寄生管充气钻井环空多相流流动特性研究

针对寄生管充气钻井技术的特征,选用Hasan多相流计算模型,确定了井筒环空的流型和压降计算方法,给出了编程求解的计算流程。利用新疆某充气欠平衡井的数据进行计算,对井筒压力、流型变化、含气体积分数随注气量、钻井液排量、井口回压的变化规律进行了研究。在寄生管充气钻井的过程中,井筒环空压力随注气量的增大而减小,随钻井液排量的增大而增大,随井口回压的增大而增大。井筒环空中的含气体积分数随注气量的增大而增大,随钻井液排量的增大而减小,随井口回压的增大而减小。井筒环空中的流型转换点随注气量的增大而下移,随钻井液排量的增大而上移,随井口回压的增大而上移。     

充气钻井二维传热模型及井筒温度场分布规律

近年来,充气欠平衡钻井已成为美国、加拿大和其他地区的主要欠平衡钻井方式,是解决裂缝或孔隙岩层严重漏失、避免储层伤害问题的重要技术手段。目前在进行充气钻井设计时,大多把地层温度近似于井筒内充气液温度,必然会导致设计误差,因此有必要考虑地层与井筒之间的热传递,研究井筒温度场分布。通过进行地层-环空、环空-钻柱内充气液的径向换热规律和井筒轴向换热规律研究,结合井筒内气液两相流特性,推导充气钻井二维传热模型,最后通过实例计算考察注液流量和注气流量对井筒温度场分布的影响,研究表明井筒中充气液温度随着井深呈非线性分布,环空充气液温度与地层温度间最大偏差的位置在井底处。     

完善充气泥浆钻井工艺技术的探讨

本文对充气泥浆钻井工艺与欠平衡钻井技术的有机结合进行了探讨，通过提高充气泥浆的气液比，改善了充气泥浆的性能，从而进一步完善了充气泥浆钻井工艺技术的研究。     

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。      

充气控压钻井气液两相流流型研究

充气控压钻井是在充气欠平衡钻井技术的基础上发展起来的、针对具有窄安全密度窗口地层的一种钻井新技术。本研究将多相流体流动简化为气液两相流动,建立了充气控压钻井循环系统的物理模型,系统地总结和对比了气液两相流流型转换准则、压降计算模型,通过大量的模拟实验,验证、修正了常规气液两相流流型判别准则和压降模型,得出适用于充气钻井的压降计算模型。通过流型敏感因素分析,得出气液比、地面回压、流道的几何形状是流型主要影响因素,该研究结果为充气控压钻井的压力控制提供了理论依据。     

环空渗流诱发环空带压机理研究

随着天然气井的开发,持续环空带压问题越来越突出,对安全生产造成了严重的威胁。造成环空带压的原因较多,主要可分为温度效应诱发的环空带压、密封失效诱发的环空带压以及气体运移诱发的环空带压。针对日益严重的环空带压问题,文章根据井身结构、天然气性质,对由气体运移诱发的环空带压进行了研究,并建 立了由此诱发的环空带压计算模型。在建立数学模型过程中,将天然气在水泥环中的渗流简化为低渗透多孔介质的不稳定渗流,并在漂移模型基础上建立了气体在水泥环上部液柱中的瞬态运移模型。根据某气井数据进行了实例分析计算,并记录12.7mm针型阀放压和关闭针型阀24h内压力下降曲线和压力上升曲线。结果表明,所建模型计算出的环空带压值与现场检测数据相吻合,这为SCP风险评估和制定解决方案提供了依据。     

煤层气水平井充气欠平衡钻井注气工艺研究

充气欠平衡钻井是目前煤层气钻井中最常用的技术手段,如何在控制注气压力,注气量以及排量等参数的情况下,使得钻进时既能满足携岩要求,又能有效地控制井底压力是一个难题。应用FLUENT软件,通过对不同的注气压力、注气量以及排量条件下的计算模拟,得出U型井直井造穴处的压降规律,并基于此,优选确定出一套合理的工艺参数,确保在充气欠平衡钻井过程中,既能形成期望流型、满足携岩要求,又能有效控制井底压力。文中通过一口井的实钻数据建立了分析模型,并进行了计算模拟,最终优化出注气压力、注气量和泵排量等参数,总结出其变化规律。该研究成果对保障钻井作业安全及优化钻井作业有一定的借鉴作用。     

