筒换热3种情况下的环空压力剖面特征,为欠平衡钻井设计及控压钻井设计和施工提供了理论基础和技术支持。     

欠平衡钻井环空岩屑对井底负压的影响

对井下压力实测数据进行了分析,建立了环空岩屑影响井底压力增量的计算方法并编制计算软件,分析结果表明,环空岩屑对井底负压的影响很大。在4000~5000m的深井中,机械钻速高达10m/h时,环空岩屑引起的井底压力增量高达3~4MPa,甚至更高。因此,在深井井底负压值设计范围较小(0~2.5MPa)时进行井底负压控制,应该充分考虑环空岩屑对井底负压值的影响,针对不同情况采用不同的控制方法。该方法应用于大庆油田欠平衡设计计算和实钻,精确控制了井底负压,提高了大庆油田欠平衡钻井井底负压控制水平。     

多相流井筒压力分布规律探讨

井底负压值控制是欠平衡钻井技术的基础,而井底负压值的大小与环空多相流的有关压力计算有关.根据多相流诸多变量参数都是井深函数的特点,提出了微分井眼空间,然后在这微分段内假设计算参数不变进行井底压力计算,建立了相应的数学计算模型,并用数学的方法对计算模型的正确性进行了验证.根据该模型编制的计算机软件的现场应用表明,该方法具有很强的适用性.     

井下压力温度测试技术在徐深5井的应用

针对深层欠平衡钻井存储式随钻井下压力温度测试工具和配套软件存在的问题，进行了改进与完善，解决了井下仪器的振动问题，延长了钻井过程中的有效工作时间，改进后的工具在徐深5井进行了应用，该井是大庆油田深层加快勘探的一口重要的欠平衡预探井。通过应用，实测出该井第三次开钻井段钻井过程中不同情况下的井底压力、温度。利用关井求压时的井底压力变化能够准确地计算出地层压力、井底负压值的大小，对比设计井底压力值，为科学指导下步钻井，精确控制井底负压值提供依据。利用井底压力的实测值与理论值之间的误差分析表明，由于岩屑的影响造成井底压力增加，导致井下出现过平衡，影响欠平衡钻井的效果。同时，还介绍了实测井底压力温度数据在环空岩屑携带的情况、实际钻头压降大小和井下流体温度变化等方面的应用。     

深井欠平衡环空岩屑对井底压力影响的研究

大庆油田在长垣东部利用深井欠平衡钻井技术进行深层气勘探，取得了较好的勘探效果，及时发现和保护了气层，但许多欠平衡井都是在接单根后效才能点火成功，表明在钻进过程中井底未能达到欠平衡状态。通过对井底压力影响因素和深层欠平衡钻井情况的分析，提出了环空岩屑影响井底压力的计算方法并编制计算软件，计算表明实际钻井过程中环空岩屑对井底压力的影响很大，在5000 m左右的深井低密度欠平衡钻井中，环空岩屑影响井底压力高达3~4 MPa，甚至更高，比大庆油田深井欠平衡钻井动负压值控制范围0~2 MPa要高很多，造成井底过平衡，影响勘探效果，对储层产生伤害。因此，在深井欠平衡钻井设计以及现场施工中应充分考虑环空岩屑对井底压力的影响，以提高欠平衡钻井井下负压控制水平。     

欠平衡钻井期间地层流体流入规律研究

为了从理论上研究欠平衡钻井过程中的一些问题,以便更好的控制和发展欠平衡钻井.本文研究了地层流体流入井筒的规律,建立了欠平衡钻井期间井底流压计算方法,指出了假设油气层厚度不变下模拟欠平衡钻井期间地层流体流入井筒的理论有较大误差.给出了在欠平衡钻井期间,随着井眼不断加深,油气藏暴露面积不断加大,地层流体流入井眼的参数计算方法.在此基础上,提出了在欠平衡钻井期间,保持井底负压差钻井会因地层流体流入井筒过多而造成控制困难,而根据地层渗透率与钻速,采用恒地层进气量钻井将是安全的.并得出运用地层气体流入模型与井底流压计算模型可以计算与控制恒地层进气量的结论.     

煤层气水平井充气欠平衡钻井注气工艺研究

充气欠平衡钻井是目前煤层气钻井中最常用的技术手段,如何在控制注气压力,注气量以及排量等参数的情况下,使得钻进时既能满足携岩要求,又能有效地控制井底压力是一个难题。应用FLUENT软件,通过对不同的注气压力、注气量以及排量条件下的计算模拟,得出U型井直井造穴处的压降规律,并基于此,优选确定出一套合理的工艺参数,确保在充气欠平衡钻井过程中,既能形成期望流型、满足携岩要求,又能有效控制井底压力。文中通过一口井的实钻数据建立了分析模型,并进行了计算模拟,最终优化出注气压力、注气量和泵排量等参数,总结出其变化规律。该研究成果对保障钻井作业安全及优化钻井作业有一定的借鉴作用。     

欠平衡钻井正气举过程井筒瞬态流动数值模拟

正举法气举作业的实施效果直接决定着欠平衡钻完井施工的成败,特别是气举过程中的井下压力动态演变,关系到整个作业过程中的井控安全。正举法气举作业的实质是在井下停止循环的初始条件下氮气连续气举作业,井下流体由静止状态到气体穿越液体滑脱至井口的不同于常规稳态流动的瞬态气液两相流动。针对这一特殊流动研究,完成了停止循环开井条件下气举时井下瞬态气液两相流动特征参数变化数值模拟计算方法和数学求解模型的建立,通过实际井数值计算连续气举时井下瞬态气液两相流特征参数变化得出规律性认识,如氮气沿井眼滑脱上升运动速度逐步加大、顶出钻井液随时间的增多、井底流压瞬时波动在初始阶段最大等。研究成果丰富了欠平衡氮气钻完井施工正举法气举作业的井筒流动模型体系和压力控制方案,增强了该特殊流动规律的认识,为井控安全提供了理论保障。     

