地层水侵入对超临界CO2钻井井筒温度和压力的影响

为了研究sC-CO<,2>(超临界CO<,2>)连续油管钻井过程中地层水侵入对井筒温度和压力的影响,在综合考虑CO<,2>流体的黏度、密度、导热系数、热容、焦耳-汤姆逊系数等参数影响的基础上,建立了SC-CO<,2>连续油管钻井地层水侵入井筒流动模型,并采用各参数相互耦合的方法对井筒温度和压力分布进行了计算.结果表明,...     

注CO_2井筒温度压力预测模型及影响因素研究

为了提高注CO2驱替效率及驱替成功率,开展了影响驱替效率的井筒压力温度分布及影响因素研究。针对CO2特殊的物理性质,选用基于赫姆霍兹自由能的Span-Wagner状态方程,将井筒传热、压力与CO2物性参数耦合迭代计算,建立了注CO2井筒温度压力分布的数学预测模型。该模型能够预测井筒温度压力及其他物性参数,应用该模型预测井筒各点温度压力,并与江苏草舍油田草8井现场2次实测结果对比,其温度误差均小于1%,压力最大误差不超过1.6%,表明该模型能够满足现场应用要求。利用该模型可以研究注入温度、注入压力、注入速度及注入时间等工艺参数对井底压力温度的影响规律,实现系统敏感性分析。研究表明,建立的模型具有很高的精度,对提高CO2驱替效率具有指导作用,并适用于(超临界)CO2钻井、压裂过程中井筒温度压力预测及影响因素分析。     

超临界二氧化碳喷射压裂井筒流体相态控制

为了探索超临界CO2喷射压裂的井筒流体相态控制方法,建立了超临界CO2喷射压裂井筒流动模型,进行了实例计算和分析,并以异常低地温梯度的地层为例研究井筒流体的相态控制问题。结果表明:超临界CO2喷射压裂过程中,随着井深增加,井筒压力逐渐增高,井筒温度先增高后在接近压裂层位处开始降低;井筒压力很容易达到CO2流体的临界压力,井筒温度的控制是超临界CO2喷射压裂相态控制的关键;如果地温梯度过低,压裂层位井筒中的CO2流体将达不到临界温度,影响超临界CO2喷射压裂作业的正常进行,此时提高注入CO2流体的温度,可有效促进压裂层位的CO2成为超临界态。该研究可为超临界CO2喷射压裂技术的流体相态控制提供一定的借鉴。     

CO2气井井筒流动综合模型

气井井筒的压力分布计算对于气井设计及其动态分析具有重要意义.CO2气体由于相态变化非常复杂,在高压下具有液体的密度,压力、温度稍微改变,密度与偏差系数等参数可能发生巨大的变化,常规计算气体井筒压力的方法不再适用.为此,优选了能准确描述CO2气体相态行为的状态方程以及井筒流动方程,并进行了相应改进,以联立状态方程和改进的井筒压力流动方程共同建立了CO2气井井筒流动综合模型,并把模型计算结果与测试数据进行了对比分析.研究结果表明,计算结果与测试结果吻合较好,表明本模型可以应用于CO2气井井筒流动压力分布预测,从而大大减少井下测试压力昂贵的作业费用和CO2强腐蚀的风险.     

CO2气井井简流动综合模型

气井井筒的压力分布计算对于气井设计及其动态分析具有重要意义。CO2气体由于相态变化非常复杂，在高压下具有液体的密度，压力、温度稍微改变，密度与偏差系数等参数可能发生巨大的变化，常规计算气体井筒压力的方法不再适用。为此，优选了能准确描述CO2气体相态行为的状态方程以及井筒流动方程，并进行了相应改进，以联立状态方程和改进的井筒压力流动方程共同建立了CO2气井井筒流动综合模型，并把模型计算结果与测试数据进行了对比分析。研究结果表明，计算结果与测试结果吻合较好，表明本模型可以应用于CO2气井井筒流动压力分布预测，从而大大减少井下测试压力昂贵的作业费用和CO2强腐蚀的风险。     

