海上高温高压井环空ECD精细预测模型

为了准确预测高温高压井环空ECD,基于高温高压下钻井液流变性测试数据,利用多元非线性回归得到了钻井液密度和流变参数计算模型。通过将钻井液密度和流变参数计算模型与井筒传热模型耦合,建立高温高压井环空ECD精细预测模型。相比Drillbench软件计算结果,该模型更接近于实测PWD数据,误差更小。实例井计算结果表明,循环钻进过程中,下部环空温度不断降低,钻井液密度和稠度系数受温度影响不断增加,导致环空ECD不断增加;钻井液排量与地温梯度是影响环空ECD分布的关键因素,排量越大,环空压耗越大,进而环空ECD也越大;地温梯度直接影响环空温度分布,地温梯度的增加将导致环空ECD的不断降低。      

深水隔水管钻井井筒温压场耦合计算与分析

井筒温度和压力场的计算是深水钻井设计的重要内容。综合考虑温压场与钻井液性能的相互影响,建立了深水钻井井筒钻井液性能、温度和压力场耦合计算模型,并进行了求解分析。实例分析结果表明:受海水低温影响,上部井段环空温度会小于入口温度,需注意低温时天然气水合物形成带来的安全隐患;受压力和温度影响,静止时钻井液最大密度出现在海底泥线处,井底处钻井液实际密度小于井口钻井液密度,循环时井内钻井液实际密度和当量循环密度(ECD)均大于入口钻井液密度;温压场与钻井液密度耦合对ECD影响较大,钻井液粘度与温压场耦合对泵压影响较大,考虑钻井液密度和粘度影响时泵压计算误差将明显降低。     

温度对超深井非水化地层安全钻井的影响

超深井钻井中普遍存在高温高压等地质环境，钻井过程中经常发生喷、漏、卡、塌等复杂情况。为减少复杂情况发生、研究了温度对井壁稳定性的影响，探讨了井周有效应力、岩石力学性质及钻井液密度随温度变化的规律。研究发现温度变化会产生热应力，导致孔隙弹性系数变化，从而改变井周有效应力的分布；温度升高岩石力学性质逐渐变差，并有可能产生热开裂现象，从而引发井漏、井塌等复杂事故；高温高压井中压力和温度同时起作用，但温度效应更加明显，将引起钻井液当量密度降低。综合考虑以上3 个方面，认为温度对超深井地层安全钻进具有重要影响，钻井过程中应该尽量减少起下钻次数，保持钻井液循环，该研究结果可为进一步确定合理的安全密度窗口及入口钻井液密度提供依据。     

多相流全瞬态温度压力场耦合模型求解及分析

为准确掌握高温高压条件下环空多相流的流动特性,基于井筒多相流、传热学理论,充分考虑循环流体物性参数随温度压力的变化,建立了适用于深井、超深井的井筒多相流全瞬态温度压力场耦合模型,并提出了迭代求解算法,以塔里木油田某深井为例分析了井筒瞬态温度、压力耦合变化规律.结果表明:循环8 h后井底钻井液的密度由1 360 kg/m3升至1 460 kg/m3,塑性黏度由8.6 mPa·s升至13.8 mPa·s;开始循环时井底压力迅速降低,循环0.2 h时降至最低,然后逐渐升高,最后趋于稳定;井底钻井液的密度和塑性黏度随循环时间增长而增大;气侵量对井底压力的影响最大,钻井液地面密度、排量、井口回压次之,钻井液地面塑性黏度的影响最小.分析结果可为深井、超深井水力参数设计提供理论指导.      

深井钻井随钻测量压力脉冲信号传播规律研究

针对深井钻井过程中面临的随钻测量难题,从井筒钻井液流动基本控制方程出发,综合考虑壁面剪切力、重力和黏性耗散作用,提出了深井钻井随钻测量压力脉冲传播速度和衰减系数的解析计算模型。建立了水平管压力脉冲模拟试验装置,模型计算结果与试验结果吻合较好。研究表明,脉冲频率、钻井液塑性黏度、流速对传播速度和衰减系数的影响明显,较低的脉冲频率、钻井液塑性黏度、流速有利于降低压力脉冲的衰减。深井钻井中,高温高压环境下的钻井液密度动态变化对压力脉冲的传播和衰减有着不可忽视的影响,受密度分布的影响,压力脉冲频率和衰减系数沿井深变化,并随循环时间的不同在下部井段呈现出差异。     

