井筒四相流动理论在深水钻完井工程与测试领域的应用与展望

海洋深水油气钻完井过程中,井筒内流体流动是一个多组分、存在相变及流型转化的复杂四相流动过程。为了进一步揭示深水钻完井井筒多相流动规律,基于井筒四相流动理论,阐述了其在深水油气钻完井工程领域的应用进展;然后,针对该理论在深水钻完井某些特殊工况下存在的局限性,展望了井筒多相流动理论未来的发展趋势。研究结果表明:①深水钻完井井筒四相流动理论能够充分考虑深水井筒中的各种物理化学现象,可以实现对井筒瞬态温度、压力的精确刻画,进而为深水钻完井水力参数优化设计提供坚实的理论基础;②深水钻井井涌发生后,在泥线低温高压环境作用下,井筒内气相易生成天然气水合物(以下简称水合物)相变,从而改变井筒气体体积分数的分布特征;③在井底高温高压作用下,井筒酸性气气体存在着超临界相变,导致高含酸性气体的气侵具有"隐蔽性";④深水气井测试过程中,井筒四相流动理论能够准确刻画井筒内水合物沉积、堵塞全过程,为深水气井测试过程中水合物的防治提供理论依据;⑤深水钻井井筒多相流动理论今后的发展趋势,将涉及井筒与深水特殊地层耦合作用机制、深海水合物钻井井筒多相流动理论及支撑深水钻井新技术的井筒多相流动理论的研究。     

深水控制泥浆帽钻井水力参数设计与计算

深水控制泥浆帽钻井技术可以应对严重漏失地层和高压、高含硫地层的钻井问题,但钻井水力参数的设计与计算较为困难。为此,结合深水钻井工艺流程,建立了深水控制泥浆帽钻井井底压力计算模型,给出了深水钻井不同工况下的钻井液密度确定准则和钻井液当量循环密度计算方法,并基于井筒内循环压耗分析得到了水面泵和水下泵的泵压计算方法;针对严重漏失地层和高压、高含硫地层的井筒压力分布特点,给出了该工况下的泥浆帽高度计算方法;结合井眼清洁准则和漏失量与漏失压差的关系,给出了牺牲流体排量计算方法,并以此为基础提出了深水控制泥浆帽钻井水力参数设计流程。以一口深水井为例,对控制泥浆帽钻井水力参数进行了算例分析,结果表明:泥浆帽高度主要由井底压力的大小决定,钻井液密度与排量的大小可对其产生一定影响,所以通过调节泥浆帽高度可以控制井筒压力。      

产液气井泡沫排液起泡能力分析

起泡能力是决定产液气井泡沫排液效果的关键，但其评价依赖实验手段，缺少理论模型。针对现阶段缺乏起泡模型的环雾流及搅拌流，基于能量守恒原理，考虑界面张力对气体夹带的影响，以诱发气体夹带的液膜射流湍动能与夹带气泡的表面能增加速率相等为假设条件，建立了起泡模型，并通过实验数据进行了验证。基于起泡模型，给出了环雾流和搅拌流起泡所需界面张力的预测式，分析了不同流型的起泡能力。结果表明：在环雾流和搅拌流中，降低界面张力，韦伯数大于临界值时气体夹带发生，大气体质量流速确保充足的气体被夹带进入液膜，起泡能力强；段塞流中，降低界面张力，气体夹带速率增加，但受限于小气体质量流速，起泡能力弱；泡状流中，降低界面张力，促使气泡在泡状流顶部界面堆积形成泡沫，但小气体质量流速约束了气泡堆积速率，起泡能力弱。环雾流和搅拌流起泡能力强，适合泡沫排液，起泡所需界面张力可通过笔者建立的预测模型进行计算。     

梨树煤矿控制巷道底鼓方案实践研究

梨树煤矿巷道底鼓问题日趋突出严重,严重影响巷道的正常使用和工作面的正常生产。通过努力和实践,深入研究巷道底鼓的机理及防治措施,较好的控制了巷道底鼓,为梨树煤矿实现建设高产高效矿井建设,提高人员安全奠定了基础。采用分阶段的方法,对巷道底鼓进行有效控制,解决了困扰多年的难题。实行分段技术对巷道进行支护后,巷道变形明显得到控制。     

水合物钻探井筒多相流动及井底压力变化规律

天然气水合物钻探过程中,破碎后的水合物碎屑伴随钻井液上升到一定位置后开始分解,分解出的天然气使井筒流动变为复杂的多相流,导致井底压力预测困难,甚至可能引发井涌等复杂情况。针对这一问题,考虑水合物分解和相变热的影响,建立了水合物层钻井中的井筒多相流动模型和传热模型。通过对模型的求解,分析了水合物分解临界点和井底压力的变化规律。结果表明,降低钻速和钻井液入口温度,有助于抑制水合物分解,稳定井底压力;增大排量,水合物临界分解位置降低,整个井筒中气体体积分数较小,井底压力较稳定;适当提高钻井液密度控制井底压力能够有效抑制水合物分解。在水合物层钻井时,应对以上参数进行优化,以避免因水合物分解而引发的事故。     

