地层水侵入对连续管泡沫钻井参数的影响.pdf
大 庆 石 油 学 院 学 报 J OURNAI 0F DAQI NG PETROLEUM I NS TI TUTE 第 3 4卷 第 1 期 2 0 1 0年 2月 Vo 1 .3 4 No .1 F e b . 2 0 1 0 地层水侵入对连续管泡沫钻井参数 的影响 张小宁,李根 生,黄 中伟 ,田守增,史怀忠 中国石油大学 油气资源与探 测国家重点实验室 , 北京 1 0 2 2 4 9 摘要 针对连续管泡沫欠平衡钻井过程 中地层流体侵入 问题 , 建立 连续管泡沫钻井 中地层 流体侵入模型.采用交 错 网格对该模 型进行离散 , 并利用 S I MP I E C方法结合亚松弛方法 求解离散方程.实例 分析 表明 , 地层水 侵入流量琏 注 气流量的增大而增大 , 随产水指数 的增大而增大.地层水的侵入使井底压力增加 , 泡 沫稳 定性降低, 泡沫携岩能力增 强, 而且产水指数越大 , 影响越明显; 增加注气流量或减少 注液流量可减 弱甚至抵 消地层水侵入 对井底压 力、 泡沫稳定性 和 泡沫携岩能力 的影响. 关键词 连续管 ; 泡沫钻井 ; 地层水侵入;井底压力 ; 泡沫稳定性 ; 泡 沫携岩能力 中图分类号 TE 2 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 01 8 9 1 2 0 1 0 O 1 0 0 6 8 一O 4 0 引言 以泡沫 作为钻 井液 在地层 中钻进 时 , 井 底压 力低 于地层 压 力 , 地层 流体 会 侵 入到 环 空 中 , 使 泡 沫物性 发生变化, 从而影响泡沫的携岩能力 、 稳定性和井底压力 , 对钻进产生不利影响.因此 , 在进行水力参数设 计时 , 需预测地层流体侵入流量 , 然后通过改变环空井口回压、 注气流量和注液流量 , 使泡沫满足稳定性条 件 和携岩要 求 , 实现井 底合 理 压差 .地 层 流体 一 般包 括 油 、 气 、 地 层水 , 泡 沫钻 井 液 主要 用 于 出 水层 中钻 进 .采用 连续 管进行 泡沫 钻井 时 , 一般 采用 常规管 柱 和 常规 钻 井液 钻 至储 层 上方 , 起 钻 下套 管 固井 , 然 后 用连续管和泡沫钻井液在储层中水平钻进.研究泡沫钻井水力参数时, 多假定地层流体是稳定侵入, 即地 层流体侵入流量不随井深和时间变化L 1 ] .实际上, 当储层 比较厚时 , 特别是在储层中水平钻进 时, 井眼 在储层中裸露距离比较长, 地层流体侵入流量比较大 , 并且环空压力在不同井深处和不同时刻是不同的, 所 以地 层流 体侵入 流量是 随井 深和时 间是变 化 的.李 相方 和 汪志 明等 ] 研 究 了充气 钻井 液欠 平衡 钻井 过程中地层流体侵入问题.笔者通过建立连续管泡沫钻井地层流体侵入模型 , 并给出相应的求解方法, 结 合实例 计算 , 分析地 层水侵 入对 连续 管泡沫钻 井参 数 的影响. 1 模 型的建立 假设 i 泡沫为均质单相流体 , 即在环空同一横截面上泡沫物理性质相同; 2 泡沫满足幂律流变模 式 , 采用文献[ 4 ] 给出的公式确定稠度系数和流性指数 ; 3 泡沫温度等于地层温度 ; 4 忽略泡沫中气相在 液相 中 的溶 解 , 且 两相 间无化 学反应 , 无热量 交换 ; 5 地层侵 入流体 和 泡沫兼 容性 比较好 . 1 . 1连续 性方程 与动量 方程 根 据文 献[ 3 ] , 泡沫在 环空 中一维 不稳定 流动 的连续 性方 程和 动量方程 分别 为 孥 一 1 一蓑 鲫s 一 , a t a z a z r 。 、 、 2 D 。 ’一 收稿 日期 2 0 0 9 ~1 01 6 ; 审稿人 艾池; 编辑 郑丽芹 基金项 目 国家“ 9 7 3 ” 重点基础研究规划项 目 2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 4 ; 国家油气重大专项 2 0 0 8 Z X0 5 0 3 6 0 0 3 作者简介 张小宁 1 9 8 1 一 , 男 , 博 士生 , 主要从事油气 井工程与流体力学方面的研究. 6 8 第 l期 张小 宁等 地层 水侵 人对连续管泡沫钻井参数的影响 式 中 p f 为泡沫密度 ; U 为泡沫在环空 中的流动速度 ; 为源项 ; 为压力 ; 0为井斜角 ; f 为摩擦因数嘲; g 为 重力 加 速度 ; D 为环 空水 力 直径 . 