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。     

气侵初期环空压力瞬态变化规律研究

文章在考虑了气侵初期水锤效应对井底压力影响的基础上, 建立了水锤——漂移流综合模型来准确描述气侵过程中环空压力的瞬态变化规律,并采用复合差分格式对该模型进行求解。结果显示气侵发生初期地层气体迅速进入井筒会引发气液交界面以上钻井液柱产生水锤效应,导致环空压力升高并随时间周期性波动,波动振幅随瞬态气侵速率的增加和瞬态气侵时间的减少而增大,而波动频率仅随瞬态气侵时间的减少而增大;在气液交界面以下的两相流区域内环空压力随时间近似线性降低。此外,地层渗透率、井底负压差越大,井眼尺寸越小,则瞬态气侵速率越大,水锤效应越显著,两相流区域内的环空压力下降速度越快。气侵初期的井底压力变化为早期气侵检测提供了可靠的理论依据。     

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。     

气侵期间环空气液两相流模拟研究

钻井过程中地层气体一旦侵入井眼,环空中会形成气液两相流,如果控制不及时或不当,极有可能产生井喷。为研究气侵期间环空中气液两相流的流动规律,以及时控制气侵及防止井喷的发生,以空气—钻井液为介质,分析了垂直井眼环空中气液两相流流型,建立了环空流场的物理流动模型,采用标准k-ε模型对紊流场进行模拟计算,在模拟条件下,得出了气侵发生前后环空气液两相流的流动规律与气侵期间井眼流体实际流动情况相符,并给出了气侵发生后,流体流型转变、气体运移速度及气体在环空空间上的分布规律。计算结果对井控计算机模拟研究具有一定的指导意义。     

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.     

天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术

天然气要溶于油基钻井液,其溶解度大小受多种因素影响。在超过临界压力和临界温度的井眼内,天然气有可能在油基钻井液中完全溶解凝析甚至发生超临界现象。所以,天然气侵入油基钻井液后的运移膨胀规律有别于水基钻井液的运移膨胀规律;在向上部井段运移过程中,溶解气存在反凝析挥发现象和气体因压力降低而发生的等温膨胀现象,这都将引起井筒气液体积比急速升高。若不对侵入油基钻井液的天然气进行井口控制,将可能引发灾难性事故。为了控制天然气侵入油基钻井液的风险,角51-1FM井在目的气层钻进时使用了旋转防喷器与液气分离器,对侵入油基钻井液的天然气进行井口脱气分离,取得了预期效果。     

哈萨克斯坦里海盆地M区块浅层气井控技术

浅层气难于防控的主要原因是气层埋藏浅,一旦打开气层,气体很快窜到井口,还没有来得及采取措施,已经发生井喷或井喷失控,即便是控制了井口,也容易憋破地层,气体窜至地面,造成财产损失、井眼报废和环境污染。哈萨克斯坦里海盆地的M区块,在270～510 m井段的不同层位埋藏着十分活跃的浅层气。钻井中为了做好浅层气防控工作和提高固井质量,对M区块前期发生的浅层气井喷情况采取了一系列行之有效的措施：①优化钻井设计;②第1次开钻井段,采用大排量循环固井,水泥浆返至地面,保证324 mm套管固井质量;③第2次开钻井段要注重1次井控;④第3次开钻井段采用设计钻井液密度和失水的下限,控制钻时,保证井眼清洁;⑤第4次开钻在碳酸盐岩地层钻进,注重硫化氢防护和防漏。推行上述配套技术,目前在该区块已经完井42口,避免了井喷失控,保障了钻井工程的安全、质量和速度,保护了资源和环境,为同类浅层气井的钻井施工提供了经验。     

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。     

太阳构造页岩气水平井固井技术研究与应用

太阳-大寨区块浅层页岩气水平井埋深浅、水垂比大、上部浅层气活跃,固井施工存在套管安全下入难度大、固井后早期气窜、固井质量差、对水泥浆性能要求高等难点.通过技术攻关与集成应用形成了以井眼清洁、漂浮下套管技术、高效冲洗液、早强抗盐防气窜韧性水泥浆体系、短候凝浆柱结构、调整钻井液性能等提高此区块水平井固井质量的关键性技术措施...     

