变压力梯度下钻井环空压力预测

为准确掌握变压力梯度钻井环空温度和压力分布特性，基于井筒流体流动与传热理论，充分考虑分离器位置处流体"变质量"传热传质与循环流体物性参数随温度和压力的变化，建立了变压力梯度下钻井环空温度和压力预测模型，并应用双循环迭代算法对模型进行求解，开展了环空温度和压力分布数值模拟研究。研究结果表明：相比于常规钻井，变压力梯度钻井环空温度和压力分布曲线上均存在一个明显拐点，且拐点位置与分离器位置一致；由于具有低导热系数空心球的注入，变压力梯度钻井环空流体温度要低于常规钻井；分离器位置、分离效率、空心球注入体积分数和空心球密度等参数均对变压力梯度钻井环空压力分布有较大影响。     

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。     

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。     

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...     

含空心球钻井液分离流场数值模拟

为分析常规旋流分离器在深水含空心球钻井液双梯度钻井中分离回收空心球的可行性,建立了旋流器中分离场的RNGκ-ε湍流数学模型。利用计算流体动力学模拟给定工况下旋流分离过程,分析了旋流器内部压力场、速度分布特征及分离效率,岩屑的分离效率为78.99%,空心球回收分离效率达95.75%。结果表明在深水空心球双梯度钻井中采用常规旋流分离器回收钻井液中空心球可行,同时为改进结构设计、提高分离性能和降低能量损耗提供了一定依据。     

深层页岩欠平衡钻井气液固三相瞬态流动传热模型研究

井底压力的准确预测和有效控制是深层页岩欠平衡钻井作业的关键，但岩屑及环空流体与周围环境之间的对流换热对传统井底压力计算模型精度的影响较大。为此，建立了瞬态非等温井筒气液固三相流动模型，根据连续性方程和动量守恒方程，计算了流体速度、相体积分数和压力，并求解了不同径向层的能量守恒方程，得到了整个井筒–地层系统的温度分布，并采用迭代法，耦合求解了深度和径向方向上的温度、压力和流体性质；模型计算结果与欠平衡钻井作业的现场数据之间误差小于5.0%，验证了该模型的准确性与可靠性。基于所建立的模型，对比分析了考虑和不考虑岩屑存在及对流换热效应时预测的压力和温度差异，分析了欠平衡压差、机械钻速、地温梯度等因素对井筒压力和温度分布的影响规律。深层页岩欠平衡钻井气液固三相瞬态流动传热模型为控压钻井、欠平衡钻井在深层页岩油气中的高效应用提供了理论支撑。     

基于非等温三相流模型的欠平衡钻井井底压力预测

考虑欠平衡钻井中钻屑的影响以及由于地层和钻井液之间热量传递导致的温度变化,应用气-液-固三相流模型来模拟井筒流体,计算井筒温度和压力分布,分析不同参数对环空内流体压力和温度分布的影响.研究表明,与两相流模型及其他考虑地温梯度的三相流模型相比,考虑传热的非等温三相流模型能够更加准确地预测欠平衡钻井井底压力.井筒内黏性耗散...     

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。     

双梯度钻井分离器设计及其分离效率的研究

针对目前双梯度钻井中分离器的分离效率低的技术难题,设计了能够对空心球实现高效分离的过滤分离器。对过滤分离器的结构以及工作原理进行了介绍,基于分离器的结构,建立了工具的物理模型,依据给定的边界条件对其进行了强度校核,验证了工具的可靠性。根据工具的内部流场结构,建立了流体域物理模型,并结合多孔介质模型和欧拉多相流模型对分离器内部流场以及分离效率进行了研究,通过室内试验对分离效率进行了进一步的验证。验证结果表明,过滤分离器能够对空心球实现高效分离,其中最高分离效率可以达到98%,且过滤分离器的强度也满足安全需求。该研究突破了分离器分离效率不高的技术瓶颈,显著提升了注空心球双梯度钻井方式的可行性。     

深水多梯度钻井方法及仿真分析

油气勘探开发转向海洋尤其是深海已成为必然。与陆地和浅水相比,由于深水地层特殊的地质沉积条件,深水钻井面临地层压力和破裂压力之间钻井液安全密度窗口窄的问题,井筒压力很难保持在允许的压力窗口之间。为此,介绍了多梯度钻井技术的原理、采用低密度空心球随钻分离注入的实现方法以及其优点：①可以达到较高的空心球浓度（50%~60%）,钻井液密度降低明显;②钻井液返回海面后不必分离空心球,可重新循环;③隔水管内钻井液密度和钻杆内钻井液密度相当,不会产生U形管效应;④设备所占空间少,系统操作和控制相对简单。同时,编写了多梯度钻井的仿真程序,分析了空心球注入对压力变化影响效果。结果表明,采用空心球随钻分离注入技术能够实现对井筒压力的优化分配,使井底压力在较长的井段内介于地层压力和破裂压力之间,从而达到简化井身结构的效果。     

深水动态压井钻井井筒压力模拟

动态压井钻井技术可有效解决深水表层钻井过程中出现的溢流或井漏、井塌等井下复杂事故。为研究深水表层动态压井钻井过程中的压力变化特征,结合动态压井钻井基本原理,建立了动态压井钻井井筒物理模型,通过设定海水和加重钻井液的初始排量、排量随时间的变化率,推导出了变排量、变密度模式下的动态压井钻井井筒压力数学模型。根据墨西哥湾深水钻井实例数据,计算分析了动态压井钻井过程中环空密度、环空压力、环空压耗以及井底压力随时间的变化关系。结果表明,动态压井钻井技术的关键在于通过实时调整海水排量、加重钻井液排量控制混浆密度,进而控制环空液柱压力,达到深水表层安全钻井的目的;机械钻速是影响井底压力的重要因素,机械钻速越大,由岩屑产生的附加密度越大,井底压力越大。     

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.     

超临界二氧化碳钻井时瞬态波动压力

利用超临界二氧化碳开发油气藏资源极具潜力,但是有许多基础问题仍有待研究,瞬态井底波动压力变化问题是其中之一。基于超临界二氧化碳的物性,文中考虑了超临界二氧化碳与钻柱、井壁的传热,建立了井筒流动控制方程、瞬态控制方程,最终获得井底的热流固耦合瞬态波动压力模型。在停泵条件下,起下钻速度越快,井底波动压力越大。当地面入口温度增大时,最大波动压力降低;当地面出口压力增大时,最大波动压力增大;当起下钻速度为0.1~2.0 m/s时,最大激动压力从0.13 MPa升到3.86 MPa,产生的最大抽汲压力从0.13 MPa升到1.83 MPa。与清水钻井对比发现,超临界二氧化碳钻井产生的波动压力偏低,有利于现场作业,可以适当加快起下钻速度,提高工作效率。     

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。     

深水钻井增压管线开启判别及参数优化研究

深水钻井过程中钻井液从套管环空返至隔水管段时,由于隔水管段环空尺寸突然增大,钻井液流速降低,携岩效率下降,从而导致钻井事故的产生,而深水区域目的层压力窗口非常小,难以通过增大海上平台钻井泵排量的方法来提高隔水管段携岩效率.鉴于此,基于井筒流动与传热理论,考虑钻井液流变性随温度变化特性,提出了深水钻井增压管线开启判别方法...