气侵期间垂直环空气液两相流动模拟分析

钻井过程中,储层气体侵入井眼后将与钻井液在环空中形成气液两相流,若控制不好极易诱发井涌或井喷,尤其是含CO2、H2S等酸性气体的侵入,对储层、钻井装置和人的生命安全都构成了巨大的威胁。基于计算流体动力学方法,采用瞬态VOF模型对纯天然气气侵与含CO2、H2S酸性混合气气侵两种情况下的环空气液两相流场进行数值模拟研究,得出了不同气侵条件及气侵发生前后的环空流体流动规律,给出了气侵的动态过程、气液两相流型及各组分气体的分布情况。     

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。     

气侵期间套压的控制作用分析

以环空气液两相流动为理论基础,建立了井筒气侵流动计算模型,同时给出了计算模型的数值求解方法。通过研究不同气体侵入速度和井口工作套压对侵入气体体积和井底压力的影响作用,分析了发现溢流后,在井口加压的控制作用,提出了在循环钻进时维持一定的井口工作压力,发现溢流后提高井口压力的控制方法。这种作业方式能够有效的减缓气体的侵入、已侵气体对井眼的影响作用,控制气侵流体在井眼中的膨胀运移,降低井控作业的风险。     

工作套压对气侵流体的控制研究

以环空气液两相流动的理论为基础,建立了井筒气侵流动计算模型,同时给出了该模型的数值求解方法。研究了不同气体侵入速度、井口工作套压对侵入气体体积和井底压力的影响,分析了发现溢流后井口加压的控制作用,提出了在循环钻进时维持一定的井口工作压力及发现溢流后提高井口压力的控制方法。这种作业方式能够有效地减缓气体的侵入及已侵气体对井眼的影响,控制气侵流体在井眼中的膨胀运移,降低井控作业的风险。     

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。      

高含硫地质环境钻井硫化氢气侵规律研究

针对硫化氢的特殊物性,研究了硫化氢组分、气体偏差因子、硫化氢黏度等重要的物性参数对气侵两相流的影响.运用气液相流的原理和方法,建立了硫化氢气侵时环空气液两相流流动模型,研究了硫化氢气侵时井底压力和井筒压力的特征及变化规律,并用实例对理论模型进行了验证,进而分析了气侵时钻井液密度、钻井液黏度、井口回压、井底气侵速率等重要参数对井底压力的影响规律.在确定钻井液附加密度时,应充分考虑硫化氢气侵对井底压力和井筒动压的影响规律,其结果会更加合理.     

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。     

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。      

压力波气侵检测理论及应用

压力波在气-液两相流中传播速度模型被分析和研究表明:压力波在气液两相流中传播速度远低于在纯液与纯气中传播速度.在一定的井深及泥浆性能等情况下,对于一定的地层进气量,在环空中将出现对应的气液两相流型及对应的气体上升速度.根据压力波在环空中传播时间变化情况,通过求解气液两相流偏微分方程组,可以在地层气体侵入井眼不久即可检测出气侵高度及气体含量.本方法比传统方法发现气侵的时间早得多.     

旋流扶正器作用下环空中气液两相螺旋流场压降研究

目前国内外对于旋流扶正器作用下环空中螺旋流场的研究主要针对单相流体。结合两相流的特点,借助于螺旋角的概念,修正了达西公式中的沿程阻力系数的计算公式,最终得到了环空中气液两相螺旋流场压降的计算方法,并进行了试验验证。运用VB语言编写了环空中气液两相螺旋流计算分析软件,分析了螺旋流场的非线性衰减特征。     

钻遇多压力系统气层溢漏同存规律研究

钻遇多压力系统气层,多个不同地层压力系数的漏层、喷层常同存于一个裸眼中,钻进过程极易发生溢漏同存的复杂情况。目前国内外对多压力系统气层溢漏同存的研究,往往局限于现场堵漏压井处理工艺技术。文中阐述了多压力系统气层溢漏同存时的物理规律,并根据井筒环空多相流的理论建立了数学模型,系统总结了气液两相流型转换准则和不同流型的压降计算公式,得出了不同工况下多压力系统气层溢漏同存时的井筒环空压力曲线,以及气液两相流型沿井深的分布。计算结果表明:溢漏同存时井筒环空压力迅速下降,溢流态势更加严重;井筒环空的液体流量急剧减少,气体迅速向上滑脱和运移,导致气液两相流型分布变化较大,模拟结果对现场溢漏同存处理技术具有重要的指导意义。     

“硬关井”水击压力计算及其应用

根据气侵后环空气液两相流分布特点及水击压力在气液两相流及单相流中传播特点，计算了“硬关井”情况下的水击压力变化情况。研究表明：对于气侵情况，硬关井引起的水击压力对井眼中下部影响很小，主要作用于井口装置；如果并口流速不太大，可以采用硬关并，以便减少地层流体进一步侵入。     

