欠平衡钻井多相流循环流动分析

欠平衡钻井多相流循环流动分析

20世纪90年代，这种突然的不平衡钻孔技术提高了钻孔速度，减少了钻孔事故的发生，减少了地层的损害，提高了单井产量。通过发现地层、环境保护、节约生产措施和业务成本，促进了独特的优势。尤其在开发低渗透、低压力储层,非常规油气资源和老油气田改造方面发挥着重要作用。使其成为继水平井钻井技术之后最具发展前途的钻井技术之一。欠平衡钻井中使用较多的是充气钻井液钻井和低密度钻井液钻井,气液两相流动是欠平衡钻井过程中充气液循环流动的基本特征。一、气液两相流试验在欠平衡钻井循环流动中,由于气相滑脱、混合体系多相、流型变化复杂等原因,使欠平衡钻井多相流动问题研究具有较大难度。多年来,国内外研究者较多地研究了欠平衡钻井循环的环空流动过程,运用过的理论模型主要有4类:①按稳定均相流动模型预测气液两相流动的重力压降变化,工程上常常只考虑其重力压降部分;②运用流体连续方程和动量方程,分两相(气/液)研究欠平衡钻井过程;③运用流体连续方程、动量方程及能量方程整体研究欠平衡钻井过程;④运用流体连续方程和动量方程分多相(气/液/固)研究欠平衡钻井过程。不同研究者在建立和应用上述各类理论模型时,又有各自不同的处理及考虑方法。在研究过程中,对钻柱内向下流动主要考虑地面注入的气、液两相流;对环空向上流动主要考虑地面注入气、液相,来自地层的流体(油、气或水),钻屑等,在对该混合体系流动的分析中,把其分为由钻井液、地层油、地层水、钻屑等组成的混合液相和由注入气、地层进气组成的混合气相,按气液两相流动问题研究该混合体系流动过程,建立系统的理论模型如下。1.流道压降梯度gc气相连续方程式:∂(ρgφg)∂t+∂(ρgφgug)∂z=mgt1+mog1∂(ρgφg)∂t+∂(ρgφgug)∂z=mgt1+mog1液相连续方程式:∂(ρlφl)∂t+∂(ρlφlul)∂z=mlt1+mog1∂(ρlφl)∂t+∂(ρlφlul)∂z=mlt1+mog1动量方程式:-∂p∂z-dFAdz-[ρgφg+d(ρgφg)2+ρlφl+d(ρlφl)2]gcosα=∂(ρgφgug+ρlφlul)∂t+∂(ρgφgu2g+ρlφlu2l)∂z−∂p∂z−dFAdz−[ρgφg+d(ρgφg)2+ρlφl+d(ρlφl)2]gcosα=∂(ρgφgug+ρlφlul)∂t+∂(ρgφgu2g+ρlφlu2l)∂z上式中:ρg,φg,ug,ρl,φl,ul为气相和液相的密度,含气(液)率,速度;t,z为时间和沿流道长度;mog1为沿环空上返过程中侵入油相单位体积的出气率;mgt1,mlt1为单位体积的气相和液相质量流量增加率;F,p为流动摩阻和液压力;A,α为流道截面积和井斜角;g为重力加速度。对钻柱内流动mog1=0,动量方程等式左边的重力压降梯度项取正。对稳定流动,∂()∂t=0‚mgl=0,mlt=0∂()∂t=0‚mgl=0,mlt=0。方程中有10个未知量,还需建立7个补充方程才能联立求解。2.通过补充方程和相关物理参数计算(1)相密度ρg=ρg(p,Th)(2)液体密度sl=sl(3)含气量与液体含量之比gl=1(4)矿山温度Th=Th(To,Δt,H)(5)相移动14向上流动的环ug=coum+uT∞φnlnl21提升柱内部ug=coum-uT∞φnlnl(6)两相流的摩擦降低dFdz=Fz(fm,ρm,um,di,do,db)(7)几何边界A=A(di,do,db,H)α=α(H)(8)速度分布系数qgb=qgb(Zb,Tb,pb,Zs,Ts,ps,qgs)qlb=qls上式中:To,Δt,H,Th分别为地表温度,地温梯度,垂直井深及h处温度;co,φnl,uT∞分别为考虑速度分布的系数(通常取co=1.2),反映气相云集作用的量(通常取云集指数n=0.5)和气泡或Taylor泡上升速度;fm,ρm,um分别为混合物流动摩阻系数,密度和流速;di,do,db分别为钻柱内径,外径及井径;qgb,Zb,Tb,pb,Zs,Ts,ps,qgs,qlb,qls为地层流体入流的井底及地面参数。