充气钻井井筒压力分布规律研究.pdf

断块油气田2 0 0 8年1月第1 5卷第1期 1物理模型 在石油工业中,欠平衡钻井可以减少地层伤害, 提高机械钻速,解决常规钻井中不易解决的地层坍 塌、 地层漏失和异常压力等问题。其中, 井筒压力分布 规律是实施充气钻井、 了解井底欠压值大小和压力控 制的重要依据[ 1 - 2] 。 进行欠平衡钻井时, 充气或泡沫钻井液自井口注 入, 流经钻柱、 钻头, 到达井底携带岩屑并与进入井筒 内的地层流体 油、 气和水 混合, 然后沿环空上返出 井口到达地面。在这一过程中, 钻柱内流体处于气-液 两相流动状态, 而环空中流体处于气-液-固三相流动 状态。任一时刻井底的压力状态直接取决于井筒内各 相流体的流动特性、 相分布特性、 地层流体的侵入状 况及井口回压的控制值。在上述欠平衡钻井过程中, 井筒内复杂的多相流体流动规律研究和描述是问题 的关键,它直接关系到井口回压控制规律的制定, 进 而影响到井底压力的最终状态 见图1 。 图1钻杆内注气物理模型 S t u d y o nw e l l b o r e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o nr u l e i na e r a t i o nd r i l l i n g F uZ a i g u o S c h o o l o f P e t r o l e u mE n g i n e e r i n g,Y a n g t z e U n i v e r s i t y,J i n g z h o u4 3 4 0 2 3,C h i n a , S u nY i n g h o n g,L i Y o n g . B a s e do nt h et h e o r yo f m u l t i p h a s ef l o wa n du n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g , t h i s p a p e r d e s c r i b e s t h ep r e s s u r ec o n t r o l i s s u ed u r i n g a e r a t i o nd r i l l i n g . T h e p h y s i c a l m o d e l o f a e r a t i o nd r i l l i n g , w h i c hi s f i t f o r t h ea e r a t e du n d e r b a l a n c ed r i l l i n g , h a s b e e ne s t a b l i s h e d . T h e p a p e r g i v e s t h e t h e o r e t i c m o d e l o f t h e m u l t i p h a s e f l o wo f c a l c u l a t i n g w e l l h o l e p r e s s u r e a n dt h e n u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o d . F u r t h e r m o r e , t h e p a p e r s h o w s t h e i n f l u e n c e o f t h e b o t t o m h o l e p r e s s u r e o nt h e v a r i o u s w e l l h e a dp r e s s u r e a n dg a s i n f l o wr a t e , a n d g i v e s t h e r e a s o n s f o r t h e i n f l u e n c e r e s u l t s . T h e s t u d y c o n c l u s i o n s c a nb e u s e dt o r e v i s e t h e b o t t o m h o l e p r e s s u r e d i f f e r e n c e a n dc a n p r o v i d e a n i m p o r t a n t r e f e r e n c e f o r t h e f i e l d a p p l i c a t i o n s . K e y w o r d sa e r a t i o n d r i l l i n g , p r e s s u r e c o n t r o l,m u l t i p h a s e f l o w . 收稿日期2 0 0 7 - 0 4 - 1 6。 作者简介付在国, 男,1 9 8 3年生,2 0 0 5年毕业于长江大学石油 工程学院,现从事油气储运和多相流研究工作。电话 0 7 1 6 8 0 6 0 4 5 7,E - m a i lf u t u 2 0 0 1 1 6 3 . c o m。 充气钻井井筒压力分布规律研究 付在国 1 孙应红 2 李勇 3 1 .长江大学石油工程学院, 湖北 荆州4 3 4 0 2 3;2 .胜利石油管理局井下作业四公司,山东 滨州2 5 6 6 0 6; 3 .塔里木油田开发事业部, 新疆 库尔勒8 4 1 0 0 0 基金项目 长江大学科研发展基金项目, 项目编号2 0 0 7 3 4 0 摘要以多相流理论和欠平衡钻井基本原理为基础, 研究了充气钻井的压力控制问题, 建立了适合充气欠平衡钻 井的物理模型, 同时给出了井筒压力计算的多相流理论模型和数值求解方法。