多梯度控压钻井可行性室内模拟试验

为了对多梯度钻井井筒压力梯度的变化规律进行研究，对井下过滤分离器附近的关键井段进行了分析，自主研制了多梯度钻井室内模拟试验系统和新型井下过滤分离器。首先对该试验系统的重要结构与功能进行了介绍；然后对井筒压力梯度测试试验的工作原理和基本流程进行了阐述；最后基于该室内试验系统，开展了不同排量、空心球直径、密度、质量浓度和流体黏度对模拟井筒内压力梯度分布规律的影响试验。试验结果表明：排量和空心球物性参数或流体黏度对井筒压力梯度分布有显著影响，环空内存在明显的压力梯度变化；分离器上部环空内的压力梯度最小，分离器处环空内的压力梯度略高于其下部环空内的压力梯度。研究结果可为多梯度钻井井筒压力控制的相关理论研究和控压钻井工艺设计提供一定的参考。     

双梯度钻井关键工具及井筒压力动态变化规律

为了解决注空心球双梯度钻井中分离器的分离效率不高的问题,对井筒压力的动态变化规律进行了研究。设计了能够对空心球实现高效分离的过滤分离器,并通过数值模拟与室内试验进行了验证,过滤分离器最高分离效率可以达到98.5%。建立了空心球分离进入环空时所产生的波动压力数学模型,结合该模型并考虑空心球的体积分数、钻井液排量、分离器位置以及机械钻速的动态变化,进一步建立了井筒压力动态变化的数学模型。基于钻井数据进行了算例计算和影响因素分析。研究结果表明:在分离器位置处,井筒压力分布存在明显拐点,而环空中钻井液密度分布存在突变;通过动态调节空心球体积分数和分离器位置等关键参数可以灵活调节环空中轻质钻井液的密度大小、液柱长度以及随钻井底压力的大小,从而实现对随钻井底压力的实时预测。研究结果可以为窄压力窗口条件下的安全钻进提供理论基础与技术支撑。     

深水多梯度钻井空心球分离规律及其对井筒传热与传质的影响

深水注空心球多梯度钻井中井筒温度的准确预测对井筒压力控制有至关重要的作用。文章利用新的分离技术与室内实验相结合研究了空心球在不同影响因素下的分离规律。基于能量守恒方程、连续性方程以及动量方程并考虑分离效率对于空心球传质与传热过程的影响,建立了瞬态传热与传质条件下的温度与压力相耦合的井筒温度计算模型。并将现场测量数据与理论模型的计算结果进行对比,验证了文章所建模型的准确性。最后对影响环空温度以及热物性参数的重要因素如分离效率、空心球注入速率、分离器位置等进行了敏感性分析。研究表明,通过调节泵排量与空心球直径以及分离器位置,可以实现环空压力梯度的准确控制,很好地改善深水钻井中窄压力窗口引起的溢漏问题。     

基于空心球破碎概率的双梯度钻井井筒压力预测

为了研究注空心球双梯度钻井过程中空心球破碎对井筒压力分布的影响,首先,利用分形强度理论与碰撞动力学,建立了空心球在钻井循环过程中的碰撞破碎概率模型,研究了在钻柱内、分离器内部、分离口及环空中的破碎概率分布规律;然后,利用双梯度钻井室内模拟实验系统,研究了过滤分离器在不同排量及空心球注入体积分数时的分离效率;最后,结合碰...     

漏失循环条件下井筒温度预测与漏层位置判断

针对发生井漏时井筒流体温度预测准确度低和漏层位置判断难度大的问题,在分析漏失循环条件下井筒传热规律的基础上,综合考虑热源项和变质量流动对井筒温度的影响,建立了漏失循环条件下直井井筒温度场模型,利用现场实测数据验证了模型的可靠性,分析了漏失速率和漏失层位对井筒温度分布规律的影响。数值模拟结果表明,与Chen模型相比,所建模型的温度计算结果更接近于实测温度,平均相对误差为2.1%;漏失循环条件下,漏失速率对井底流体温度的影响明显大于其对井口流体温度的影响;此外,漏失发生在上部裸眼井段时,环空流体温度梯度分布曲线上均有一个拐点,且拐点位置与漏层位置一致。研究结果表明,所建模型可以准确预测漏失循环条件下直井井筒中的温度分布,现场可根据环空温度梯度分布曲线判断漏层位置。      