超临界二氧化碳钻井基础研究进展

超临界CO2钻井技术是以CO2为钻井介质的新型钻井技术,在实现CO2资源化利用和提高非常规油气钻探效益等方面潜力巨大,其关键理论和技术问题主要体现在超临界CO2在井筒中的流动规律、携岩能力、射流破岩及井壁稳定性等井筒多相流和流体与岩石相互作用方面。为此,利用超临界CO2在井筒中的流动模型分析了影响超临界CO2钻井环空压力分布的因素;通过理论计算和室内携岩试验分析了超临界CO2的携岩能力;根据理论分析和室内射流破岩试验分析了超临界CO2射流破岩机理;利用临界CO2与井壁围岩的力-热耦合模型并结合超临界CO2对岩石力学性质的影响,分析了超临界CO2钻井的井壁稳定性。结果表明:循环流量和井口回压是影响超临界CO2钻井环空压力分布的主要因素;井斜角为48°~72°时超临界CO2携岩最小返速比较高,超临界CO2的携岩效果与清水接近,但远优于空气;超临界CO2射流破岩产生的温度应力可有效降低破岩门限压力,提高破岩效率;采用超临界CO2钻进水平层理硬质页岩地层时井壁稳定性好。研究结果为完善超临界CO2钻井理论和尽快形成超临界CO2钻井技术奠定了理论基础。      

超临界二氧化碳压裂井筒非稳态温度-压力耦合模型

井筒内温度、压力对二氧化碳物性参数影响较大,且三者之间相互影响,需进行耦合求解。基于连续性方程、运动方程、能量守恒定律和传热学理论,建立了超临界二氧化碳压裂井筒非稳态温度-压力耦合模型。采用交错网格全隐式离散模型,并调用Refprop软件计算二氧化碳物性参数,采用循环迭代求解。计算结果表明:在目前施工条件下井底二氧化碳能达到超临界状态;井口二氧化碳注入温度对井筒温度影响明显,而对井筒压力影响较弱;二氧化碳注入压力和油管粗糙度对井筒压力影响较大,而对井筒温度影响较弱;二氧化碳注入排量对井筒温度、压力均有明显影响。二氧化碳的高摩阻和低黏度分别限制了施工排量和砂比的提升,因此需进一步加强流体减阻和增稠方面的研究。     

CO_2井筒压力温度的分布

根据垂直管流的能量平衡方程,结合Ramy井筒温度分布计算方法,推导出CO2在不同的注入速度、注入温度、注入时间等因素下的井筒压力和温度分布。以苏北工区草8井试注实测数据为例加以验证,验证结果压力误差3.8%,温度误差2.5%。在此基础上进一步讨论了影响CO2井底温度的因素,并预测了3口注入井井筒压力温度分布。     

CO2注入井井筒压力温度分布研究

根据垂直管流的能量平衡方程，结合Ramy井筒温度分布计算方法，推导出CO2在不同的注入速度、注入温度、注入时间等因素下的井筒压力、温度分布。以苏北油田草8井试注实测数据为例加以验证，计算结果：压力误差3．8％，温度误差2．5％。在此基础上进一步讨论了影响CO2注入井井底温度的因素，其中CO2注入速度为主要影响因素。     

高含CO_2原油井筒流动压力和温度分布综合计算

CO2驱正越来越受到重视,然而对高含CO2原油混合体系的井筒流动问题,目前尚未见到相关研究文献。由于井筒中CO2从原油中大量脱出,将会对井筒温度压力分布产生较大影响,严重时甚至会发生井喷,因此,对此类问题的研究具有重要的现实意义。从传热学、两相流及多元气液平衡理论出发,将CO2/原油混合流体相态特征以及井筒温度、压力相互影响加以考虑,建立了高含CO2原油井筒流动压力、温度分布综合计算模型,对不同CO2摩尔分数的原油混合体系井筒流动温度、压力进行了计算,结果表明,随着混合体系中CO2含量的增加,井口流体温度呈下降趋势,而井口压力将会增加,在一定条件下油井甚至能够达到自喷。对实例井进行了计算,模型计算结果与实测结果吻合较好,为CO2驱采油井工程设计提供理论方法。     

超临界二氧化碳钻井流体关键技术研究

超临界二氧化碳钻井技术是利用超临界二氧化碳作为钻井流体的一种新型钻井方法,具有能有效驱动深井井下马达,控制井底压力容易,破岩门限压力低、破岩速度快,能防止储层损害等优点,但成功利用超临界二氧化碳钻井技术的关键是充分了解超临界二氧化碳钻井过程中井筒中二氧化碳流体的温度和压力分布。为此,建立了考虑井筒流体与地层换热对井筒流体温度影响的井筒传热模型,根据能量守恒原理,推导出了井筒流体温度计算模型,并考虑到钻井过程中可能钻遇水层的情况,对该计算模型进行了修正;利用有限元方法,推导出了井筒内二氧化碳钻井流体的压力计算公式。实例计算表明:钻杆内二氧化碳流体的温度和压力随井深增深而增大,但与井深的关系是非线性关系;钻杆内二氧化碳流体的密度随井深的增加而减小,但到近钻头处开始增大。环空中的压力随井深的增加而增大,但两者的关系也是非线性关系;环空中的温度随井深增加先升高后降低;环空中的二氧化碳密度随井深增加而增大,但两者为非线性关系。      