深水高温高压井钻井液当量循环密度预测模型及应用

深水高温高压井具有井筒温度场变化复杂、钻井液物性变化大等特点,导致钻井液当量循环密度(ECD)难以准确预测。为此,根据南海某研究区深水高温高压井钻井资料,通过PVT测量仪和旋转黏度计研究了深水水基钻井液当量静态密度、流变参数与温度、压力之间的响应特征,并根据实验数据拟合经验模型参数,同时考虑温度和压力对钻井液物性参数的影响、海底增压对井筒流场与温度场的影响,对深水高温高压井ECD计算模型进行完善。研究表明:高温高压环境对水基钻井液物性有较大影响,海底增压泵排量越高,井筒内ECD越高。利用模型对南海ST362-1d井进行实例计算,ECD模型预测值与实测值平均误差仅为0.249%。该研究结果对深水高温高压井水力参数优化设计及井筒压力控制具有一定的参考价值。     

高温高压钻井液P-d-T特性及其对井眼压力系统的影响

在高温高压环境下的钻井与完井,既困难,危险性又大。文中阐述了地温梯度、入口钻井液温度、钻井液类型等因素对当量静态钻井液密度的影响;建立了高温高压井中当量静态钻井液密度的计算模型;分析了钻井液密度变化对井底静压、动压、当量钻井液循环密度和动态波动压力的影响。结果表明,利用地面测量的钻井液密度计算井下压力,只适用于浅井和中深井;对于安全密度窗口很窄的高温高压井,必须考虑井筒温度和压力变化对钻井液密度及井内压力系统的影响,才能确保高温高压井的施工安全。     

高温高压对超深井钻井液密度的影响

井眼内钻井液密度是进行各种钻井施工和设计的必要的基础数据,高温高压环境下的超深井钻井液密度不再是一个常数,而是随温度和压力的变化而变化,因此有必要对超深井钻井中高温高压对钻井液密度的影响进行研究。利用高温高压钻井液密度模拟实验装置,采用胜科1井现场配制的超深井钻井液,测量了温度、压力对超深井水基钻井液密度的影响特性,根据测量结果,建立了温度、压力影响下的水基钻井液密度预测模型。结果表明,水基钻井液密度受温度变化影响比受压力变化影响大,随着温度、压力的增大,钻井液密度降幅较大,同时,高温高压下钻井液更具有可压缩性。建立的预测模型为合理确定现场钻井液密度范围提供了一种新方法。     

高温高压气井井筒温度场计算与分析

为确保高温高压气井的安全钻井,有必要对高温高压气井的井筒温度场进行研究。考虑井筒流体与地层传热,根据热力学定律和能量守恒定律,建立了钻井液循环期间钻柱内及环空流体瞬态温度模型,分析了钻井液排量和循环时间对环空温度的影响。研究结果表明:循环温度与静温剖面的偏离程度随循环排量和循环时间的增加而增大;小排量时环空钻井液温度比排量较大时更接近于静温剖面;随着排量的增加,井底循环温度逐渐降低;在相同排量下,随着循环时间的延长,环空瞬态温度场偏离静止温度场越多,环空温度逐渐趋于稳定。基于该瞬态温度模型,结合顺北鹰1井参数,计算得到的钻井液出口温度与现场实测值很接近,相对误差均在7%以内,验证了模型的可靠性。     

双层连续管双梯度钻井井筒钻井液当量循环密度分布特征

双层连续管钻井是一种新型双梯度钻井技术,为了分析双层连续管钻井井筒ECD分布特征,研究基于双层连续管钻井工艺特点,考虑井筒温度、压力和岩屑浓度等参数影响,建立了双层连续管双梯度钻井井筒ECD计算模型,分析了钻井液排量和钻井液密度等因素对井筒ECD的影响规律。案例井计算结果表明,井筒ECD随着钻井液排量和密度的增加而增大,机械钻速的增加对井筒ECD的影响较小,双层管尺寸需结合井眼尺寸和循环压耗进行优选。双层连续管双梯度钻井可有效降低井底ECD,在钻井过程中可通过调整钻井液排量和密度实现井筒压力的动态控制,为应对深水钻井压力窗口窄和浅层易发生漏失等难题提供了一种有效的解决方法。     

