气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量变化规律研究

为了准确掌握气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量的变化规律,基于井筒气液两相流动理论,建立了考虑密度突变的气液两相流模型,分析了气侵条件下环空出口流量的变化,并探讨了不同因素变化对环空出口流量变化率的影响。研究发现:气体前沿到达分离器位置时,环空出口流量变化率明显突增;分离器位于泥线以下时,环空出口流量发生突增的时间要早于隔水管底端见气时间,有利于更早地识别气侵;低密度/高密度钻井液密度差、气侵量、排量、分离器位置、井深和井口回压等因素对环空出口流量变化率的影响程度依次降低。研究结果表明,考虑密度突变的气液两相流模型,可以准确预测气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量的变化情况,并为新型双梯度钻井早期溢流监测提供理论依据。      

碳酸盐岩地层重力置换气侵特征

碳酸盐岩地层钻井中,重力置换气侵时常发生,会对井底压力产生影响,若控制不当,重力置换气侵则会引起井喷事故。根据气-液两相流理论,建立了井筒气侵计算模型及气侵边界条件和初始条件;通过对井底不同进气量模拟,得到了重力置换气侵井底压力、泥浆池增量及井筒不同深度含气率的变化,得到了井口回压对重力置换的影响;通过改变边界条件,得到了重力置换气侵转变为欠平衡气侵时井筒流动参数的变化。研究认为,当井底压力控制不当时,重力置换气侵会转变为欠平衡气侵,井底压力、泥浆池增量和井底含气率会发生突变,造成井筒压力失控,对过平衡钻井重力置换气侵认识及控制具有指导意义。     

精细控压钻井过程中溢流的模拟和控制

为了能在溢流发生的早期正确决定溢流控制方法,根据气液两相流理论,对精细控压钻井过程中的气侵全过程进行模拟,并对如何采取适当的控制方法进行研究。首先建立了描述气侵期间井筒两相流的偏微分方程组,给出了方程组的初始条件和不同气侵阶段的边界条件,并用有限差分的方法对方程组进行求解;然后模拟分析了地层压力、初始溢流量及钻井液参数对井口回压的影响;最后根据对不同参数条件下气侵的模拟,得到了以初始溢流量和溢流结束时的井口回压为输入参数的溢流控制方案图。提出的溢流控制方案图方法,能在溢流早期就决定溢流控制方式,为溢流控制争取宝贵的时间,有助于正确处理精细控压钻井过程中的溢流。研究结果可为控压钻井过程中的气侵控制提供理论依据。     

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。     

碳酸盐岩油气藏气侵早期识别技术

针对海相碳酸盐岩油气藏钻井过程中钻遇裂缝孔洞发育储层时,井筒流体与地层流体置换效应形成的复杂流动造成的气侵识别困难,从钻井过程中气体侵入方式研究入手,探讨了各种气侵方式的侵入机理、发生工况及其相互联系,提出了直接侵入方式下含硫天然气侵从定性研究到定量化研究的思路和方法,研究了气体沿井筒的运移、膨胀规律,即气体在上升过程中越接近井口气体膨胀越剧烈。在此基础上,通过对气侵发生时的井筒环空气液两相流动井底压力变化特征进行模拟,揭示了气侵初期在深井小井眼段井底压力会出现小幅上升后下降的变化规律,提出了以井下实时环空压力随钻测量仪器监测井底压力变化对比正常趋势线来识别和预警气侵的方法。利用该方法,可以在气侵第一时间实现预警,为碳酸盐岩复杂油气井安全钻井提供了有效保障。     

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...     

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。     

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。     

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。     

深水钻井最大允许气侵溢流量的计算方法

深水钻井对井控提出了更高的要求,气侵的早期监测便成为深水井控研究的热点。由于溢流量预警值为经验值,使得现有泥浆池增量法在水深较深、原始地层压力较高的井中应用的普适性和可靠性较差。为此,通过引入最大允许关井套压和环空气体上升位置,计算不同溢流量条件下的压井风险,建立了基于气侵的溢流量预警值反算方法,以此来保证在现有井控设备、施工参数和地层参数等确定的条件下进行更为精确可靠的气侵溢流监测。同时引入含可信度地层压力预测方法对溢流量预警值反算方法进行改进,最大限度地降低了因地层压力预测不准而导致的气侵监测误差。实例计算结果表明,该方法充分考虑了气侵后气体上升位置和压井风险,能够大大提高深水钻井气侵早期监测的准确率和可靠性,对于实现因井而异的溢流量预警值设计和降低气侵监测成本有实际意义。同时提出推荐采用精度更高更稳定的进出口流量计对泥浆池增量进行监测,以满足半潜式钻井平台的测量精度。     

欠平衡钻井安全钻进控制参数评价

欠平衡钻进过程中,气体侵入井筒后,环空出现多相流动状态。由于气体具有可压缩性,环空压力场随着气体的侵入及侵入量的改变而呈现复杂的变化．整个井筒压力剖面将出现波动。、为使地层气体可控制地侵入井筒．需要及时调节控制回压和钻井液排量,保证井底压力在安全密度窗口内,维持合理的井底欠平衡状态,以实现安全钻进。、文中根据欠平衡钻进井筒压力平衡关系,建立了井底压力控制模型。通过分析影响井底压力的参数．建立了影响井底压力控制的安全钻进控制参数模型．并以控制回压为例给出了具体的求解流程。以新疆某井为例．说明控制参数对井底压力和环空压力场的影响、研究结果表明：地层出气后,能够通过增加控制回压,采用正常循环排出的方式,将侵入气体排出井筒,实现安全钻进;增加钻井液排量,气液混合速度增大,环空摩阻增大．导致井底压力增加。     