川西深井协同控制立压与套压循环排气研究

考虑压力波速、井底压力响应时间、气体滑脱等因素,结合立管压力与套管压力对U形管的共同作用原理,通过协同控制立管压力与套管压力,建立了抑制井底气侵的控制方程。提出了协同控制套管压力-补偿环空压降模型,利用计算机编程对其求解。以某深井钻井为例,结果表明,气侵量增大、气侵发现延迟,套管压力呈现增大趋势; 气侵从井底循环出井口的过程中,套管压力呈现先增大后减小的控制趋势; 当井底出现气体时,立管压力首控同套管压力首控比较,4 000 m井深的首控时间可节约75.4%,这是由于立管中未遭受气侵,几秒内可将立管压力作用于井底,而套管中遭受气侵,呈现多相流动形式,井底接受套管压力的响应时间滞后数十秒; 发现气侵后,首控立管压力,抑制气侵发生,同时微调套管压力,可达到快速抑制气侵的目的。     

静气柱压力计算方法的应用(下)

在勘探开发中有许多实用问题的计算需要以纯天然气井静气柱压力计算方法为基础,上文已介绍纯天然气井静气柱计算方法用于气井井口最高稳定关井压力预测、采气井口装置的选择、油层套管适用性校核、气侵后封闭压力的计算,现介绍用井底组成计算井口组成、混和气体气柱压力计算公式的简化、井筒中气液压力分布特征、井筒中井底井口饱和含水汽量相关计算等。     

浅层气处理技术在哈萨克斯坦蒙泰克地区M-3A井中的应用

哈萨克斯坦国蒙泰克地区普遍存在浅层气,该地区M-3井因浅层气井喷导致勘探失败。为了尽快开采早白垩世和侏罗纪油层,在M-3井相邻位置重新部署M-3A井,充分利用国内成熟的浅层气处理技术,保证成功完钻。浅层气在二开中出现,对浅层气的预防处理是该井勘探成败的关键。开钻前需要根据当地地质特征设计出合适的钻井液,预防二开浅层气可能造成的井喷与井漏,同时制定出一套完整的浅层气处理预案。钻探落实浅层气出现于293 m深度处。钻遇浅层气时,钻时减小、循环钻井液气测值增大,出口钻井液密度减小,通过停钻循环、增加钻井液密度等措施成功控制了浅层气。在钻井过程中采取短起下等操作疏通井眼,通过倒划眼操作解决了起钻过程中出现的拔活塞现象,有效控制了浅层气。为同类油井的施工提供了经验。     

钻井中节流阀动作引发的气液两相压力响应时间研究

考虑角频率、气侵量及相间阻力等因素,基于双流体模型,建立了钻井中节流阀动作引发的压力响应时间模型,通过小扰动理论及龙格库塔方法编程对其求解。结果表明,随气侵量减小/套压增大,减小了气液压缩性,使环空中各点的压力波速增大,从而环空各点压力响应时间减小;气体沿环空从井底向井口运移中,空隙率持续增大,压力响应时间呈逐渐增大趋势;在井口环空段,由于空隙率急剧增大,使压力响应时间急剧增大;在控压钻井多相流计算及自适应节流阀控制中,考虑节流阀动作产生的压力响应时间,可使控制精度大幅提高。     

维持井壁稳定的充气钻井液密度确定方法研究

随着我国西部和海洋深层天然气勘探开发不断加快、深入，钻井不断遇到高温、高压、气侵环境，受气体侵入的井筒钻井液其密度随温度和压力的变化而变化，这导致常规井壁稳定研究确定的当量静态钻井液密度不能有效地阻止井下井壁坍塌、缩径引起的复杂情况。国内外高温高压条件下钻井液密度计算模型存在着明显的问题：①没有考虑气体在环空中的影响，此时环空中是气液两相流体的流动，不能用单相液体的情况来对待；②井筒温度用地温梯度来代替不合理。为此，在确定有气侵、压耗和温度影响的有效安全钻井液密度时，分析了气液两相钻井流体受井筒压力、温度、气侵量与钻井液密度的相互影响关系，结合地层参数、钻井水力参数和钻柱结构，通过对温度场与压力场的耦合求解，获取了有效安全钻井液密度的下限和上限，计算结果在实际钻井中得到了较为成功地应用。     