源 项 S 为单 位 时间单 位 环空 体积 中地层 流体 侵 入 的质 量流量 , 公 式 为 f 一 盟 , 3 a n 式中 10 。 , I D , 分别为地层油、 地层水 、 标准状况下地层气 的密度 ; q ⋯ , q , , q r e , s c 分别为单位时间单位厚 度地 层 油 、 地 层 水和 标况 下 地层 气侵 入 体积 ; A 为 环空 横截 面 积. q 。 , q , q 由生产 指数 、 地层 压力 和 环空 压力 确定 , 由于钻 穿地 层 所需 的 时 间 比较 短 , 可 认 为生 产 指数 和 地层 压力 为 常数 , 而环 空 压力 在不 同井 深 处 和不 同时 刻是 不 同 的 , 即 源项 随井 深 和 时 间是 变 化 的 , 因此 连续 性方 程式 1 考 虑 了井 深 和 时间 不 同时 , 地层 流体 侵 入对 泡 沫流 动 的影 响. 1 . 2气体 状 态方 程 采用 真实 气 体状 态方 程表 述压 力 、 温 度和 密 度之 间 的关 系 , 即 p M g , 、 一 ’ 式 中 为 泡沫 气相 密度 ; Mg为泡 沫气 相摩 尔 质量 ; Z为气 体压 缩 因数 ; R 为 气体 常数 ; T为泡 沫温 度. 1 . 3边界 和初 始 条件 1 边界条件.在泡沫钻井 时, 为了保证环空中泡沫的稳定性 , 环空出口处需安装 回压阀, 使环空出 口 处 的压 力 为定 值 , 即在 井 口处定 压 边界 条件 为 P 1 一 。一 Pb , 5 式 中 P 为井 口环空 回压 . 在 地 面 , 注 入 到连续 管 中的泡 沫质 量流 量 是定 值 , 所 以在井 底 环空 中 的泡 沫质量 流 量为 常数 , 即 “ f A l H m 1 g , 6 式中 H 为井深 ; 。 , T r。 l Ⅻ. 分别为从地面注入的泡沫中液相和气相的泡沫质量流量. 2 初 始条 件.假 设在 地层 流 体开 始 侵入前 , 泡沫 在环 空 中一 维稳 定 流动 , 即初 始 条 件 连续 性 方程 式 1 中忽略 时间 项和 源项 ; 动 量方 程 式 2 中忽 略时 间项 ; 边 界条 件仍 见式 5 和式 6 . 2 模型 的求解 由于 同位 网格会 导 致压 力呈 锯 齿形 分 布 , 笔者 采 用 交 错 网格 系 统 一 l o 3 离 散连 续 性 方 程 和 动 量 方 程. 采用 一 阶迎 风格 式 离散 动量 方程 中 的对 流 项 ~ , 用 。 表 示上 层 迭代 值 , 下 标 i 1 / 2表示 矢量 节 点 , i 1 表示 标 量节 点 , 可得 离散 方程 为 “ 斗 l / 2 n 州 1 2一“ _I l , 2“ r H- l / 2 6 , 汁H - 1 一 ~ , 7 式 中 ⋯z 一 Z Z n l OfU f Ⅲ 一 p fu f , 州 z 一 料 十 . 采用 S I MP I E C求解 离散 方 程 时 , 通 过循 环 迭代 求解 离 散方 程组 .在 每 次循 环 开 始 时 , 用 上 次循 环 的 速度 计算 系数 , 多次循 环 后 , 动量 离散 方程 中的 系数 变化 比较 大 , 可 能造成 计 算得 到 的速度 比较大 , 导致 收 敛速度慢甚至发散⋯] .文 中通过亚松弛方法减小求解过程 中速度 的变化 , 提高收敛速度 , 即在离散方程 中引 入 亚松 弛 因子 a , 式 7 可 变为 G / i l / 2 f 1 Jn 十 1 / 一 日 2 “ / 2 6 , 一 一 ⋯ 二 口 汁 “ fn , 汁 Il , 2 。 . 8 速 度 修正公 式 为 “ nf 川 1 / 2 一一 d 斗 [ 一 P 7 “ ], 9 大庆石油学院学报 第 3 4 卷2 0 1 0年 式 中 d i l/2 - 1 / I a i l/2 -- a i- 1/2 r I . 将速度修正方程代入连续性方程可得 到压力修正方程 , 然后采用 T DMA 方法求解压力修正方程 3 实例计算 连续管泡沫钻井井身结构见图 1 .其 中, TV D为垂直 井深 , MD为测量井深.