泡沫钻井液在井筒中的流动与传热

针对泡沫钻井液特殊物理性质,建立了泡沫在井筒中流动与传热的数学模型,并给出了模型求解方法。为了分析传热对泡沫钻井水力参数的影响,采用建立的数学模型和给出的求解方法进行的数值计算结果表明：钻杆内泡沫温度始终低于环空内泡沫温度和地层温度,而环空下部泡沫温度低于地层温度,在环空上部泡沫温度高于地层温度。随着井深、注液流量和注气流量的增加,环空下部泡沫温度与地层偏差增大。传热使井口泡沫质量增大、井底泡沫质量减小、井底压力增大、最小携岩流速减小、最小注气流量增大,降低了泡沫的稳定性和携岩能力。另外,对泡沫的密度、Fanning摩擦系数也有一定的影响;井筒传热对泡沫钻井水力参数有一定的影响,但不是很明显,可通过增加注气流量和井口回压来抵消传热对泡沫钻井水力参数的影响。     

泡沫钻井计算机设计程序

本程序综合考虑了泡沫钻井的各种影响因素,用SASIC语言编制而成。它可根据井身结构、钻头水眼大小、机械钻速及钻屑颗粒尺寸等数据计算钻至一定井深处所需的最小气液注入量、井口泡沫注入压力、井底压力及井底泡沫质量参数等,为指导泡沫钻井提供施工设计数据。     

循环泡沫钻井工艺技术的应用

常规泡沫低压钻井工艺技术存在两个问题,一是泡沫的一次性使用.使泡沫钻井成本大大增加、同时严重污染环境;二是由于泡沫流体的可压缩性,随着地面温度、压力的变化,井下泡沫质量、密度等参数也随之变化,增加了施工参数设计计算的复杂性。为解决以上两个问题,优选了泡沫液配方,采用了循环泡沫系统装备流程,使泡沫基液可循环使用,而空气排放到大气中。根据泡沫钻井中井口注入压力、最小泡沫液流量和气体流量、泡沫液柱压力等设计参数,考虑了影响泡沫钻井作业中包含的5个方面的因素:1.将泡沫中的气体组分视为非理想气体,用Hall-Yaro-brough方法计算气体的偏差系数Z;2.由于固相碰撞和摩擦所造成的摩擦损失;3.岩屑的临界下沉速度;4.规定了井口最大泡沫质量为0.96,井底最小泡沫质量为0.55;5.根据岩屑的下沉速度确定气液排量,并规定在同一井深,泡沫流动速度应高出岩屑下沉速度10%,作为安全附加系数。对施工参数进行了系统的计算,并编制了软件程序。经现场6井次施工,均获得成功。     

变梯度控压钻井井控过程中井口回压变化规律

为了准确掌握变梯度控压钻井井控过程中井口回压的变化规律,采用考虑密度突变的井筒气液两相变质量流动模型,分析了基于井底恒压的变梯度控压钻井井控过程中井口回压的变化,探讨了不同因素变化对井口回压的影响,并开展了最大井口回压影响因素敏感性分析。研究发现：变梯度控压钻井在控制井底压力恒定时井口回压的调节受气体膨胀、分离器位置处液相密度突变、套管鞋及海底泥线处环空变径等多个因素综合影响,其变化规律更加复杂;其他条件不变时,分离器与钻头间距越小、轻/重质钻井液密度差越大、地层压力越大、循环排量越小,循环排气过程中的井口回压越大;对于最大井口回压而言,地层压力、轻/重质钻井液密度差、分离器与钻头间距、循环排量的比变异系数值依次减小,敏感性程度也随之降低。研究结果可为变梯度控压钻井井控过程中的井口回压准确预测和井筒压力精细控制提供理论支撑。     

高压气井钻进过程中控制回压值研究

对于高压气井特别是含硫气井安全钻井的控制回压值确定,目前还没有明确结论。文中以漂移流动理论为基础,建立了高压气井带回压井筒气液两相流动计算模型,并结合算例采用数值方法分析了不同井口回压对气体膨胀抑制效果及井底压力的影响。在综合考虑抑制气体膨胀、控制井底压力降低幅度、井控装备工作安全和不同回压下井控人员心理压力等因素的前提下,给出了保持高压气井钻井安全宜施加2～5 MPa井口回压的建议。     

恒进气量欠平衡钻井方式气侵特征及井口压力控制研究

欠平衡钻井打开储层后,随着打开储层的厚度不断增加,储层进入井筒中的气体不断增加,引起井口含气率剧烈变化,从而造成井底压力的失控。计算了欠平衡钻井期间不同井深含气率的变化,分析了不同进气量和井口回压对井筒含气率的影响;在考虑井口回压对井底压力增加值影响的情况下,得到欠平衡钻井打开储层期间恒进气量时井口回压的计算方法。结果表明:井筒中的气体在井口处急剧膨胀,井口回压对井口段气体含气率影响很大,对500 m以下井段含气率影响很小;在恒定进气量下,打开储层厚度越大,井口回压越大,井筒恒进气量越小,需施加的井口回压越大。     