稳定泡沫钻水平井井筒稳态流动的解析模型

稳定泡沫是一种特殊的钻井流体，适用于低压易漏地层和枯竭储层的欠平衡钻井，具有减少漏失和保护储层的功能。利用稳定泡沫钻斜井或水平井时，为保持井眼稳定且利于井底压力控制，准确计算井底循环压力至关重要。 借鉴国外学者的实验数据，分别对稳定泡沫流体流变性模型、井筒内泡沫流型的变化规律和稳定泡沫的稳态流动模型进行了研究，并推导出流动压力模型的解析解。结合吐哈油田牛102井泡沫钻水平井数据进行模型的实例计算，结果表明该模型计算精度较高。     

欠平衡钻井多相流动理论与计算分析

把欠平衡钻井循环流动分为钻柱内向下流动和环空向上流动，按气、液两相流动问题研究该混合体系流动过程，建立新的理论模型。采用时间有限差分离散，空间有限体积离散的方法求问题的数值解。选取中国欠平衡钻井的常见井眼尺寸和常用的注入气、液速度范围，进行数值计算，分析得出，流动过程的流动型式主要为泡状流和段塞流，环空接近地面的井段有时为搅动流。举例分析在环空和钻柱内的稳定流动过程中，随井深增加，压力、含气率、多相流体密度等的变化规律；在环空流动过程中，随井深增加，斜井段与相应垂直井段的压力值不同。分析了在关小出口节流阀开度的不稳定流动过程中，环空流动压力值沿井深增加的变化过程；用实际井欠平衡钻进的随钻环空压力测量数据与本文理论模型及求解方法计算所得结果比较表明：计算结果能很好地反映钻进过程中环空压力的变化规律。图6表2参12     

恒进气量欠平衡钻井方式气侵特征及井口压力控制研究

欠平衡钻井打开储层后,随着打开储层的厚度不断增加,储层进入井筒中的气体不断增加,引起井口含气率剧烈变化,从而造成井底压力的失控。计算了欠平衡钻井期间不同井深含气率的变化,分析了不同进气量和井口回压对井筒含气率的影响;在考虑井口回压对井底压力增加值影响的情况下,得到欠平衡钻井打开储层期间恒进气量时井口回压的计算方法。结果表明:井筒中的气体在井口处急剧膨胀,井口回压对井口段气体含气率影响很大,对500 m以下井段含气率影响很小;在恒定进气量下,打开储层厚度越大,井口回压越大,井筒恒进气量越小,需施加的井口回压越大。     

欠平衡钻井欠压差的确定方法研究

欠平衡钻井时 ,如果负压差不合理 ,压差过大 ,地层流体产出速度很高 ,对于速敏感性地层 ,极易引起储层内部微粒运移 ,堵塞孔喉 ,导致近地带的储层伤害 ;对于应力敏感性强的储集层 ,过低的井底压力降低了近井地带地层的孔隙流体压力 ,导致裂缝趋于闭合。同时 ,井壁失稳的可能性也大。反之 ,如果压差过小 ,井底的压力波动 ,又容易超过欠平衡压差量 ,形成瞬时正压差或周期性的正负压差 ,造成对储集层的伤害。因此 ,进行欠平衡压差设计 ,选择恰当的压差量 ,是欠平衡钻井设计时应考虑的主要问题。     

欠平衡钻井油气藏与井筒耦合模型

利用流体力学的质量守恒方程、动量守恒方程和地层的渗流力学方程,建立了欠平衡钻井油气藏与井筒耦合流动模型,并利用有限差分方法对模型进行了求解.所建立的欠平衡钻井油气藏与井筒耦合模型能模拟主要油气藏类型欠平衡钻井过程中油气藏流体与井筒内流体的耦合流动,模拟地层油、气的流入对井底压力的影响.欠平衡钻井过程中,不同类型油气藏和井筒流体耦合流动时地层油/气进入动态不同,地层油/气的进入对井底压力的影响规律也有很大区别.计算结果表明地层油/气的流入可以使井底压力下降0.03～2.50 Mpa,因此在欠平衡钻井设计中,应充分考虑产层段油/气流入对井底压力的影响.     

超高温地热井泡沫钻井井筒压力剖面计算方法

肯尼亚OLKARI地区地热井地层温度高达350 ℃,主要采用泡沫钻井,然而其低压和超高温的特点可能造成泡沫流体相态变化,目前尚没有针对相变条件下泡沫钻井井筒压力剖面的计算方法。为此,利用流体高压物性分析仪,绘制出泡沫钻井液“p - T"相图,并指出了钻井液相态变化的规律。进而应用现有的欠平衡钻井流体流动模型,建立了一套适应相变的钻井工况参数计算模型。最后,利用OLKARI地区某地热井的温度、压力资料,计算了该口井的流体流动参数,得到了该井井筒中的泡沫相态分布规律。通过井筒内流体压力的计算,可以更准确地了解工作液的工作状态,为预防井下复杂事故的发生提供了理论依据。