水平井筒变质量气液两相环空雾状流压降的分析模型

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别,可以预知常规水平管流压的压降计算方法对于井筒流动来说就需要修正或扩展．考虑管壁存在入流或出流对于环空雾状流流型压降的影响,文中对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程,得到水平井筒气液两相变质量流动环空雾状流流型的压降计算方法。     

水平井筒变质量气液两相环空雾状流压降的分析模型

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别，可以预和常规水平管流压的压降计算方法对于井筒流支说就需要修正或扩展。考虑管壁存在入流或出流对于环空雾状流流型压降的影响，文中对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程，得到水平井筒气液两相变质量流动环空雾状流流型的压降计算方法。     

气侵期间环空气液两相流模拟研究

钻井过程中地层气体一旦侵入井眼,环空中会形成气液两相流,如果控制不及时或不当,极有可能产生井喷。为研究气侵期间环空中气液两相流的流动规律,以及时控制气侵及防止井喷的发生,以空气—钻井液为介质,分析了垂直井眼环空中气液两相流流型,建立了环空流场的物理流动模型,采用标准k-ε模型对紊流场进行模拟计算,在模拟条件下,得出了气侵发生前后环空气液两相流的流动规律与气侵期间井眼流体实际流动情况相符,并给出了气侵发生后,流体流型转变、气体运移速度及气体在环空空间上的分布规律。计算结果对井控计算机模拟研究具有一定的指导意义。     

基于实验研究的水平井气液两相流流型判别修正

流型判别是研究气液两相流流动规律的重要内容。采用实验数据与理论分析相结合的方法,通过对常规管道和变质量管道Brill气液两相流流型判别方法的修正,建立了新的适用于海上水平井气液两相流流型判别方法。实验结果表明,修正的Brill流型判别方法与实验数据吻合较好,可为海上水平井气液两相流流型判别提供参考。     

水平井筒气液两相分散泡状流流动模型

通过对分散泡状流流型中的分散气泡进行受力分析,考虑了管壁入流或出流的影响,得到水平井筒气液两相变质量流动分散泡状流向间歇流流型转变的判别方法。并分别应用气、液两相质量守恒方程和动量守恒方程,考虑管壁存在入流或出流对于分散泡状流流型压降的影响,得到水平井筒气液两相变质量流动分散泡状流流型的压降计算方法。     

水平井筒中流型识别的数学方法

为了更好地进行油、气井的生产,预测水平井筒中和混合管线中油、气、水混合物多相流的动态,以机理性研究为指导,通过实验及数学方法来讨论流动型态的转变及判别.在层状流流动模型的基础上,得到了水平管中气液两相流流型转变的部分判别准则.研究表明,在一定的范围内,该准则具有良好的流型识别能力,可用于描绘水平管中或水平井筒中气液两相流流型的变化规律,来指导油、气井的生产;同时,也为以后的研究提供了重要的理论依据.     

控压钻井停止循环期间垂直环空连续气侵机理研究

为了提高控压钻井精度、反馈速度,确保井筒物质平衡及钻井安全性,有必要深入开展停止循环工况下的气液两相瞬态流动规律研究。基于计算流体动力学方法,应用VOF方法对停止循环期间垂直环空连续气侵的机理进行了数值模拟研究,得出了气侵发生后环空流体的运动特性。结果表明,气侵量越大,被顶出的钻井液体积越多、井底压力越小,但当气相的能量不足以将剩余的钻井液携带出井口时,井筒混相流体的流动由瞬态变为拟稳态的零液量流动,与常规气液两相流动一般性规律不同,零液量流动摩阻压降为负值。     

水平井筒变质量气液两相流动模型

根据水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别,可知常规水平管流的流型转换标准用于井筒流动需要进行修正或扩展。根据气液两相界面波的迅速成长机理,考虑了管壁存在入流或出流对于分层流向非分层流流型转变的影响,在Taitel Dukler的研究基础上,得到水平井筒气液两相变质量流动分层流向非分层流流型转变的判别方法。通过对分散泡状流流型中的分散气泡进行受力分析,考虑了管壁入流或出流的影响,得到判别水平井筒气液两相变质量流动分散流向间歇流流型转变的一种新方法。     