考虑材料非线性的环空增压预测模型

为了准确预测深水油气井钻采过程中的环空增压,建立了改进的环空增压计算模型。该模型考虑了材料的非线性性质和套管变形的影响,其中材料的非线性性质包括了流体热膨胀系数和压缩系数随温度、压力变化的性质以及套管弹性模量、热膨胀系数随温度变化的性质。模型中的非线性函数由插值方法获得,并进行了实验验证和误差分析。计算中,将各个环空沿轴向进行分段,并将变温以增量的方式进行加载。通过算例,将该模型与忽略材料非线性性质和套管变形的简化模型进行了对比,讨论了各非线性参数及井筒变温对环空增压预测结果的影响。结果表明,与改进模型相比,简化模型的误差范围为2.51%~26.11%;在变温较小的深水井中,同时忽略材料非线性和套管变形对环空增压影响较小;而井筒变温较大时,忽略材料非线性后造成的环空增压预测误差非常显著;流体膨胀系数对环空增压的预测结果影响最大,若将流体膨胀系数取为常数,则误差达到70%。     

考虑材料非线性的环空增压预测模型

为了准确预测深水油气井钻采过程中的环空增压,建立了改进的环空增压计算模型。该模型考虑了材料的非线性性质和套管变形的影响,其中材料的非线性性质包括了流体热膨胀系数和压缩系数随温度、压力变化的性质以及套管弹性模量、热膨胀系数随温度变化的性质。模型中的非线性函数由插值方法获得,并进行了实验验证和误差分析。计算中,将各个环空沿轴向进行分段,并将变温以增量的方式进行加载。通过算例,将该模型与忽略材料非线性性质和套管变形的简化模型进行了对比,讨论了各非线性参数及井筒变温对环空增压预测结果的影响。结果表明,与改进模型相比,简化模型的误差范围为2.51%~26.11%;在变温较小的深水井中,同时忽略材料非线性和套管变形对环空增压影响较小;而井筒变温较大时,忽略材料非线性后造成的环空增压预测误差非常显著;流体膨胀系数对环空增压的预测结果影响最大,若将流体膨胀系数取为常数,则误差达到70%。     

充气欠平衡钻井环空气液固三相流动力学分析

近年来,充气欠平衡钻井由于其容易实现,井筒压力调节范围大,可控制地层出水,利于井壁稳定等优点,国内外应用日渐增多。但是,充气欠平衡钻井是一门很复杂的技术,最关键的问题在于环空气液固流动是一个复杂、变化很快的动态过程,关于气液固三相流的动力学特征,迄今研究甚少。文章根据多相流体力学原理,对环空气液固三相流动力学特性进行分析,结果表明：除重力和颗粒问的相互作用力外,固相颗粒主要受到由压差阻力,摩擦阻力,视质量力,Basset加速度力,压强梯度力,马格努斯力和滑移一剪切升力组成。认识到充气钻井液在环空中的段塞流动和假液化特性对井眼净化是有利的,细小颗粒的假液化速度比粗颗粒大。     

充气钻井井筒流动稳定性研究

以气液两相流理论为基础，分析了充气钻井的井筒压力分布问题。针对井筒压力分布对井眼尺寸的敏感性，给出了注气量计算方法。对井底压力和注气压力随井眼尺寸变化的情况进行了分析，给出了注气量与井筒压力分布的关系，并对其变化情况进行了解释。在满足携岩的前提下，大井眼所需的注气量与小井眼之间存在差别，同时指出了采用复合式井眼进行充气钻井的优势。所得结论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价值。     

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．     

WuM1-1羽状分支水平井充气钻井液技术

WuM1-1井由1口多分支水平井和1口采气的直井组成。该井斜井段短,井斜率在30°/100 m以上,主井眼和10个分支井段总进尺6182 m,98%以上在煤层中钻进,煤层脆、压实性较好,更易发生掉块。为满足钻井对井壁稳定性、润滑性、井眼净化以及煤层保护等的要求,采用钾铵基聚合物防塌钻井液进行充气欠平衡钻井,在钻进中保持钻井液有合适的粘度、切力,选用合适的注气压力和注气量以及当量钻井液密度;每钻完一个立柱坚持循环几分钟,上下划眼一次,并泵入CMC高粘钻井液,配合有效使用固控设备,尽量使井眼干净;复配使用粉末状固体润滑剂和液体润滑剂。该钻井液性能稳定,易于维护,悬浮携岩能力强,润滑性好,井眼畅通,保证了WuM1-1井安全、快速、优质施工。该井在煤层钻进中无阻卡现象,井壁稳定,没有出现井壁掉块或井垮现象,水平连通一次成功,10口分支井悬空侧钻一次成功,只用57 d即顺利完井,比该地区常规钻井快49倍。     