选取基本参数 垂直段为 0 ~1 9 8 0 m, 套 管 内径 为 0 . 1 3 9 7 m; 倾斜 段为 1 9 8 0 2 8 3 7 I T I , 裸眼 井简直径 为 0 . 0 9 8 4 m; 水 平段 为 2 8 3 7 ~3 0 4 8 m; 储 层 中 裸 眼井 眼长度 为 3 2 1 m; 连 续 油管外 径 为 0 . 0 4 4 5 m; 地 面 温度 为 2 O ℃ ; 地 温 梯 度 为 0 . 0 3 K r D _ - 。 ; 井 口 回 压 为 0 . 2 0 6 8 MP a ; 泡沫中液相 为水 , 气相为空气 ; 注液流量 为 l l 9 . 2 L mi n ~; 标况下 的注气流量分别为 1 5 , 2 0 , 2 5 , 3 0 m。 rai n 一; 地层压力为 1 3 . 4 MP a ; 产水指数 P I 分别为 0, 0 . 1 1 0 一 。 , 0 . 2 1 0 一 。 , 0 . 3 x 1 0 一 。m s 一 MP a; 地 层 储层 丽两 ⋯一 面虿 图 1 连续管泡沫钻井井身结构示意 水侵入时间为 1 h ; 空间步长 A z 为 1 IT I ; 时间步长 △ f 为 3 0 S . 当注气流 量和 P I 不 同时 , 泡 沫在 环空 中的流 动和地 层水 侵入均 在 1 h时 内达 到稳定状 态 , 即环空 中 压力 、 泡沫物性和地层水侵入流量等参数不随时间变化.在稳定稳态下 , 注气流量和 P I 、 Ⅳ不同时的各参数 具有 可对 比性 , 文 中选用 地层水 侵入 1 h时的参 数进行 分 析. P 1 w不同时, 地层水侵入流量随注气流量变化的曲线见图 2 .由图 2可知, 地层水侵入流量随注气流 量的增大而增大; P 1 w越大 , 地层水侵人流量越大.尽管 P I 比较小 , 但出水井段 比较长 , 地层水侵人流量 比较大. 地层 水 的侵入会 改变 泡沫 的物理性 质 , 进 而对 关键 的钻井 参数 如井底 压力 、 泡沫 稳定性 和泡 沫携岩 能 力 产生影 响. 3 . 1井底 压力 P 1 w不同时, 井底压力随注气流量变化的曲线见图 3 .由图 3可知 , 随 P 1 、 Ⅳ的增加井底压力增大, 但随 着注气 流量 的增加井 底压 力减 小.注气 流量为 3 0 m。 rai n 和 P I 为 0 . 3 1 0 I T I S MP a 时 的 井 底 压力 , 低 于注气 流 量为 1 5 m。 mi n 和 P I 为 0 . 1 1 0 m s MP a时 的井底 压力 , 所 以增 加注 气 流量会 减弱 甚至抵 消地层 水侵 入对井 底压 力 的影 响. ‘重 、 、 皿 啊 】 Ⅱ ll { 嗣 I 2 l l 窆 l 0 世 枨9 8 l 5 2 O 25 注 入流 摄 / m“ . rai n 1 图 2 地层水侵入流量随注气流量变化 的曲线 图 3 井底压 力随注气流量变化的曲线 3 . 2泡 沫稳 定性 泡沫 质量是 泡沫稳 定 的重要 指标 , 对 于泡 沫 钻井 , 泡 沫 质 量 要控 制 在 0 . 5 5 ~0 . 9 6之 间嘲.P I 不 同 7 O 第 l期 张小宁等 地层水侵 入对连续管泡沫钻井参数的影响 时 , 井底泡沫质量随注气流量变化的曲线见图 4 .由图 4可知 , 随 P l w的增加 , 井底泡沫质量降低.当注气 流量 为 1 5 m。 mi n 一 , P 1 w为 0 . 2 1 0 ~ , 0 . 3 1 0 一 。 m s MP ,a 时 , 井 底 泡 沫质 量 小 于 0 . 5 5 , 低 于 临界泡沫质量 , 此时泡沫不稳定 , 因此地 层水侵入能降低泡沫的稳定性.当注气流量 大于 2 5 m mi n 时 , 井底 泡 沫质量 均 大 于 0 . 5 5 , 因 此增 加 注气 流量 可减 弱地 层水 侵 入对 泡 沫稳定 性 的影 响. 3 . 3泡 沫携 岩 能力 对于泡沫钻井 , 井底处岩屑体积分数最大为 4 [ 6 ] .采用 已有方法L 1 计算井底 岩屑体积分数.假 设岩屑密度为 2 7 0 0 k g m~, 岩屑颗粒直径为 0 . 0 0 8 m, 钻速为 2 7 m h 1 。 .P I 不 同时 , 井底 岩屑体积 随注气流量变化的曲线见图 5 .