倾斜井筒气液两相流的模型化方法

倾斜井筒气液两相流动是井筒举升方式优选和生产优化的基础,也是长期以来在理论上没有得到很好解决的一个问题,不能简单采用垂直井筒加修正系数的方法处理。分析国内外研究现状,认为倾斜井筒气液两相流动的流型应分为泡状流、分散泡流、段塞流、搅动流、环流和雾流,综合前人成果给出了各流型在倾斜井筒的存在条件。提出了雾流的特点及其转变机理、泡状流的新管径条件以及段塞流、雾流压降新的计算方法。通过某油田28口油井35井次的井底流压计算结果的应用表明,绝对平均相对误差7.093%,与计算斜井压降的常用的Beggs-Brill和Ansari模型相比,误差较小,能够满足工程计算的需要,且不存在半?验模型的收敛性和区域性的问题。所建立的倾斜井筒气液两相流动模型具有应用价值。     

充气控压钻井关键工程参数研究

充气控压钻井技术将充气欠平衡钻井和控压钻井技术结合,主要应用于窄密度窗口和对 储层保护要求较高的低孔、低渗地层。结合充气钻井工艺特征,考虑注气初期井筒中气体运移 规律,建立了环空井筒多相流瞬态模型,并将计算值与实验测量值进行对比,验证了该模型的 稳定性和精度。模拟了截面含气率随井深变化规律,以及排量、注气量和井口回压调整时井底 压力动态变化规律。结果表明：带压１～２ＭＰａ 钻进可以大幅改善近井口处两相流流型,有利于 安全高效作业;在井筒压力控制对应的工程参数中,调整井口回压的时效性最高,排量其次,注 气量最差。研究结果为充气控压钻井中作业参数选取提供了理论依据。     

控压钻井多相流温度场预测

控压钻井钻遇储层产生气侵时,会使井筒内气液两相流在不同井深、温度条件下呈现出不同的流态,从而影响环空的压力分布。为此,基于井筒传热方程和能量方程,建立起了控压钻井井筒多相流温度场计算模型,并利用循环迭代法和数值分析法求解钻柱内和环空流体温度剖面。用实例分析其随循环时间、钻井液密度及钻井液排量增加而减小的规律;计算结果与PWD实测数据误差小于2.87%,能够满足控压钻井数据计算及现场施工需要。     

Optimization of Required Volumetric Flow Rates for Aerated Mud Underbalanced Drilling

Abstract

In the aerated mud underbalanced drilling, the bottomhole pressure is intentionally reduced by reducing the hydrostatic mud column due to the two-phase flow occurrence in the annulus. However, in the field, it is incorrectly assumed that the aerated mud can be treated as a homogenous mixture of liquid and gas, neglecting the slippage between the two phases and, thus, the flow pattern and its effect on pressure drop calculation. Accurate prediction of bottomhole pressures and optimal flow rates requires the modeling of the complex flow mechanisms involved in aerated mud flow, which includes flow pattern prediction and slip liquid hold-up. The objective of this study is to develop a simulation tool to optimize the gas and liquid volumetric flow rates using bottomhole pressure and borehole stability as the selecting criterion. The investigation of the drill pipe size effect on the optimal gas and liquid flow rates was also part of this study. A vertical, two-phase, flow comprehensive mechanistic model is modified and incorporated in the simulator to predict the pressure drop in the annulus according to the existing flow pattern. The modified model predicts the annulus bottomhole pressure and the corresponding optimal gas and liquid flow rates for various drill pipe diameters. The simulator was validated using field data, and the results show a fairly accurate match. In conclusion, the optimization of required flow rates for aerated mud drilling was achieved by the developed simulator, which considers flow pattern occurrence in the pressure drop calculation. Furthermore, the drill pipe size was found to be an influential parameter for flow rate optimization.     