多梯度钻井分离器冲蚀磨损分析及流场研究

针对多梯度控压钻井过程中空心球分离效率低,无法实现多密度梯度的问题,设计了空心球过滤分离器。利用多孔介质模型、DPM模型以及冲蚀模型对分离器内部流场进行了数值计算。研究了注入速度和空心球直径对分离器腐蚀速率的影响,以及过滤过程中分离器内部在轴向上以及径向上的压力与速度分布规律。研究结果表明:空心球注入速度越小以及空心球直径越大,对工具的冲蚀磨损速率越低;过滤结构内入口层的中心压力高而外侧压力低,随着压力逐渐扩散,出口层外侧压力高而中心压力低,速度分布规律则相反;随着入口速度与油水比的增加,工具的压降逐渐增加,但是油水比的影响较小。该研究实现了多梯度控压钻井中空心球分离效率低的技术突破,显著提升了多梯度钻井方式实现的可行性,为窄压力窗口地层中井筒压力控制提供了技术支撑。     

深水钻井隔水管增压管线对井筒温度的影响

深水钻井中,井筒和地层温度分布对流体性质和压力控制具有重要的影响,为了研究其影响情况,考虑了深水钻井过程中增压管线流体进入井筒引起的变质量流动,基于质量和能量守恒原理,建立了井筒和地层不同区域的瞬态传热数学模型,并分析了增压管线排量和入口温度对井筒温度场的影响规律。研究结果表明:增压管线排量和入口温度仅对海水段的环空温度影响较大,且随着排量和入口温度的升高,海水段环空温度随之增加;随着距井口距离的减小,增压管线排量对环空温度的影响逐渐增大,而入口温度对环空温度的影响逐渐减小;由于钻柱和环空内流体流动方向相反,增压管线排量和入口温度对整个钻柱内流体温度的影响较大,且随着排量和入口温度的升高,钻柱内流体温度随之升高。研究结果可为深水钻井过程中井筒温度场的预测提供理论参考。     

注空心球多梯度钻井气侵快速识别分析

为研究注空心球多梯度钻井中分离器位置等关键参数对气侵识别时间的影响,文章考虑多梯度钻井参数、井筒与地层间能量交换对井筒内混合流体的物性参数、气液两相流的瞬态传热过程与流动规律的影响,建立了多梯度钻井瞬态气液两相流新模型,研究了不同多梯度参数对气侵识别时间和井底压力的影响规律,并对在不同影响因素条件下的气侵时间进行了无量纲对比分析。结果表明：在不同空心球体积分数、密度或分离器级数条件下,溢流量和井底压力变化包括“线性分布”和“指数分布”2个阶段;在不同分离器位置条件下,溢流量和井底压力变化包括2个“线性分布”阶段和1个“指数分布”阶段;指数阶段中钻井液池递增速率显著增大可以作为气侵识别的早期信号;0.8 m³溢流量作为气侵监测的阈值时,空心球体积分数的影响最为显著,其溢流量变化规律作为气侵早期监测的依据会更准确;分离器数量的影响程度最小。该研究成果可以为注空心球多梯度钻井的早期气侵监测提供理论参考,对下一步的井筒压力有效干预提供重要依据。     

注气法双梯度钻井隔水管环空温度场模拟

针对注气法双梯度钻井工艺特点,根据不同流型结构特点和传热特性,考虑隔水管环空流体与海水、隔水管环空流体与钻杆内流体的传热关系,建立注气法双梯度钻井隔水管环空多相流控制方程,并给出求解方法。模拟计算结果表明：随着水深增加,环空内流体温度降低,深水低温的影响越明显;随着液体流量增加,环空内温度升高,增幅降低。由于不同流型传热规律的差异,气体流量增加仅在部分井段对温度有较大影响,入口温度升高环空内温度会相应升高,保温层对温度分布影响明显,加装保温层会使环空最低温度高10℃以上。在实际钻井过程中为防止水合物的生成和钻井液胶凝,尽可能提高液相流量,同时隔水管加装保温层,地面循环系统加装加热装置提高钻井液温度。     

