钻井环空气液两相流动及气相漂移上升速度规律研究

在钻井环空气液两相流动过程中,气相滑脱上升给气侵溢流处理和欠平衡钻井井口回压控制带来困难.运用自主研制的实验装置,分别以清水和三种黏度液作为液相介质,在实验条件下,对钻井环空气液两相流的流动型式及气相漂移上升速度进行了实验研究.测得不同介质中小气泡、帽形泡、弹形泡和搅动流(气泡团)的漂移速度,给出了传统气相漂移上升速度计算式的适用范围;引入含气率建立了新的适用于各种流动型式的气相漂移上升速度计算式,得到清水介质和黏度液介质中气相存在的不同形式及黏度对气相漂移上升速度的影响规律.本研究对分析钻井环空气液两相流动问题有重要意义和工程应用价值.     

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。     

垂直上升圆管气液两相流气泡运动模型及计算

针对井筒内气液两相流模型化困难,及目前还大多只是对静止流体中气泡的运动进行模型研究和分析的现状,运用势流理论建立了垂直上升圆管段塞流中气泡或Taylor泡运动的简化模型。该模型可以较好地计算运动流体中气泡的上升速度和气泡头部形状。并在总结前人研究的基础上,给出了考虑气泡表面张力的无量纲气泡上升速度Froude数的计算公式。研究结果表明,当Eotvos数Eo<100时,表面张力对气泡的上升速度有非常明显的影响,而当Eo>100时,气泡的上升速度受表面张力的影响很小。     

碳酸盐岩地层重力置换气侵特征

碳酸盐岩地层钻井中,重力置换气侵时常发生,会对井底压力产生影响,若控制不当,重力置换气侵则会引起井喷事故。根据气-液两相流理论,建立了井筒气侵计算模型及气侵边界条件和初始条件;通过对井底不同进气量模拟,得到了重力置换气侵井底压力、泥浆池增量及井筒不同深度含气率的变化,得到了井口回压对重力置换的影响;通过改变边界条件,得到了重力置换气侵转变为欠平衡气侵时井筒流动参数的变化。研究认为,当井底压力控制不当时,重力置换气侵会转变为欠平衡气侵,井底压力、泥浆池增量和井底含气率会发生突变,造成井筒压力失控,对过平衡钻井重力置换气侵认识及控制具有指导意义。     

碳酸盐岩油气藏气侵早期识别技术

针对海相碳酸盐岩油气藏钻井过程中钻遇裂缝孔洞发育储层时,井筒流体与地层流体置换效应形成的复杂流动造成的气侵识别困难,从钻井过程中气体侵入方式研究入手,探讨了各种气侵方式的侵入机理、发生工况及其相互联系,提出了直接侵入方式下含硫天然气侵从定性研究到定量化研究的思路和方法,研究了气体沿井筒的运移、膨胀规律,即气体在上升过程中越接近井口气体膨胀越剧烈。在此基础上,通过对气侵发生时的井筒环空气液两相流动井底压力变化特征进行模拟,揭示了气侵初期在深井小井眼段井底压力会出现小幅上升后下降的变化规律,提出了以井下实时环空压力随钻测量仪器监测井底压力变化对比正常趋势线来识别和预警气侵的方法。利用该方法,可以在气侵第一时间实现预警,为碳酸盐岩复杂油气井安全钻井提供了有效保障。     

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...     

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.     

深水钻井气体沿井筒上升的膨胀规律

深水钻井井筒温度场与陆地钻井井筒温度场不同,而气体沿井筒上升的膨胀规律与温度密切相关,为了更好地进行深水钻井井控,需要求出深水钻井井筒温度场,并在此基础上分析深水钻井过程中气体沿井筒上升的膨胀规律。根据能量守恒定律和真实气体状态方程建立了深水钻井井筒温度场和气体膨胀计算模型,并利用所建立的模型分析了深水钻井时气体沿井筒上升的膨胀规律:气侵发生在井底时,循环期间的气体膨胀明显大于非循环期间的气体膨胀,井深越深两种工况的差别越明显;无论是循环期间还是非循环期间,钻井液密度越小,气体膨胀越明显;气侵发生在隔水管底部时,非循环期间的气体膨胀大于循环期间的气体膨胀,与气侵发生在井底情况相反;气侵速度一定,溢流到达某井深时,非循环期间的溢流体积比循环期间的大。     