结合现场资料, 计算了充气钻井时井筒压力 随回压和注气量的变化情况, 并对其变化情况进行了解释。得出的结论为进行合理的欠压值设计提供了理论依据, 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。 关键词充气钻井压力控制多相流 中图分类号T E 2 1文献标识码A 文章编号1 0 0 5 - 8 9 0 72 0 0 80 1 - 0 9 0 - 0 3 断块油气田 F A U L T - B L O C KO I LA为面积,m 2 ;ρ为密度,k g m - 3 ;E为体积分数;η为质量分数;v为速度,ms - 1 ; [T k] 为二阶应力张量。 [T k] P x x P x y P x z P y x P y y P y z P z x P z y P z z ’ * , 5 3数值求解 3 . 1模型数值计算的假设条件 由于井筒横截面尺寸远远小于纵向尺寸,故井筒 内流体可视为沿井眼轴线方向的一维非定常流动。 井筒内流体不考虑油气间的相态转化, 油、 气与水 和钻井液间无质量交换。 井筒与地层之间的传热为稳定径向传热方式, 井 内流体处于热力学平衡状态。 不考虑液体的压缩性。 3 . 2数值计算 对充气欠平衡钻井相应的微分方程采用有限差分 方法进行求解,其中的空间域就是整个井筒和有流体 流出的地层,时间域就是从计算的初始时刻起到计算 结束的整个时间段。 通过在定解域内网格划分, 分别将气、 液的质量守 恒方程和动量方程表示成差分方程组。从数值计算的 角度来看, 差分方程组具有二阶精度, 在取定合理的边 界条件和定解条件下进行求解,能够满足工程上的精 度要求。 4计算实例 4 . 1基本数据 井深30 0 0m, 井径0 . 2 2m, 钻杆外径0 . 1 2 7m, 钻 井液密度1 . 2gc m - 3 , 钻井液黏度0 . 0 3P as, 钻井液排 量0 . 0 2m 3 s - 1 , 井口温度2 5℃, 井底温度1 3 0℃, 气体 黏度0 . 0 0 08P as。 4 . 2计算结果 分别以井口回压和注气量为变量,对井底压力的 大小进行计算, 并将结果绘制成曲线 见图2, 图3 。 图2井口回压对井底压力的影响 从图2可知, 在其他条件不变的情况下, 当注气量 一定时, 随着井口回压的增加, 井底压力逐渐增大。当 回压较小时, 井底压力随着回压的增大上升较快; 但是 当回压较大时, 井底压力随着回压的增加而平稳增加。 付在国, 等 充气钻井井筒压力分布规律研究 9 1 断块油气田2 0 0 8年1月第1 5卷第1期 同时注气量越大, 在回压较低时, 井底压力也较小, 但 是变化较剧烈。 出现上述现象的原因是 井口回压增加 使得环空内气体的压缩程度增加,气液两相流发生流 态转变的程度减小,在靠近井底处流动处于泡状流状 态, 回压越大, 则泡状流向段塞流的转变越慢, 流动产 生的压耗越低,但是压耗和回压相比不是主要的影响 因素, 从而导致井底压力随回压增大而增大。 图3注气量对井底压力的影响 从图3可知, 在其他条件不变的情况下, 当回压一 定时, 随着注气量的增加, 井底压力逐渐降低。但是回 压越低, 井底压力随注气量的增加而降低的幅度越大; 回压越高, 井底压力随注气量增加而降低的幅度越小。 出现这种现象的原因是注气量增加使得环空内的气 体总量增加, 气液两相流发生流态转变的程度增大。 在 井底的泡状流向段塞流转变的过程就会变快,流动产 生的压耗增大, 井底压力就降低。 但是也要指出, 当注气量很小时, 全环空内几乎都 处于泡状流状态,其井底压力会比没有注气时要小一 些,这是因为此时有很少的气体存在而使得井筒的流 体密度降低, 井筒静液柱压力降低, 从而导致井底压力 减小[ 5] 。 5结论 1 在充气钻井中, 环空流场处于多相流动状态。 运用质量守恒、 动量守恒和能量守恒等基本物理定律, 给出环空内多相流动的基本方程,采用有限差分的数 值方法进行求解。 其结果合理, 基本符合充气钻井现场 应用。 2 当注气量一定时, 随着井口回压的增加, 井底 压力逐渐增大。 但是回压较高时, 井底压力成线性平稳 增加。 注气量大、 回压低时, 井底压力小, 但是上升幅度 较剧烈。 3 当回压一定时, 随着注气量的增加, 井底压力 逐渐降低。 但是回压越低, 井底压力随注气量的增加降 低的幅度增大; 回压越高, 井底压力随注气量增加而降 低的幅度减小。 参考文献 [1] 刘刚, 邢纪国, 夏宏南.欠平衡钻井节流压力控制技术[J].江汉石油 学院学报,2 0 0 2,2 44 5 3 - 5 4 . [2] 刘 刚, 杨忠峰, 郑力会, 等.欠平衡钻井计算机伺服控制节控箱试验 研究[J].石油机械,2 0 0 1,2 95 9 - 1 1 . [3] 李相方, 庄湘琦, 隋秀香, 等.气侵期间环空气液两相流动研究[J]. 工程热物理学报,2 0 0 4,2 51 7 3 - 7 6 . [4]S u p o n S B,A d e w u m i MA . A n e x p e r i m e n t a l s t u d y o f t h e a n n u l u s,p r e s s u r e d r o p i n a s i m u l a t e d a i r d r i l l i n g o p e r a t i o n[J]. S P ED r i l l . E n g . , M a r c h 1 9 9 17 4 - 8 0 . [5] 刘刚,朱忠喜,张迎进, 等.空气钻井中的压力及注气量问题研究[J]. 钻采工艺,2 0 0 5,2 82 4 - 6 . 编辑 赵卫红 欢 迎 新 老 读 者 惠 赐 稿 件 E - ma i l d k y q t v i p . 1 6 3 . c o m “ “ “ “ 9 2