同心双管分注CO2井筒流动模型及影响因素

针对CO₂ 笼统注入过程中效率低、效果差等问题,提出了同心双管分注CO₂技术。根据热量传递原理和流体流动理论,建立了考虑CO₂相态变化的同心双管井筒流动与传热的数学模型,利用该模型研究了CO₂沿内外管环空和内油管的温度和压力分布规律,分析了井口注入量、注入温度、注入压力、内外管组合、注入层间距对CO₂在内外管环空和内油管中的流动压力和温度的影响。结果表明,在内外管井口注入参数相同的条件下,外管直径越大,内外管环空温度越高;当外油管直径不变时,内油管直径减小,内外管环空压力增加,内油管直径大小对内外管环空温度影响小;当内外管直径一定时,井口注入量、注入温度、注入层间距对内外管环空和内油管的温度、压力分布影响较大,而井口注入压力影响幅度较小。     

一种精细控压钻井流动模型的研究与应用

为了提高高温深井控压钻进时的环空压力剖面计算精度,实现井底压力精细控制,基于水力学、传热学和流变学基本理论,采用黏温特性室内试验、Drillbench商业软件对比、井下环空压力实测数据验证等方法,建立了高温深井控压钻井精细流动模型。该模型充分考虑了环空温度分布、钻井液黏温特性、高温高压下的钻井液密度等因素,实现了压力温度耦合计算。现场应用表明,该模型的计算精度相比普通模型有了一定提高,绝对误差仅为0.2 MPa左右,为高温深井压力敏感储层的井下压力计算和环空压力控制提供了更好的技术手段。      

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。     

油套环空放空防止气井井筒生成水合物技术

基于气液两相流沿气井油管上升流动过程中质量和动量守恒及井筒传热机理,建立了压力和温度梯度耦合模型,并采用四阶龙格 库塔法数值求解。该模型中考虑了流体的焦耳 汤姆逊效应及环空介质和地层热物性沿井深的变化,分析了大牛地低渗低产D2-56气井环空介质换热系数和井筒总传热系数与套压的关系。计算结果表明：若井下安装封隔器,并将油套环空放空,可显著降低井筒总传热能力和油管内流体的热损失,提高油管内流体温度,可防止水合物在油管中生成。对于产量较高的气井,降低油套环空压力对防止水合物生成更具有实用性。     

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。     

Wellbore Flow and Heat Transfer of Drilling with Foam

Abstract

On the basis of special physical properties of foam drilling fluid, a mathematical model of foam flow and heat transfer in a wellbore was established, and the solution of the model was proposed. Employing the established mathematical model and its solution, numerical calculation was conducted to analyze the effect of wellbore heat transfer on the hydraulic parameters of foam drilling. The results indicated that foam temperature in a drilling pipe was always lower than that in the annulus and formation temperature. At the bottom of the annulus, foam temperature was lower than the formation temperature, whereas in the top of the annulus, foam temperature was higher than the formation temperature. Most important, with increasing well depth, liquid injection rate, and gas injection rate, the deviation between foam temperature at the bottom of the annulus and formation temperature increased. Wellbore heat transfer not only resulted in increased foam quality in the top of the annulus, bottom pressure, and minimum gas injection rate but also a decrease in the foam quality at the bottom of the annulus and minimum cutting transport velocity. Therefore, the stability and cutting transport capacity of foam decreased. In addition, foam density and Fanning friction coefficient were affected by wellbore heat transfer. Although to a certain extent wellbore heat transfer has an effect on hydraulic parameters of foam drilling, the effect was limited and could be counteracted by increasing gas injection rate and back pressure.     

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。     

井底常压控制压力钻井设计计算

井底常压控制压力钻井(MPD)技术采用专用的控压装备,将井底压力控制在合理的范围内.建立井底常压MPD关于井口回压和钻井液密度的计算模型,运用迭代求解方法进行井口回压和钻井液密度的设计计算.利用该计算模型对克拉201井进行了实例分析,3 314 m处的环空压力对比表明,常规方式下无法设计合理的钻井液密度,采用井底常压法设计可保证环空压力在压力窗口之内;窄压力窗口段的回压和钻井液密度设计结果表明,采用井底常压法设计可安全钻穿2 800 m到目的层的井段,并可减少一层套管,节约建井成本.实例计算结果表明,MPD技术既降低了钻井液密度又满足了环空压力控制的需求,能精确地维持井底压力恒定,安全钻穿窄压力窗口地层,为优化井身结构、减少套管层次提供技术基础.