泡沫欠平衡钻井气液流量组合优选研究

泡沫欠平衡钻井过程中,气体、液体和固相岩屑混合在一起,沿井筒环空向上流动,属于典型的“气-液-固”多相流。为了保护储层,避免发生井壁失稳坍塌事故,在泡沫欠平衡钻井时,必须保证井底压力小于地层压力并高于地层坍塌压力,同时还要保证整个井段泡沫钻井液处于最佳泡沫质量区,以具有足够的携岩能力。针对工程施工实际情况,对井筒环空进行网格划分,利用欠平衡钻井井筒多相流模型分段求解井筒流态和流动压力,综合分析井底压力与注入气液流量组合的对应关系,从而将井底压力安全窗口转化为可直接控制的气液流量安全窗口,为安全施工提供依据。该研究成果在也门某区块泡沫欠平衡钻井中的钻井实效对比分析表明,该方法较为实用可靠。     

控压欠平衡钻井井口回压控制技术

控压欠平衡钻井揭开储层后,随着揭开储层的厚度不断增加,进入井筒中的气体量会不断增多,容易引起井筒压力的失控,形成复杂事故。为此,采用气液两相流理论计算了气体在井筒不同深度处的含气率变化,通过改变边界条件,分析不同的进气量和井口回压对井筒含气率的影响;考虑井口回压抑制井筒环空的段塞流中气体膨胀,进而对井底压力产生一个增加值影响的情况下,得到控压钻井钻开储层期间恒进气量时的井口回压计算方法。结果表明：控压欠平衡钻井的井口回压对井口位置气体膨胀影响较大,施加的井口回压值应考虑井筒含气率变化引起的静液柱压力的变化;为保持井底进气量一定,揭开储层厚度越大,需要施加的井口回压就越大;而揭开储层厚度达到一定值后,井口回压趋于稳定。该井口压力控制方法得到现场应用的验证,能够对控压欠平衡钻井井筒压力控制提供理论支撑。     

泡沫欠平衡钻井气液流量组合优选研究

泡沫欠平衡钻井过程中,气体、液体和固相岩屑混合在一起,沿井筒环空向上流动,属于典型的“气-液-固”多相流。为了保护储层,避免发生井壁失稳坍塌事故,在泡沫欠平衡钻井时,必须保证井底压力小于地层压力并高于地层坍塌压力,同时还要保证整个井段泡沫钻井液处于最佳泡沫质量区,以具有足够的携岩能力。针对工程施工实际情况,对井筒环空进行网格划分,利用欠平衡钻井井筒多相流模型分段求解井筒流态和流动压力,综合分析井底压力与注入气液流量组合的对应关系,从而将井底压力安全窗口转化为可直接控制的气液流量安全窗口,为安全施工提供依据。该研究成果在也门某区块泡沫欠平衡钻井中的钻井实效对比分析表明,该方法较为实用可靠。     

可循环泡沫钻井环空压力计算与应用

环空压力对可循环泡沫控制压力钻井来说是一个重要的参数,但在钻进过程中要获得此参数比较麻烦。为此,建立了一套利用求得动密度及环空流动压耗并根据静液柱压力最后得出可循环泡沫钻井环空压力的计算模型,其理论计算结果与环空压力实测情况对比分析表明,井底压力的理论计算误差小于1.5%,理论计算值与实测值基本一致,表明此计算方法对可循环泡沫钻井有一定的适用性。进行了可循环泡沫钻井与常规钻井液钻井环空压力的对比分析,结果表明在3000m井深处,采用可循环泡沫钻井比常规钻井液钻井的环空压力低2～3MPa,说明可循环泡沫钻井能降低钻井时的井底压力,以达到降低储层伤害的目的。     

控压钻井回压压力波在井筒中传播的速度和时间规律

控压钻井过程中当监测到井底发生气侵尤其是溢流时,通常通过调节回压泵和节流管汇阀门给井筒施加回压来重新构建井底压力平衡。但气侵后回压压力波到达井底的时间有一个明显的滞后,如仍认为井口回压瞬间加载到井底,由此计算得到的井筒相关参数与实际井筒流动参数必然存在着较大的误差,有可能造成井控失效甚至引发井喷。为此,基于整体平均气液两相流模型,以回压压力波在井筒中传播速度和时间为研究对象,建立了环空气液两相流动的压力波传播方程,并引入气液相间作用力对方程组进行耦合求解。计算结果表明:(1)压力波波速随钻井液密度的增加而增大,随含气率、虚拟质量力系数的增加而呈现出减小的趋势,先急剧变化,之后变化幅度缓慢;(2)当含气率大于0.10或虚拟质量力系数大于0.20时,气液相间动量已充分交换,压力波波速的减小幅度变缓,趋于稳定。以四川盆地蓬莱9井为例,计算得到压力波单次传播的平均时间约为50 s,4个回合的总传播时间约为200s,占系统控制响应总时间的67%以上。结论认为,采用该方法计算得到的压力波在环空中的传播速度及传播时间更加符合实际井况,可大幅度提升MPD钻井系统控压响应时间的准确性和自适应节流阀控制的精度。     