二、有限小体积单元控制方程是由偏微分方程组成的数学模型,要加上补充方程及相关物理参数计算式构成复杂的方程组,并考虑钻柱内及环空的相关边界条件,才能对问题进行求解。要直接获得理论模型的解析解是难以做到的,笔者采用了对时间做有限差分离散,对空间做有限体积离散的方法求问题的数值解。首先把求解问题在时间域和空间域内离散,时间按有限差分离散;在任意t时刻,空间按有限体积离散,把求解的空间域划分成许多有限小体积单元。环空向上流动过程取有限小体积单元Δv=AaΔz,Aa为环空截面积,Δz为有限小体积单元长度;钻柱内向下流动过程取有限小体积单元Δv=AiΔz,Ai为钻柱内流道截面积,在tn时刻,对第i个有限小体积单元,运用模型方程进行求解。在全部时间域和空间域内,逐时刻、逐单元作数值计算求解,从而求出全部时间域和空间域内问题的全部数值解。三、欠平衡钻井井深、地层压力和流动循环计算计算举例:Ø244.5mm套管固井后,用Ø215.9mm钻头钻井,考虑垂直井和斜井欠平衡钻井,井深为4000m,地温梯度为2.5°/100m;钻头压力降为2.0MPa;定质量稳定流动循环;为获取介质基本参数方便,以氮气为注入气相,水为注入液相,取地层入流为零,控制出口回压pa=1.0MPa、地面温度为25℃。1.钻柱内流动过程的变化规律在注液速度为0.984m3/min,注气速度为15.3m3/min(标准状态下)条件下,沿井深计算稳定流动循环过程中的各量,主要结果为:在环空流动过程中,沿井深增加,压力增大,气相被压缩,含气率降低,多相流体密度增加。在钻柱内流动过程中,沿井深增加,各量的变化与环空流动过程基本相似。由于钻柱内流动过程中的气相漂移规律与环空流动过程有不同,钻柱内的井口、井底压力值与环空的井口、井底压力值不同,使钻柱内流动过程中,沿井深增加,各量的变化规律与环空流动过程中各量的变化规律有不同。具体规律如图1～3所示。2.垂直井和倾斜井之间的压力比较在环空流动过程中,沿井深计算比较垂直井与斜井的压力变化,结果表明,在斜井段的压力值小于相应垂直井段的压力值。3.加值试验结果在上述举例条件下,若初始控制出口回压pa=1.0MPa,关小出口阀适量,关阀过程经过tc时间完成,把tc细分为多个Δt时间段,每Δt时间段的操作看成一次“扰动”,设每Δt时间内套压显示增加值Δpa=1.0MPa,最终套压显示增加值pa=4.0MPa,分析计算结果如图4所示。图4把一次经过tc(tc>2.88s)时间完成的连续关阀操作过程细分为3个连续关阀操作过程,引起3次水击波,t=0s引起第一次水击波在经过t=2.88s时到达井深2500m处;t=1s引起第二次水击波在经过t=1.88s时到达井深1560m处;t=2s引起第三次水击波在经过t=0.88s时到达井深660m处。在经过tc时间完成的连续关阀操作过程中,由于出口阀的不断关小,会不断引起水击波,在第一次水击波到达井底前的环空压力随时间变化情形与图4相类似。四、欠平衡钻井数值的计算分析(1)欠平衡钻井多相流动是十分复杂的循环系统,没有一套良好的理论作指导,在施工中就很难把握井下状况,地面控制也十分盲目,也就不能保证和维持真正意义上的欠平衡钻井。(2