超临界二氧化碳在水平井钻井中的携岩规律研究

为弄清以超临界二氧化碳为钻井流体钻进水平井时的携岩机理,基于DPM模型,采用数值模拟方法对用超临界二氧化碳钻进水平井时的携岩规律进行了分析。数值模拟结果显示:水平井段环空中岩屑颗粒是分层移动的,随着岩屑向出口运移,岩屑会逐渐向水平井段下部沉降;随着排量和压力的增大、环空间隙的减小,超临界二氧化碳的携岩性能逐渐增强;而随着环空温度升高和岩屑粒径的增大,其携岩性能逐渐减弱。研究结果可为应用超临界二氧化碳钻进的水平井钻井设计提供参考。      

考虑海底增压的深水钻井当量循环密度预测方法

针对深水井筒ECD预测与控制方面存在的不足,建立了考虑温度和岩屑影响及有海底增压管线举升系统情况下的深水钻井ECD预测模型,以实例计算分析了深水钻井中有海底增压管线举升系统情况下ECD变化。结果分析表明,钻柱内的排量一定时,增注排量越大,ECD值越小;在有海底增压管线举升系统时,本计算条件下ECD值均未超过漏失压力,因此该种参数工况下应该为安全状况;在无海底增压时,随着排量的降低,环空ECD逐渐增加,且ECD增加值较大;当排量小于一定值时,ECD的增加会导致在钻井过程中的地层漏失。因此在深水钻井过程中应该特别注意在隔水管段的井眼清洁问题,除了控制机械钻速、泵入清扫液等措施以外,还应适量采取增加排量来及时清除钻屑,保持井眼清洁。最后对比分析了模型的有效性,在本计算条件下与PWD实测值偏差最大1.36%,对深水钻井水力参数优化设计及井控具有一定的参考意义。     

低速同轴阵列电容法测量含水率的新理论模型

低速、泡状油水两相介质在流过同轴阵列电容含水率传感器的环形空间时,会增加或减少带绝缘层的内电极上油相滞留层的厚度。根据这一机理和一些假设,建立了一个新的含水率检测理论模型。该模型揭示了同轴阵列电容含水率传感器输出信号频率与含水率间为复杂的对数关系,并与流体的流量、黏度、温度、电容传感器绝缘层材料、传感器结构等有关。同轴阵列电容含水率传感器的特性实验和实验条件下的理论计算表明,在含水率大于50%的情况下,含水率绝对误差很小,标准差为1.4%。这表明在内电极绝缘层上滞留的油层厚度的增减遵从指数变化规律,依此建立的含水率模型具有高含水良好的适用性。     

钻柱偏心旋转对环空摩阻压降影响的数值模拟研究

准确预测钻柱偏心旋转工况下的环空摩阻压降是复杂结构井控压钻井的重要理论基础,但常规钻井液环空摩阻压降计算方法无法直接计算复杂结构井的环空摩阻压降。为此,应用数值模拟方法,分析了偏心度（0～67.42%）和钻柱转速(0～114.65 r/min)对典型环空（Ф127.0 mm钻杆和Ф215.9 mm井眼）中摩阻压降梯度的影响。分析结果表明：偏心度小于45.00%时,转速和偏心度对摩阻压降梯度影响较弱,摩阻压降梯度随转速增大略有降低,随偏心度增大而增大;偏心度大于45.00%时,低转速（<60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而降低,高转速（≥60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而略有增大。基于数值模拟结果,建立了偏心度分类的无因次偏心环空摩阻压降梯度预测模型,计算了南海某水平井Ф215.9 mm井段的ECD,并与PWD测试结果进行了对比,平均相对误差为0.45%,表明该模型具有较好的准确性。研究结果表明,无因次偏心旋转环空摩阻压降计算模型可以精细描述环空压力场和准确计算ECD,为控压钻井水力参数优化提供指导。     

钻井用井底负压发生器

在石油、天然气和地质钻井过程中,井筒内的钻井液压强造成的压持效应,极大地降低了钻进速度。针对现有以液体钻井液为循环介质的常规钻井技术,以减少钻头处的钻井液压持效应为目的,根据射流泵的工作原理,研制了一种能够降低井底钻井液压强的井底负压发生器。该井底负压发生器具有3个功能:将环空分为上部环形空间和井底环形空间两个压强区;井底环形空间压强低于上部环形空间压强,且流体从井底环形空间流向上部环形空间;有钻进功能。介绍了井底负压发生器的结构和使用方法。     