变梯度控压钻井井控过程中井口回压变化规律

为了准确掌握变梯度控压钻井井控过程中井口回压的变化规律,采用考虑密度突变的井筒气液两相变质量流动模型,分析了基于井底恒压的变梯度控压钻井井控过程中井口回压的变化,探讨了不同因素变化对井口回压的影响,并开展了最大井口回压影响因素敏感性分析。研究发现：变梯度控压钻井在控制井底压力恒定时井口回压的调节受气体膨胀、分离器位置处液相密度突变、套管鞋及海底泥线处环空变径等多个因素综合影响,其变化规律更加复杂;其他条件不变时,分离器与钻头间距越小、轻/重质钻井液密度差越大、地层压力越大、循环排量越小,循环排气过程中的井口回压越大;对于最大井口回压而言,地层压力、轻/重质钻井液密度差、分离器与钻头间距、循环排量的比变异系数值依次减小,敏感性程度也随之降低。研究结果可为变梯度控压钻井井控过程中的井口回压准确预测和井筒压力精细控制提供理论支撑。     

控压钻井回压压力波在井筒中传播的速度和时间规律

控压钻井过程中当监测到井底发生气侵尤其是溢流时,通常通过调节回压泵和节流管汇阀门给井筒施加回压来重新构建井底压力平衡。但气侵后回压压力波到达井底的时间有一个明显的滞后,如仍认为井口回压瞬间加载到井底,由此计算得到的井筒相关参数与实际井筒流动参数必然存在着较大的误差,有可能造成井控失效甚至引发井喷。为此,基于整体平均气液两相流模型,以回压压力波在井筒中传播速度和时间为研究对象,建立了环空气液两相流动的压力波传播方程,并引入气液相间作用力对方程组进行耦合求解。计算结果表明:(1)压力波波速随钻井液密度的增加而增大,随含气率、虚拟质量力系数的增加而呈现出减小的趋势,先急剧变化,之后变化幅度缓慢;(2)当含气率大于0.10或虚拟质量力系数大于0.20时,气液相间动量已充分交换,压力波波速的减小幅度变缓,趋于稳定。以四川盆地蓬莱9井为例,计算得到压力波单次传播的平均时间约为50 s,4个回合的总传播时间约为200s,占系统控制响应总时间的67%以上。结论认为,采用该方法计算得到的压力波在环空中的传播速度及传播时间更加符合实际井况,可大幅度提升MPD钻井系统控压响应时间的准确性和自适应节流阀控制的精度。     

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欠平衡钻井是开发低压低渗透储层和枯竭油气藏非常有效的钻井技术。它不但可将地层损害减小到最低程度，而且在钻井过程中有机会对储层进行评价和描述，在钻遇复杂地层中可防止漏失和地层压差卡钻，并能大幅度提高钻速。欠平衡钻井循环系统是一个多相流体流动的非稳定压力系统，它受注入流体气液比，储层流体二次充入，地面回压等因素控制。为此，分析了这个多相流循环系统设计中应考虑的一些主要问题。并通过井底压力模拟计算表明：循环系统在静压控制区工作时，气相注入速率的微小变化，将引起井底压力突变，该区为循环系统不稳定区，欠平衡钻井操作应避免在该区工作而引起井眼失稳和过平衡压力。循环系统在摩阻控制区工作时，对气相注入速率和地层流体进入系统，井底压力变化平缓，因此该区为循环系统稳定区，欠平衡钻井作业在该区能保证设计负压差值。但随着气相注入速率的增加，井底压力增加，此时应控制氮气注入速率，节约钻井成本。     