由图 5可知, 当注气流量 比较小时 , 地层水侵入对井底岩屑体积分数的影 响比较大 , 而且随 P I 的增加 , 岩井底屑体积分数减小 , 即泡沫的携岩能力增 强, 虽然地层水 侵入降低 了 泡 沫 的黏 度 , 但 泡 沫 的流速 增 大 , 携 岩 能力增 强.当注 气 流 量 比较 大时 , 地层 水 侵 入 对 井底 岩 屑 体 积分 数 的影 响不 明显 , 所 以增 加注 气 流量 , 可 减弱 地层 流 体侵 入对 泡沫 携 岩能 力 的影 响. 偿 挺 辕 注入流量 / m min 图 4 井底 泡沫质量随注 气流量变化的 曲线 替 \ 娶 蛙 ; 世 转 图 5 井底 岩屑体积分数 随注 气流量变化的 曲线 另外 , 由于地层水侵入到环空 中, 与泡沫混合 , 成为泡 沫中液相, 使泡沫质量减小 , 若要保持环空中泡 沫质 量不 变 , 可适 当减 少地 面注 液流 量 ; 由地层 侵 入水 补 充泡 沫 中的 液相 , 同时还 可减 弱对 井底 压力 、 泡 沫 稳 定性 和 携岩 能 力 的影响 . 4 结 论 1 建 立连 续 管泡 沫钻 井 过程 中地 层 流体 侵入 数学 模 型 , 并 给 出求 解方 法. 2 地 层水 侵人 流量 随 注气 流量 的增大 而 增大 , 随 产水 指数 的 增大 而增 大. 3 地 层水 的 侵入 会使 井底 压 力增 加 , 泡 沫稳 定 性 降 低 , 携 岩 能 力增 强.增 加 注 气 流 量或 减 小 注 液 流 量 可减 弱甚 至抵 消地层 流 体侵 人对 井底 压 力 、 泡沫 稳定 性 和泡 沫携 岩 能力 的影 响. 4 在 进行 泡 沫水 力参 数 设计 时 。 根 据地 层 条 件 , 预 测 地 层 流 体 侵 入 流 量 , 然 后 合 理 地 注 入 液体 和气 体 , 在满足泡沫稳定性和携岩能力要求的同时 , 实现井底合理压差. 参 考文 献 [ 1 ] Gu o B ,Gh a l a mb o r A.欠平衡钻井气体体积流量的计算[ M] .北京 中国石化 出版社 , 2 0 0 6 . 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D e t ㈨n i n i n g c u t t i n g t r a n s p o r t p Ⅲm e t c r i n h 。 r i z 。 n t a l c o i l e d t u b i n g u I l d e r b a l a n c e d d r i l l i n g 下转第 1 0 1页 71 第 1期 朱磊等 基于 Qu i n n算法与改进 的 Ri f e 算法的正弦信号频率估计 4 结束语 利 用 正弦信 号 采样 序列 F F T谱线 上 的最 大 采样 点和 次 大采样 点 的幅 值 、 相 位信 息 , 结 合传 统 Ri f e和 Qu i n n算法 的优 点 , 利用 相 对偏 差提 出一种 改进 的新 算法 .在基 本 不增 加 计 算量 的情 况下 , 新 算 法 弥补 了 频 率估 计 过程 中 的近似 误差 , 减 少 了信 噪 比较 低 及 相 对 偏 差 较小 时 的插 值 方 向错 误 问题 , 具 有 测 量 精 度 高 、 估计 性 能好 等优 点 , 但是 相位 信 息受 噪声 影 响较 大 , 信 噪 比门限要 求较 高 , 这是 新算 法 待于进 一 步改进 的地方 . 参 考文献 [ 1 ] E 2 3 [ 3 ] E 4 1 E 5 ] [ 6 3 [ 7 ] E 8 3 陈先中 , 柳瑾.F MC W 微波液位测量 的快速频 率估计算 法[ J ] .传感技术学报 , 2 0 0 5 , 1 8 4 9 0 1 9 0 5 . 黄玉春 , 黄载禄 , 黄本雄 , 等.基于 F F T滑动平均极大似 然法 的正弦信号频率估计E J ] .电子与信息学报 , 2 0 0 8 , 3 O 4 8 3 1 8 3 4 . 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Qu i n n B G.E s t i ma t i o n o f [ r e q u e n c y , a mp l i t u d e a n d p h a s e f r o m t h e DF T o f a t i me s e r i e s [ J ] .I E E E Tr a n s ,1 9 9 7 , 4 5 3 8 1 4 8 1 7 . 