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。     

深水气井测试温压场耦合模型求解及实现

为求解深水气井测试温压场耦合模型，需优选气液两相流动模型，结合两相嘴流模型、两相持液率公式、两相产能方程，建立关于时间和空间的非稳态压降与传热模型差分方程组，并采用Newton Raphson方法计算，实现对开井放喷瞬态过程的模拟。结果表明：①该方法真实再现了放喷过程中液位上升和地层产气等2个阶段；②预测井口参数与现场工况吻合，井口压力、温度平均误差小于5%，满足工程精度要求；③模拟结果再现了井筒内诱喷液及测试完井液动态过程，为合理制定测试设计提供依据；④高产能深水气井测试期间，应采用较大尺寸管柱及油嘴放喷，提高清井速度，防止冰堵。算例分析结果表明数学模型真实反映了深水气井测试放喷过程。该研究成果对深水气井测试方案设计及后续跟踪评价具有指导意义。     

井身结构变化及尾管回接对井控的影响分析

在深井井身结构设计中,为了解决悬挂尾管后继续钻进是否需要进行尾管回接的问题,建立了钻遇高压气层发生气侵时的环空气液流动模型,模拟了井筒横向尺寸变化对环空气液两相流动规律的影响,分析了不同尾管悬挂深度下气侵过程中的井底压力、钻井液增量、监测到一定钻井液增量所需时间的变化规律,以及压井过程中套压峰值和套压峰值到达时间的变化规律。结果表明:尾管回接改变井身结构后,随着尾管悬挂深度的减小,井底压力和钻井液增量剧烈变化阶段先提前后延迟;尾管回接到井口后,溢流发现时间比尾管不回接时要短,有利于溢流的早期发现;在相同溢流量条件下关井,尾管回接到井口后的压井套压峰值比尾管不回接时大;套压峰值到达时间变化不显著。      

基于能量守恒定律的气井井筒携液工况诊断模型

井筒积液的产生对气井稳产有着较大的不利影响,而现有的井筒积液诊断方法又存在着应用局限性。为了明确产液量较大时气井井筒中两相流的携液机理、准确诊断井筒积液存在情况、合理制订气井生产措施,在前期研究的基础上,基于能量守恒定律,建立了气液两相垂管流的携液工况诊断新模型,通过与现场实践统计、室内实验数据进行比较,对新模型的准确性进行了验证,并采用新模型对某产液气井的携液工况进行了分析。研究结果表明:①产液量较少时,新模型计算得到的临界携液气量明显低于Turner模型的计算结果 ;②随着产液量增大,采用新模型计算得到的临界携液气量逐渐增大,并且压力越高,临界携液气量增大越明显;③气液两相垂管流的流型可分为气泡流、段塞流、过渡流、波浪流和环雾流5种,当两相流型为过渡流、波浪流或环雾流时,井筒中不存在积液。结论认为,新模型计算结果与现场实践统计、室内实验结果基本一致,诊断结论符合实际,具有普适性,可以为产液气井的携液工况诊断和积液预防提供理论支撑。     

欠平衡钻井正气举过程井筒瞬态流动数值模拟

正举法气举作业的实施效果直接决定着欠平衡钻完井施工的成败,特别是气举过程中的井下压力动态演变,关系到整个作业过程中的井控安全。正举法气举作业的实质是在井下停止循环的初始条件下氮气连续气举作业,井下流体由静止状态到气体穿越液体滑脱至井口的不同于常规稳态流动的瞬态气液两相流动。针对这一特殊流动研究,完成了停止循环开井条件下气举时井下瞬态气液两相流动特征参数变化数值模拟计算方法和数学求解模型的建立,通过实际井数值计算连续气举时井下瞬态气液两相流特征参数变化得出规律性认识,如氮气沿井眼滑脱上升运动速度逐步加大、顶出钻井液随时间的增多、井底流压瞬时波动在初始阶段最大等。研究成果丰富了欠平衡氮气钻完井施工正举法气举作业的井筒流动模型体系和压力控制方案,增强了该特殊流动规律的认识,为井控安全提供了理论保障。     

基于立压套压的气侵速度及气侵高度判断方法

为防止钻井井喷失控,针对钻井气侵情况,从井涌及压井过程中井筒溢流特性出发,建立了气液两相流气侵计算模型,给出了不同时期的初边值条件,采用有限差分法求解。模拟结果表明,钻进期间立管压力与气侵速度和气侵高度呈一一对应关系,常规压井期间套管压力与气侵速度和气侵高度呈一一对应关系。基于以上原理提出了钻进期间立管压力法和压井期间套管压力法,利用相关系数判断钻进及压井期间不同时刻的气侵速度及气侵高度。并开发了计算机自动判断气侵速度及运移高度系统,为气侵参数的判断提供了理论依据。TE21 文献标识码: A