控压钻井气侵后井口回压的影响因素分析

控压钻井过程中,实时控制井底压力主要靠调节和控制井口回压。通过分析控压钻井中的瞬变过程,建立了各过程中的多相流计算模型,并利用有限差分法对模型进行了求解。通过仿真算例分析了采取控压钻井时井口回压随时间的变化规律,讨论了返出钻井液增量、气相渗透率、排量、钻井液密度、初始井底压差、井深和黏度等对井口回压的影响规律。结果表明:返出钻井液增量越大,井口施加的回压也越大;在返出钻井液增量一定的条件下,气相渗透率、排量、钻井液密度、初始井底压差、井深和黏度对井口回压均有影响,气相渗透率越大、排量越小、钻井液密度越小、初始井底压差越大、井越深、钻井液黏度越小,气体到达井口时需要施加的回压峰值也越大。      

环空充气钻井工艺设计及参数分析

针对传统寄生管充气钻井工具在环空中形成的气相分布不均匀的弊端,设计了一种新型环形气体均布寄生管充气钻井工具。根据传热学、热力学和垂直气液两相管流理论,考虑注入气体物性随井筒温度压力变化,对环空充气工艺参数进行优化分析。分析结果表明,环空压力随注气量增大先急剧降低后逐渐升高,注气量通常选择在稍大于临界点处对应的气体流量;在静压控制区环空压力变化幅度明显大于井口回压变化,环空压力变化敏感;在摩擦控制区随井口回压变化,环空压力变化幅度较小,更加缓和,易于调节。     

气体钻井井眼排液工艺技术及应用

为了提高气体钻井作业时效,保障气体钻井作业快速安全进行,在常规气体钻井井眼排液方法(气举排液法和充气排液法)的基础上,提出了一种新方法——交替排液法。气举排液只使用气体注入设备空压机和增压机,充气排液和交替排液还需要使用液体注入设备钻井泵。介绍了井眼排液原则、钻具组合、降低井筒液柱压力的作业方式和井眼排液施工工艺;实例分析了气举排液法、充气排液法和交替排液法的现场应用效果。对比分析表明,浅井排液中,可采用一次性气举排液;深井排液中,采用分段气举排液耗时达30多小时,采用充气排液或交替排液仅需几小时,其中交替排液法时效更高,值得推广应用。      

控压欠平衡钻井井口回压控制技术

控压欠平衡钻井揭开储层后,随着揭开储层的厚度不断增加,进入井筒中的气体量会不断增多,容易引起井筒压力的失控,形成复杂事故。为此,采用气液两相流理论计算了气体在井筒不同深度处的含气率变化,通过改变边界条件,分析不同的进气量和井口回压对井筒含气率的影响;考虑井口回压抑制井筒环空的段塞流中气体膨胀,进而对井底压力产生一个增加值影响的情况下,得到控压钻井钻开储层期间恒进气量时的井口回压计算方法。结果表明：控压欠平衡钻井的井口回压对井口位置气体膨胀影响较大,施加的井口回压值应考虑井筒含气率变化引起的静液柱压力的变化;为保持井底进气量一定,揭开储层厚度越大,需要施加的井口回压就越大;而揭开储层厚度达到一定值后,井口回压趋于稳定。该井口压力控制方法得到现场应用的验证,能够对控压欠平衡钻井井筒压力控制提供理论支撑。     

寄生管充气钻井环空多相流流动特性研究

针对寄生管充气钻井技术的特征,选用Hasan多相流计算模型,确定了井筒环空的流型和压降计算方法,给出了编程求解的计算流程。利用新疆某充气欠平衡井的数据进行计算,对井筒压力、流型变化、含气体积分数随注气量、钻井液排量、井口回压的变化规律进行了研究。在寄生管充气钻井的过程中,井筒环空压力随注气量的增大而减小,随钻井液排量的增大而增大,随井口回压的增大而增大。井筒环空中的含气体积分数随注气量的增大而增大,随钻井液排量的增大而减小,随井口回压的增大而减小。井筒环空中的流型转换点随注气量的增大而下移,随钻井液排量的增大而上移,随井口回压的增大而上移。