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。     

酸性气体侵入井筒瞬态流动规律研究

酸性气藏一般位于海相沉积,钻井液安全密度窗口极窄,钻井过程中酸性气体易侵入井筒,发生气侵后井筒流动变得十分复杂,易造成井涌、井喷等井下故障。为实现气侵时井筒流动的准确预测与控制,将井筒流动与地层非达西渗流耦合,井筒流动、传热和流体物性耦合,建立了酸性气体侵入井筒瞬态多相流动模型,并引入酸性气体溶解度公式,给出了模型的求解方法。利用某井的基本数据,模拟了酸性气体气侵时的环空气液两相瞬态流动参数的变化特征,并对酸性气体气侵时的瞬态流动影响因素进行了敏感性分析。结果表明:酸性气体溶解度大,侵入后更加隐蔽,不易被检测到,但靠近井口处酸性气体溶解度降低,酸性气体大量析出,体积迅速膨胀,井筒压力降低迅速,井控更加危险。研究结果可为酸性气藏钻井井控参数设计提供指导。      

水合物钻探井筒多相流动及井底压力变化规律

天然气水合物钻探过程中,破碎后的水合物碎屑伴随钻井液上升到一定位置后开始分解,分解出的天然气使井筒流动变为复杂的多相流,导致井底压力预测困难,甚至可能引发井涌等复杂情况。针对这一问题,考虑水合物分解和相变热的影响,建立了水合物层钻井中的井筒多相流动模型和传热模型。通过对模型的求解,分析了水合物分解临界点和井底压力的变化规律。结果表明,降低钻速和钻井液入口温度,有助于抑制水合物分解,稳定井底压力;增大排量,水合物临界分解位置降低,整个井筒中气体体积分数较小,井底压力较稳定;适当提高钻井液密度控制井底压力能够有效抑制水合物分解。在水合物层钻井时,应对以上参数进行优化,以避免因水合物分解而引发的事故。     

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。     

控制压力钻井气体溢流处理方法分析与改进

控制压力钻井(MPD)发生气体溢流后,如果处理不当有可能会造成进一步的溢流或者井漏,甚至会发展成为井喷。为解决以上问题,分析了控制压力钻井过程中影响井底压力稳定和井控安全的主要因素,给出了控制压力钻井最大允许气体溢流量的计算公式,并提出了一种控制压力钻井补液、排气新方法。通过数值模拟以及全尺寸井筒实验,证明了补液排气新方法的可行性,完善了控制压力钻井气体溢流的处理方法。     

井筒四相流动理论在深水钻完井工程与测试领域的应用与展望

海洋深水油气钻完井过程中,井筒内流体流动是一个多组分、存在相变及流型转化的复杂四相流动过程。为了进一步揭示深水钻完井井筒多相流动规律,基于井筒四相流动理论,阐述了其在深水油气钻完井工程领域的应用进展;然后,针对该理论在深水钻完井某些特殊工况下存在的局限性,展望了井筒多相流动理论未来的发展趋势。研究结果表明：①深水钻完井井筒四相流动理论能够充分考虑深水井筒中的各种物理化学现象,可以实现对井筒瞬态温度、压力的精确刻画,进而为深水钻完井水力参数优化设计提供坚实的理论基础;②深水钻井井涌发生后,在泥线低温高压环境作用下,井筒内气相易生成天然气水合物（以下简称水合物）相变,从而改变井筒气体体积分数的分布特征;③在井底高温高压作用下,井筒酸性气气体存在着超临界相变,导致高含酸性气体的气侵具有“隐蔽性”;④深水气井测试过程中,井筒四相流动理论能够准确刻画井筒内水合物沉积、堵塞全过程,为深水气井测试过程中水合物的防治提供理论依据;⑤深水钻井井筒多相流动理论今后的发展趋势,将涉及井筒与深水特殊地层耦合作用机制、深海水合物钻井井筒多相流动理论及支撑深水钻井新技术的井筒多相流动理论的研究。     

气举井生产宏观控制图的研制

以无因次井底流压为纵坐标．无因次注入气泼比为横坐标研制宏观控制图。用实际注入气液比和经济极限注入气液比优化设计得出的优化注入气液比、正常生产井底流压和允许的最小井底流压等参数，将控制图分为卸载不到位区、资料核实区、合理生产区、超气量区、临禁区等5个区。根据油井的结构参数和生产数据，确定具体油井的生产动态在控制图中所处的位置，对处于不同区域的油井提出了相应的处理方法和建议。     

充气钻井井筒流动稳定性研究

以气液两相流理论为基础，分析了充气钻井的井筒压力分布问题。针对井筒压力分布对井眼尺寸的敏感性，给出了注气量计算方法。对井底压力和注气压力随井眼尺寸变化的情况进行了分析，给出了注气量与井筒压力分布的关系，并对其变化情况进行了解释。在满足携岩的前提下，大井眼所需的注气量与小井眼之间存在差别，同时指出了采用复合式井眼进行充气钻井的优势。所得结论对指导和实施欠平衡钻井作业和研究具有一定的理论参考价值。