气体钻井空井压井井筒气液两相瞬态流动数学模型

气体钻井钻遇高压、高产气层后往往要进行压井作业,空井压井期间,随着压井液的注入,井筒环空气液两相流动与地层渗流产气发生耦合作用,目前国内外对此研究都很少。为此,基于地层瞬态渗流理论和井筒气液两相流动理论,建立了气体钻井空井压井过程中地层瞬态产气与井筒气液两相瞬态耦合流动数学模型及其数值求解方法。实例模拟计算结果表明:(1)气体钻井空井压井是由气相空井筒—瞬态气液两相流动—纯压井液井筒的物理过程,同时也是一个地层瞬态渗流与井筒气液两相瞬态流动耦合的过程;(2)成功的压井作业需要井口回压、泵排量、压井液密度等关键参数的共同配合,其中控制好井口回压是保证压井作业获得成功的关键。结论认为,研究成果首次量化了气体钻井压井过程,对气体钻井空井压井施工参数的优化设计具有指导意义。     

气液两相流压降模型在欠平衡钻井中的应用

分别利用Hasan kabir和Ansari气液两相流压降模型，分析了欠平衡钻井过程中的井筒压降问题，建立了欠平衡钻井流型判别及压降计算的数学物理模型，并用FORTRAN90进行了编程计算，模拟了欠平衡钻井过程。通过分析井口回压、注气量以及注液量等欠平衡钻井参数发生变化对井底压力的影响，确定了欠平衡钻井井底压力控制方法。理论计算结果与实验数据对比分析表明，Hasan－Kabir预测压力的相对误差在10%以内，Ansari的相对误差在5%以内。因此，建议在欠平衡钻井设计中应用预测精度较高的Ansari方法。     

气体钻井井筒冲蚀作用定量分析及控制方法

定量分析了气体钻井中气-固两相流对井筒的冲蚀作用。结果表明,冲蚀作用最大的点在井底,这有助于破岩;井口段套管和钻杆的冲蚀作用次之,这是有害的。提出了在环空井口加载回压来控制气体钻井过程中气固两相流对井筒冲蚀的方法,确定了加载合理回压值的准则,即:确保环空内流速介于最小携岩速度和冲蚀临界速度之间。     

煤层气欠平衡钻井环空注气工艺优化

充气欠平衡钻井技术是目前煤层气钻井中减少煤储集层伤害、保护煤储集层最常用的措施之一.针对煤层气羽状水平井充气欠平衡钻井技术特征,优选了水平及竖直井筒内多相流动压降计算模型,确立了井底欠压值的求解方法,给出了求解的计算流程.根据沁水盆地煤层气田某羽状水平井实际资料,通过对不同注气压力、不同注气量以及不同钻井液排量条件下井底欠压值的计算和分析得出:当环空注气压力一定时,井底欠压值随钻井液排量的增大而单调递增,且环空注气量越大,井底欠压值越小;在最佳环空注气压力条件下,当钻井液排量一定时,井底欠压值随着环空注气量的增大而单调递减,当环空注气量一定时,井底欠压值随着钻井液排量的增大而增大.利用该计算模型和计算方法,结合现场欠平衡钻井工程要求.可以优化出最佳的环空注气工艺参数.     

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.     

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.     

涩北气田排水采气优选模式

针对柴达木盆地涩北气田所面临的气井井底积液、产水导致产量迅速递减的问题,从准确把握气井排水采气时机、优选经济有效的排水采气方式出发,结合涩北气田生产动态,综合考虑动能因子、积液高度、油压、日产水以及油压、套压压差等多种因素准确诊断了气井积液的状况;分析了涩北一号气田递减阶段气井日产气量和水气比等生产数据的变化规律,根据多项管流井底压力计算理论、临界流量计算模型及涩北气田实际的采气油管尺寸,研制出了排水采气方式选择控制图,并建立了涩北气田排水采气优选模式;回归出了相应的计算公式,预测了涩北一号气田大规模进入优选管柱排水及泡排排水采气时期的具体时机,由于涩北气田属于次活跃与不活跃水驱气藏,水气比上升缓慢,除少数离边水比较近的井外,在整个开发期内不会大规模进入气举排水开采期。