注CO2井筒温度和压力分布模型研究及现场应用

为了解释红河油田注 CO₂现场试验中出现的气窜问题,准确优化现场试验中 CO₂注入压力,利用传 热学理论,通过分析井筒传热过程,建立起注 CO₂井筒温度和压力分布的耦合模型,并结合实际注入参 数,对红河油田注 CO₂井筒温度和压力分布进行了研究,此外也解释了现场试验中出现的气窜问题。 结 果表明,在注入井实际注入参数下,井筒温度随着井筒深度的增加而增大,但始终低于地层原始温度;井 筒压力随着井筒深度的增加呈近似线性增加;井口注入压力过大致使井底压力大于地层破裂压力,这是 导致发生气窜现象的根本原因。 模型理论计算结果与现场分析结果相吻合,表明该模型对于实际生产具 有一定的指导意义。     

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。     

泡沫钻井液在井筒中的流动与传热

针对泡沫钻井液特殊物理性质,建立了泡沫在井筒中流动与传热的数学模型,并给出了模型求解方法。为了分析传热对泡沫钻井水力参数的影响,采用建立的数学模型和给出的求解方法进行的数值计算结果表明：钻杆内泡沫温度始终低于环空内泡沫温度和地层温度,而环空下部泡沫温度低于地层温度,在环空上部泡沫温度高于地层温度。随着井深、注液流量和注气流量的增加,环空下部泡沫温度与地层偏差增大。传热使井口泡沫质量增大、井底泡沫质量减小、井底压力增大、最小携岩流速减小、最小注气流量增大,降低了泡沫的稳定性和携岩能力。另外,对泡沫的密度、Fanning摩擦系数也有一定的影响;井筒传热对泡沫钻井水力参数有一定的影响,但不是很明显,可通过增加注气流量和井口回压来抵消传热对泡沫钻井水力参数的影响。     

气井压力温度预测综合数值模拟

基于质量、动量、能量守恒原理,导出了描述气井流动气柱的压力、温度、流速及密度分布的常微分方程组,采用四阶龙格-库塔法数值求解.该数值模型综合考虑了井斜角、井身结构、油管柱结构、气井井筒的径向传热、不同环空传热介质及地层的热物理性质沿井深的变化,符合气井的实际情况.应用6460m的新疆柯深1井(高温高压气井)基本数据进行实例计算,并对模型进行了敏感性分析.计算绘出了不同产量下气体压力、温度、流速及密度沿井深的分布曲线,直观地反映了气井的流动规律和地层的传热特征.可为高温高压气井试井工艺设计和生产动态分析(如水化物预测、油管柱设计等)提供技术依据.     

小井眼环空压耗的室内试验研究

小井眼环空水力学与常规井区别很大。在室内小井眼环空实验架上对小井眼环空压力损失进行了试验研究。模拟环空钻井液返速、钻柱旋转速度、钻柱偏心弯曲程度、钻井液性能和钻具接头等对压耗的影响,取得上千组试验数据。试验结果表明:随环空返速增加,小井眼环空压耗增加很快;在转速较低时随转速增加压耗反而有所下降,但下降幅度很小,在转速较高时钻柱旋转时压耗的影响很大;随偏心度增大,环空压耗降低;随环空间隙减小,压耗对钻柱旋转变得更为敏感;随钻井液幂律流性指数增加,环空压力损耗增大;随宾汉塑性粘度增加,环空压耗增加;随钻井液密度增加,环空压耗增大;钻具接头对小井眼环空压耗的影响很显著。     

H-B流体在小井眼同心环空中轴向层流的运动规律

根据不可压缩粘性流体力学及非牛顿流体流变学的基本原理,推导出Herschel-Bulkley流体在小井眼同心环空(合钻杆管体环空、钻杆接头环空及钻铤环空)中轴向层流的运动规律,分别得出了流量、流速和压降的简化解析式,定义了钻杆接头(或钻铤)环空当量长度和压降增比,给出了算例,为小井眼钻井工程的水力设计计算提供了理论依据和实用方法。     

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     

大位移井水力延伸极限研究

依据大位移井水力学原理,首次提出了大位移井水力延伸极限的概念,并给出了计算公式及步骤,分析了地层因素、泵能力、环空压耗和岩屑床高度对大位移井水力延伸极限的影响规律,结果表明,大位移井水力延伸极限随地层安全密度窗口和额定泵压的增加而增加,随环空压耗和岩屑床高度的增加而减小.大位移井极限长度的预测以及合理进行工程设计,为减少钻井风险提供了理论指导.     

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.