齐国清.几 种基于 F F T的频率估计方法精度分析E J ] .振 动工程 学报 , 2 0 0 6 , 1 9 1 8 6 9 1 . 上 接 第 7 1页 o p e r a t i o n [ R ] .S P E 1 0 1 9 3 7 ,2 0 0 2 . [ 8 ] 胡勇 , 钟兵 , 杨雅和.用交 错网格 建立气水两相数值试井模型[ J ] .油气井测试 , 2 0 0 1 , 1 0 3 1 o l 4 . [ 9 3 何鸿辉 , 刘国庆 , 刘波涛.垂 直上 升管内气液两相流数值模拟研究[ J ] .航天器环境工程 , 2 0 0 4 , 2 1 4 4 1 4 7 . [ 1 o ] 王福军.计算 流体动力学分析 c F D软件原理 与应用 [ M] .北京 清华 大学 出版社 , 2 0 0 4 . [ 1 1 3 At i s h B .Nu me r i c a l a n a l y s i s o f t w o p h a s e f l u i d f l o w a n d h e a t t r a n s f e r i n a c o n d e n s e r [ D ] .Wi n d s o r Un i v e r s i t y o f Wi n d s o r ,1 9 9 4 . [ 1 2 3 G o d wi n A,Ok p o b i r i ,I .Vo l u me t r i c r e q u i r e me n t s f o r f o a m a n d mi s t d r i l l i n g o p e r a t i o n s[ c ] .S P E 1 1 7 2 3 ,1 9 8 6 . [ 1 3 ] I n d r a Gu a n a w a n ,Ru d i Ru b i a n d i n i R S .D e t e r mi n in g c u t t i n g t r a n s p o r t p a r a me t e r i n h o r iz o n t a l c o i l e d t u b i n g u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g o p e r a t i o n [ c ] .S P E l 0 1 9 3 7 , 2 0 0 2 . 上接 第 9 3页 [ 3 3 谢 勇 , 王宏卫.基 于物联 网的 自动人 库管理 系统及其应用研究[ J ] .物流技术 , 2 0 0 7 , 2 6 4 9 o 一9 3 . [ 4 3叶蔚 , 黄丽, 赵文, 等.基 于 P e t r i 网的 R F I D中间件 中复核事 件检测研究[ J ] .电子学报 , 2 0 0 8 , 3 6 1 2 A 1 8 . E S ]周圆.基于物联 网管理 系统 的 E P C规范研 究[ D] .成都 西南交通大学 , 2 0 0 7 . r 6 ] F i n k e n z e 1 1 e r K.RF I D Ha n d b o o kF u n d a me n t a l s a n d a p p l i c a t i o n s i n c o n t a c t l e s s s ma r t c a r d s a n d i d e n t i f i c a t i o n [ M] .2 n d E d i t i o n .J o h n W i l e y & S o ns I Ad,2 0 0 3 31 5 4 . [ 7 3 贺平 , 蒋亚军 , 赵会群.EP C系统 的 S a v a n t中间件技术及其设计实现[ J ] .计算机工程 与应用 , 2 0 0 6 9 2 2 1 2 2 4 . [ 8 ]赵育新.P F I D车辆信息管理框架研究 [ J ] .山东交 通科 技, 2 0 0 9 2 5 9 6 1 . 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