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。     

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。     

深水钻井气侵程度实时定量描述方法

通过分析深水钻井气侵特点和现有气侵监测方法的不足,论证了在隔水管底部进行气侵早期监测的可行性,提出了基于隔水管底部超声波气侵监测的气侵程度实时定量描述方法。分析了多普勒超声波监测气侵方法存在的问题,设计了隔水管底部透射式超声波气侵监测实验装置,用于分析不同截面含气率条件下的声波衰减特性,给出了运用超声波监测隔水管处气侵情况的解决方案。结合深水钻井井筒环空气液两相流计算模型和含可信度的地层压力预测,建立了基于隔水管底部截面气侵监测数据的井筒气侵程度反算方法。该方法与常规方法相比可提前4 min左右检测到气侵,并可根据隔水管底部声波响应数据准确确定气侵发生的时刻、气体到达井口所需时间、任一时刻的总溢流量及任一时刻不同井深处的截面含气率。     

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。     

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。     

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。     

气液两相流循环温度和压力预测耦合模型

为保证欠平衡钻井安全钻进,需要给欠平衡钻井设计提供井筒温度和压力分布等基础数据。基于气液两相流钻井液循环时的流动特征和井筒与地层的传热机理,建立了适用于欠平衡钻井预测气液两相流钻井液循环温度和压力的耦合模型,给出了模型的离散方法和求解方法。在模型的求解过程中,考虑了温度和压力对气相（空气、氮气）的密度、比热、比焓、动力黏度、热导率等热物性参数的影响及热源对气液两相流钻井液温度场的影响,保证了气液两相流循环温度和压力的计算精度。基于大庆油田升深2-17井充氮气欠平衡钻井试验数据,利用气液两相流钻井液循环温度和压力预测耦合模型对欠平衡钻井时的井底温度和压力进行了计算,计算结果与实测结果吻合程度高,验证了模型的有效性。对比分析了以地温、地面温度作为气液两相钻井液温度和考虑井筒换热3种情况下的环空压力剖面特征,为欠平衡钻井设计及控压钻井设计和施工提供了理论基础和技术支持。     

气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量变化规律研究

为了准确掌握气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量的变化规律,基于井筒气液两相流动理论,建立了考虑密度突变的气液两相流模型,分析了气侵条件下环空出口流量的变化,并探讨了不同因素变化对环空出口流量变化率的影响。研究发现:气体前沿到达分离器位置时,环空出口流量变化率明显突增;分离器位于泥线以下时,环空出口流量发生突增的时间要早于隔水管底端见气时间,有利于更早地识别气侵;低密度/高密度钻井液密度差、气侵量、排量、分离器位置、井深和井口回压等因素对环空出口流量变化率的影响程度依次降低。研究结果表明,考虑密度突变的气液两相流模型,可以准确预测气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量的变化情况,并为新型双梯度钻井早期溢流监测提供理论依据。      

酸性气体侵入井筒瞬态流动规律研究

酸性气藏一般位于海相沉积,钻井液安全密度窗口极窄,钻井过程中酸性气体易侵入井筒,发生气侵后井筒流动变得十分复杂,易造成井涌、井喷等井下故障。为实现气侵时井筒流动的准确预测与控制,将井筒流动与地层非达西渗流耦合,井筒流动、传热和流体物性耦合,建立了酸性气体侵入井筒瞬态多相流动模型,并引入酸性气体溶解度公式,给出了模型的求解方法。利用某井的基本数据,模拟了酸性气体气侵时的环空气液两相瞬态流动参数的变化特征,并对酸性气体气侵时的瞬态流动影响因素进行了敏感性分析。结果表明:酸性气体溶解度大,侵入后更加隐蔽,不易被检测到,但靠近井口处酸性气体溶解度降低,酸性气体大量析出,体积迅速膨胀,井筒压力降低迅速,井控更加危险。研究结果可为酸性气藏钻井井控参数设计提供指导。      

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。     

控压钻井环空多相流控压响应时间研究

准确了解回压改变过程中的响应时间对控压钻井的实施意义重大。以回压改变过程中的响应时间为研究对象,在刚性理论的基础上充分考虑井筒多相流动下气体流动参数沿井筒变化的实际情况,建立了回压响应时间的数学模型,分析了环空间隙、排量及套压对响应时间的影响。分析结果表明:考虑井筒气体流动参数变化后,回压响应时间明显延长;在大气侵量情况下,可适当增加井口回压,一者补偿了由于气侵造成的井底压力下降,二者井口回压的增加可以降低环空气体体积分数,缩短回压响应时间。所得结论有助于安全、高效地实现控压钻井技术。     

浆态床外环流反应器的流体力学特性

研究了浆态床外环流反应器内的局部流体力学特性,获得了局部气含率、气泡Sauter平均直径和气泡上升速度的轴向剖面。实验数据表明,气泡直径和上升速度收到固含率的影响,固含率的增加能够强化气泡的聚并。通过局部气含率、气泡直径和实验体系的物性等数据,建立了一个能够计算相间滑动速度的关联式,该关联式能够用于计算气泡群的局部曳力系数。