深水钻井气侵后环空多相流流动规律研究

摘要

虽然人们围绕油气井多相流动开展了大量研究，但是针对深水钻井大尺寸环空流道、油基钻井液气侵后气体溶解和析出条件下多相流动规律及相应求解方法研究较少。本文主要针对油基钻井液气体扩散侵入定量计算、全流型的截面含气率预测关系式、考虑气体溶解/析出的非稳态多相流动模型以及基于压力的非稳态多相流模型数值求解方法等四个方面开展研究，旨在为深水钻井井筒压力控制技术和井控水力参数设计提供支撑。 对于深水油基钻井液，储层气体易以分子扩散的形式侵入井筒。本文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五个部分，基于费克扩散定率，推导得到了总质量传递系数表达式；考虑质量浓度随时间的变化、钻井液流动引起的浓度变化、轴向上气体扩散引起的浓度变化及径向上气体自储层向井筒扩散引起的浓度变化，建立了气体扩散侵入控制方程；通过解析求解控制方程，得到了钻井液循环和静止工况下气体扩散侵入定量计算模型。结合算例分析了井底钻遇储层的井眼长度、孔隙度、钻井液滤失对扩散侵入的影响。井筒内侵入气体总量与井底钻遇储层的井眼长度成线性关系。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。钻井液滤失对气体的扩散侵入具有非常明显的抑制作用。 建立了全流型的分布系数表达式和全流型的漂移速度表达式，得到了大直径环空全流型截面含气率预测关系式。利用大直径环空气-水、气-煤油两相流动实验结果进行验证，分析表明新建截面含气率关系式的预测精度优于19个常用截面含气率关系式。 基于气体在油基钻井液的溶解实验和理论分析，利用气体质量浓度在时间和空间上的变化来描述气体的溶解/析出行为，建立了考虑气体溶解/析出的非稳态多相流动模型，并提出了基于压力的数值求解方法。该求解方法采用有限体积法和隐式差分，用迭代与遍历相结合的方法，来保证收敛。将不同时间和空间步长下的计算结果与Roe方法进行对比，发现该方法对空间和时间步长具有很好的适应性。 在全尺寸实验井上开展两相流动实验，利用实验数据对全流型空隙率关系式和数值求解方法进行验证，实验结果表明：井底压力测量值与计算值的平均相对误差为1.18%，最大相对误差为7.09%。 结合我国南海一口实钻深水井的基本数据，分析了采用油基钻井液钻井发生置换气侵、负压气侵和扩散气侵情况下井筒内的多相流流动规律。在置换气侵和负压气侵的情况下，气体在钻井液中的溶解使井筒内截面含气率减小，气体运移速度减慢，泥浆池增量变小。通过综合录井监测泥浆池增量或出口流量的方法难以有效监测气侵。在井底压力大于地层孔隙压力情况下，气体仍能以扩散侵入的方式进入井筒。钻井液循环工况下，井口会存在自由气，但气体仅存在于井口附近的井筒内，气体的存在不会使井底压力明显降低。若钻井液长时间静止后再进行循环，井底的高浓度溶解气运移到井口并析出，会导致泥浆池增量显著升高，井底压力显著降低。泥浆池增量显著升高可能导致将扩散气侵误判为负压气侵或置换气侵，井底压力显著降低则可能会诱发负压气侵发生；为避免上述问题，推荐在井口施加3MPa左右回压，可有效抑制循环排溶解气过程中气体在井口附近的过度析出。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 本文的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 截面含气率预测和摩阻计算的研究现状

1.2.2 非稳态多相流动模型研究进展

1.2.3 多相流模型数值求解研究进展

1.2.4 研究现状总结与分析

1.3 本文的主要研究内容

第二章 气体扩散侵入机理与定量计算

2.1 气体扩散侵入机理

2.2 气体扩散侵入控制方程

2.3 气体扩散侵入定量计算公式

2.3.1 循环工况气体侵入计算公式

2.3.2 静止工况气体侵入计算公式

2.4 算例分析

2.4.1 井筒内浓度分布情况

2.4.2 气体扩散侵入影响因素分析

2.5 本章小结

第三章 全流型截面含气率预测方法

3.1 大直径环空气液两相流动实验研究

3.2全流型截面含气率预测关系式

3.2.1 分布系数表达式

3.2.2 漂移速度表达式

3.3 结果分析对比

3.4 本章小结

第四章 考虑溶解/析出的非稳态多相流动模型

4.1 深水钻井井筒温度场

4.1.1 环境温度梯度恒定条件下井筒温度场解析解

4.1.2环境温度梯度不恒定条件下井筒温度场解析解

4.2 气体在油基钻井液中溶解度研究

4.2.1 溶解度经验模型

4.2.2 溶解度公式中参数的确定

4.2.3溶解度实验及模型验证

4.3 考虑溶解/析出的多相流动模型

4.3.1 控制方程

4.3.2 辅助方程

4.3.3 模型初始及边界条件

4.4 本章小结

第五章 非稳态多相流模型数值求解方法

5.1 非稳态漂移流动模型数值求解方法

5.1.1 非稳态漂移流动模型介绍

5.1.2 离散格式

5.1.3 求解思路

5.1.4 基于假设压力分布求解气液相速度及含气率

5.1.5 压力调整方法

5.1.6 求解流程

5.2 考虑溶解/析出的多相流动模型数值求解方法

5.2.1 求解气体质量浓度

5.2.2 截面含气率为零时计算其他参数

5.2.3 气体质量浓度等于溶解度时计算其他参数

5.3 数值方法对比验证

5.4 全尺寸实验井两相流动实验验证

5.4.1 全尺寸实验井设备简介

5.4.2 实验过程

5.4.3 实验结果与模拟结果对比

5.4 本章小结

第六章 深水钻井气侵后多相流流动规律分析

6.1 南海某深水井基本情况

6.2 井筒内溶解度变化规律

6.3 置换气侵井筒多相流流动规律

6.4 负压气侵井筒多相流流动规律

6.5 扩散气侵井筒多相流流动规律

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介