井底压力温度测试技术在充气欠平衡钻井中的应用

升2-17井是大庆油田在外围深层天然气勘探开发的一口重要的勘探开发评价井．该井在三开井段采用充氮气钻井液进行欠平衡钻进．应用改进后的并下压力温度测试工具实测出了三开充氮气并段不同工况下的并底压力、温度数据，并据此准确计算出了充气后钻井液的当量密度．准确掌握了充气量与钻井液当量密度之间的关系．比较准确地确定了地层压力的大小，精确计算出了井底负压值的大小。应用井底压力温度测试技术有利于发现和保护储层．提高勘探开发的效果。介绍了井底压力温度测试技术在升2-17井三开井段充氮气欠平衡钻进时的应用情况．并分析了井底压力温度测试数据。     

Optimization of Required Volumetric Flow Rates for Aerated Mud Underbalanced Drilling

Abstract

In the aerated mud underbalanced drilling, the bottomhole pressure is intentionally reduced by reducing the hydrostatic mud column due to the two-phase flow occurrence in the annulus. However, in the field, it is incorrectly assumed that the aerated mud can be treated as a homogenous mixture of liquid and gas, neglecting the slippage between the two phases and, thus, the flow pattern and its effect on pressure drop calculation. Accurate prediction of bottomhole pressures and optimal flow rates requires the modeling of the complex flow mechanisms involved in aerated mud flow, which includes flow pattern prediction and slip liquid hold-up. The objective of this study is to develop a simulation tool to optimize the gas and liquid volumetric flow rates using bottomhole pressure and borehole stability as the selecting criterion. The investigation of the drill pipe size effect on the optimal gas and liquid flow rates was also part of this study. A vertical, two-phase, flow comprehensive mechanistic model is modified and incorporated in the simulator to predict the pressure drop in the annulus according to the existing flow pattern. The modified model predicts the annulus bottomhole pressure and the corresponding optimal gas and liquid flow rates for various drill pipe diameters. The simulator was validated using field data, and the results show a fairly accurate match. In conclusion, the optimization of required flow rates for aerated mud drilling was achieved by the developed simulator, which considers flow pattern occurrence in the pressure drop calculation. Furthermore, the drill pipe size was found to be an influential parameter for flow rate optimization.     

超深井气体钻井环空流动研究

气体钻井由于其低压,具有机械钻速高、避免井漏、消除泥页岩水化及保护储层等不可比拟的优势,目前在钻井界开展得如火如荼。但在超深井钻井过程中,面临地层高温、高压、产出流体相态复杂,这对环空携岩和安全是一个严峻的考验。通过理论与实验的综合研究结果表明,井筒环空流速、压力、动能从下到上逐渐增加,在井口处达到最大值,并且与地层产出流体相态和气体注入参数以及钻井工艺参数存在一定的关系,环空岩屑浓度从下到上呈减小趋势,在钻铤与钻杆连接处存在转折点。这为超深井气体钻井过程中设计注入参数,钻井参数以及携岩、井筒净化等提供了重要的依据。     

窄密度窗口及小间隙超深井尾管固井技术

针对西南油气田超深井五探1井φ168.3 mm尾管悬挂固井存在钻井期间漏失严重,井深、井底温度高,大段盐膏层、油基钻井液与水泥浆污染严重、后期作业井筒温度压力变化影响水泥环密封完整性等难题。采用低密度高强度韧性微膨胀防窜水泥浆体系,通过优化浆柱结构,控制井底动态当量密度与钻进时井底动态当量密度相当的平衡压力固井等配套工艺技术,有效防止了固井施工漏失,解决了水泥浆与油基钻井液污染严重的问题,确保了固井施工顺利,固井质量合格率100%,优质率99.8%,为深井窄密度窗口、油基钻井液固井提供了技术支撑。      

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.     

水平井筒变质量气液两相环空雾状流压降的分析模型

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别,可以预知常规水平管流压的压降计算方法对于井筒流动来说就需要修正或扩展．考虑管壁存在入流或出流对于环空雾状流流型压降的影响,文中对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程,得到水平井筒气液两相变质量流动环空雾状流流型的压降计算方法。