Numerical simulation of cementing displacement interface stability of extended reach wells

The well cementing is important during the extended reach well drilling and the completion, whereas the displacement efficiency and the interface stability are important to guarantee the success of the cementing. In this paper, the interface stability of the cement slurry is simulated using the computational fluid dynamics software. The calculation results indicate that during the displacement, the length of the displacement interface increases with the increase of the deviation angle. The larger the eccentricity, the more significant the velocity difference, along with a longer displacement interface length, a less stable interface, and a lower displacement efficiency. Therefore, to guarantee the cementing quality and maintain a high displacement efficiency, the eccentricity should be controlled within 0.5. Application of a casing centralizer will dramatically improve the interface stability, decrease the dilution zone length of the interface and thus, is beneficial to the slurry cementing and displacement. The simulations are verified with an average absolute deviation less than 3.76% and the 45? helix angle of the rigid centralizer is recommended. Combining the data of an extended reach well on-site, methods are proposed for improving the displacement efficiency and the interface stability during the well cementing and displacement with complex boreholes. These numerical methods can be used to provide some theoretical guidance for designing the cementing of an extended reach well.     

深水油井测试工况下井筒结蜡区域预测方法

针对深水油井测试过程中低温环境容易引起结蜡进而影响测试作业正常进行、增加作业成本和风险的问题,基于深水测试管柱温压场和析蜡条件计算模型,提出了测试管柱内结蜡区域预测方法,并对结蜡区域的影响因素进行了分析。研究表明:结蜡区域随着测试产量的增加而逐渐减小;随着地温梯度降低、水深增加及产出流体含水率降低,发生结蜡的区域会增大;随着地层压力的增加,结蜡区域略有增大;初开井阶段,由于温压场的共同作用,测试管柱内结蜡区域很大;循环测试关井后,随着关井时间的增加,结蜡区域逐渐增大。研究成果可为深水油井测试期间的井筒结蜡预防工作提供指导,以保证测试工作顺利进行。图9表1参30     

井筒内气体扩散侵入定量计算模型

油基钻井液中更易发生气体扩散侵入,伴随油基钻井液使用的增多,有必要研究气体扩散侵入的机理并建立气体扩散侵入定量计算模型。将气体扩散侵入通道划分为气体与滤液界面、滤液滞留区、内滤饼区、外滤饼区、外滤饼区内壁与钻井液界面5个部分,在分析气体扩散侵入机理的基础上,推导了井筒内气体扩散侵入控制方程及解析解。基于解析解,给出了气体扩散侵入参量(循环工况气体侵入速率、循环工况井筒内气体总量、静止工况气体最大浓度、静止工况井筒内气体总量)的定量计算公式。结合算例分析,得到了储层长度、储层孔隙度、钻井液滤失对气体扩散侵入的影响规律。除了静止工况最大气体浓度外,气体扩散侵入参量与储层长度成线性关系。储层孔隙度的增加会促进气体的扩散侵入,但这种促进作用非常弱,低孔隙度储层和高孔隙度储层的扩散侵入参量没有数量级的差别。钻井液滤失对气体的扩散侵入具有非常明显的抑制作用,无滤失时的气体扩散侵入参量显著大于滤失时的情况。     

深水钻井井简中天然气水合物生成区域预测

综合考虑天然气水合物生成热力学、温度和压力条件，预测深水钻井井筒中天然气水合物生成区域。针对深水钻井的特点，建立了多相流控制方程组（包括各相的连续性方程和动量守恒方程）、环空和钻杆内的温度场方程以及水合物生成热力学方程。针对不同的钻井工况给出了方程的定解条件、方程离散方法以及求解步骤。通过仿真算例讨论了在钻进、停钻和压井过程中相关参数对天然气水合物生成区域的影响规律。结果表明：循环流量越高，抑制剂浓度越大，停钻时间越短，节流管线尺寸越大，水合物的生成区域就越小。算例研究还表明，多因素相结合抑制水台物生成的效果比单因素抑制水合物生成的效果更好。依据此计算方法还可对各参数进行优化。图7参16     

深水气井测试水合物抑制剂优选及注入方法

深水气井测试时存在高压、低温等适宜水合物生成的环境,水合物一旦生成就会迅速堵塞管柱,严重影响作业安全且处理成本高。水合物生成预测及预防是深水气井测试的关键技术之一。在南海东部已有深水气井测试成功经验的基础上,通过实验研究和理论分析等方法对几种常见的热力学、动力学抑制剂对甲烷相平衡温度的影响进行了研究对比,优选出甲醇作为水合物抑制剂;综合考虑水深、气产量等因素,通过理论模拟提出了具体的注入方法,并给出了便于操作的注入图版。本研究成果为我国深水气井测试探索出了一套可行的水合物抑制方法。