气侵后井底初始气泡平均直径预测模型实验研究

为了提高气侵后井筒气液两相流动计算结果的准确性，实验分析了气侵后井底初始气泡直径分布特征，建立了初始气泡平均直径预测模型。用不同质量分数黄原胶溶液模拟钻井液，用多孔介质模拟地层，实验分析了不同液相流变性、地层平均孔隙直径和不同气侵速度下井筒底部气泡群的直径分布特征。实验结果表明：模拟钻井液切力越大、气侵速度越大，生成的初始气泡直径范围越大，出现频率最高的气泡直径和最大气泡直径均增大；地层孔隙直径对初始气泡直径影响不明显。基于实验结果，综合考虑钻井液黏度、气体流量和表面张力等因素的影响，得到了侵入井底初始气泡平均直径实验预测模型；并考虑实际钻井过程中井壁处气体径向侵入特征和井斜角的影响，建立了侵入井底初始气泡平均直径预测模型。井底初始气泡直径预测模型的建立，为气侵后井筒气液两相流动精确计算提供了理论支撑。     

对井涌关井气体升移的探讨

对文献[1]、[2]中井涌关井后气柱在上升至井口过程中体积和压力不变的说法进行了分析，提出其中存在的问题，并利用相关理论进行了论证。指出，井涌（或井喷）关井后，气体在上升过程中，其压力和体积都是在不断变化的，甚至在深井中，井底不可能形成气柱，侵入井眼的气体以液态形式存在。     

国外充气钻井液钻井技术

充气钻井液是一种密度范围在0．47～0．83g／cm^3之间的气（通常为空气或氮气）液（通常为水或油）混合物，钻井中将气体通过地面设备连续不断地注入钻井液，使其呈均匀气泡状分散于钻井液中，从而达到降低环空液柱压力的目的。一般在典型的以φ89钻杆钻φ152井眼时液体的泵注速度范围在0．3785～0．757m^3／min之间，气体的注入速度范围在7．08～35．4m^3／min之间，环空返出的充气钻井液，经地面除屑、除气后可重复使用。在应用过程中，由于井内流动为两相流（液-气）或三相流（液-气-固），因此钻井前需进行优化设计，达到液／气流量的最佳组合及体积优化，充分了解如何保持钻进时的压力稳定，了解在水平井和斜井中的钻井水力学等。文中对充气钻井液的气／液流量优化、水力学研究以及国外利用该技术在水平井和海上钻井的席用情阿作了详细介绍．     

井筒气侵后井底压力变化的计算分析

钻井过程中一旦发生气侵,如果控制不当,容易出现井涌、井漏、井喷等井下复杂事故.为了更有效地控制钻井过程中的井底压力,确保钻井安全,根据钻井过程中井筒多相流动的特点,建立了井筒气侵后井底压力的计算模型,并利用有限差分法对模型进行了求解.通过仿真算例,讨论了排量、井口回压、钻井液密度、钻井液黏度、井底初始压差和气相渗透率对...     

顺南区块裂缝性储层置换式气侵影响因素研究

塔河油田顺南区块塔中北坡奥陶系鹰山组上段属于碳酸盐岩裂缝孔洞型储层,钻进该层段时气侵现象严重,现场常采用提高钻井液密度和循环排气的方式处理气侵。为解决裂缝性储层在高密度钻井液条件下易发生漏失、循环排气方式处理时间较长等问题,对裂缝性储层置换式气侵发生时间的影响因素进行了研究。通过建立漏失速率模型与置换式气侵模型,分析了裂缝宽度、高度、长度,地层压力、压差及钻井液的黏度、密度对气侵发生时间的影响。研究发现,裂缝宽度越小、高度和长度越大,钻井液黏度越大、密度越小,以及地层压力越低、压差越大时,气侵发生时间越长。研究结果表明,现场施工中合理控制钻井液密度和压差,可以控制和减小置换式气侵速度。      

气侵对油井出砂的影响

油气两相流动增加了油流阻力，空化气泡的溃灭产生空蚀；油井生产时井眼内遥气柱使地蝇底压力蛎井壁发生剪切破坏的可能性关井时气侵产液使井底压力升高，容易造成井壁的拉伸破坏。所有这些的综合作用，导致了油井出砂量大增。因此无论是进行出砂预测，还是进行预防都有必要考虑气侵的影响。