胶乳水泥在大位移井中的性能

大位移井固井水泥浆凝固时易在环空上侧形成游离液通道,同时,由于重力作用,环空上下侧容易形成密度差,使得环空上侧形成的水泥石强度低、渗透率高,极易破碎而引发窜流,严重影响固井质量以及后续增产作业。采用新型胶乳BCT-800L,设计了一种零析水,低失水,24h抗压强度大于21 MPa,渗透率低于0.001×10-3μm2的胶乳水泥配方,并利用三轴岩石力学测试系统和环境扫描电子显微镜,分析了大位移井水泥石的力学形变行为以及微观形貌。实验结果和初步机理分析发现,胶乳通过胶结方式转变,运移阻滞和高分子网架成膜等机理有效提高大位移井固井液的稳定性,减小水泥环上下侧差异,降低水泥石渗透率,提高水泥石的韧性,有效防止油气、水窜的发生。     

椭圆形井眼环空压力梯度预测与影响因素分析

井筒压力梯度的准确预测是井底压力精确控制的必要条件,其有利于减小井下复杂情况的发生。常规的压力梯度模型建立在井眼是圆形的基础上。然而,由于非均匀地应力的影响,实际井眼常常为椭圆形状,椭圆形井眼环空流动规律与圆形环空流动规律有着显著不同。基于流体力学的基本方程,笔者引入了有效水力直径,建立了椭圆形井眼环空流动的压降模型。研究表明,随着椭圆井眼尺寸比的增大,环空平均流速减小,压力梯度也随之减小;并且椭圆井眼尺寸比越大,环空环形方向高、低流速区域分级现象越加明显。另外,与CFD软件模拟结果相比,该模型的误差在±10%以内。影响因素分析表明,其他条件不变时,椭圆形井眼环空井筒压力梯度随流量、流体动切力和稠度系数的增大基本呈线性形式增大,而随流性指数的增大基本呈指数形式增大,模型能够用来计算椭圆形井眼的井筒压力。      

基于气固两相流的割缝筛管冲蚀模拟研究

目前对气井中防砂筛管的冲蚀研究较少,在设计过程中主要采用经验法来选择筛管精度及气井的生产参数。采用计算流体力学(CFD)方法对气井中割缝筛管的单缝的内部流动规律进行分析,并引入 Tulsa大学冲蚀与腐蚀联合研究中心(E/CRC)提出的冲蚀模型,分析不同生产压差下割缝筛管缝隙的冲蚀特征及最大冲蚀量。结果表明:①筛管梯形缝口窄边处的流速最大,且冲蚀速率最大。随着生产压差增大,穿过筛管缝隙进入筛管内环空的粒子数增多。在流速激增的作用下,增大了粒子对筛管缝隙的冲蚀破坏程度; ②割缝筛管的冲蚀量随着生产压差增大而增加,两者呈指数关系; ③筛管的冲蚀区域主要集中于割缝的两端处,随着生产压差的增加,上端的冲蚀剧烈区域逐渐增大,但下端冲蚀的剧烈区域逐渐缩小。在气井的生产过程中合理设定生产压差,对于长效防砂及提高筛管的使用寿命至关重要。     

深水泡沫套管静水压载特性与压力控制机理

深水油气井生产测试阶段受地层高温流体的影响，会产生套管环空圈闭压力上升现象，严重威胁油气井管柱服役周期和井筒完整性。采用泡沫套管技术能有效减缓环空压力上升，保护管柱结构不受损坏，是一项经济可行的控压措施。首先通过实验测试得到了不同温度和不同微珠质量含量下的复合泡沫材料体积压缩率随静水压力的变化规律，并根据Gibson模型中的多孔材料力学行为理论，分析了泡沫套管控压过程中线弹性变形、屈服破坏和致密化压缩3个阶段的力学行为特征。同时根据弹性力学和热应力理论，结合多层圆筒受热变形原理，遵照体积相容性原则推导出密闭环空内压力增量、体积增量与温度变化之间的函数关系。针对泡沫材料体积压缩量进行分段计算处理，利用实验数据线性回归得到泡沫材料线弹性阶段和致密化阶段的压缩系数，建立了涵盖热膨胀效应和致密化效应的泡沫体积压缩计算模型。结果表明：泡沫材料的启动压力会随着温度的升高而降低，空心玻璃微珠含量越高，泡沫材料体积压缩率越大；深水井多层套管环空内压力增量、体积增量与温度变化呈线性关系，环空体积增量越大，环空压力增量越小；泡沫材料在致密化压缩阶段比线弹性压缩阶段更能有效地控制环空压力上涨幅度，计算时不可忽略；当环空压力增量达到泡沫套管启动压力时，环空内压力大幅降低，套管体积变化量减小。