增加避台风期间海洋钻井安全作业周期的方法

摘要

本发明属于海洋油气开发领域，具体地，涉及一种增加避台风期间海洋钻井安全作业周期的方法，其步骤如下：读取当前井的基础数据；将井筒由下往上划分成若干个单元格；确定井底处初始气泡直径的大小；计算当前钻井液条件下的安全作业周期；判断安全作业周期是否满足避台风要求；选择注入液体段塞的粘度；估计注入井底高粘液体段塞的长度；计算注入高粘液体段塞后的安全作业周期；判断高粘液体段塞长度是否满足最低要求；判断高粘液体段塞长度是否在最长限制之内。本发明能够使安全作业周期大于避台风时间，降低解除风暴阀过程中的高压风险，达到安全作业的目的。

说明书

技术领域

本发明属于海洋油气开发领域，具体地，涉及一种增加避台风期间海洋钻 井安全作业周期的方法。

背景技术

我国南海海域蕴藏着大量的油气资源，是我国重要的油气来源。我国南海 海域台风和季风频繁，当台风来临时，正常的海洋钻井作业必须停止，在泥线 以下的井筒内下入风暴阀封井，人员撤离作业现场。等台风过后天气和海况适 合钻井作业时，重新解除风暴阀，恢复正常的海洋钻井作业。在台风撤离期 间，井筒中流体长时间处于静止状态，如果地层气体侵入井筒，在一定条件下 气体上升并向井口聚集，解除风暴阀进行开井作业时该处压力非常高，存在极 大的安全风险。通常将避台风期间气体由井底上升至风暴阀处之前的时间称为 安全作业周期。若安全作业周期小于避台风时间，则避台风归来解除风暴阀时 井底气体已经到达风暴阀处，会在该处形成高压，形成安全隐患；反之，若安 全周期大于避台风时间，在解除风暴阀时相对会比较安全。因此，通过一定的 方法增加避台期间的钻井安全作业周期，使其大于所需避台风时间，会降低风 暴阀解除过程中的风险。本发明提出一种增加避台风期间海洋钻井安全作业周 期的方法，使安全作业周期能够大于避台风时间，降低解除风暴阀过程中的高 压风险，达到安全作业的目的。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种增加避台风期间海洋钻井安 全作业周期的方法，该方法是通过在井底注入一段高粘度的液体段塞减缓气体 的上升速度，增加安全作业周期，通过本发明的方法可计算出所需的最小高粘 液体段塞的长度，确保安全作业周期大于避台风时间，达到安全作业的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

增加避台风期间海洋钻井安全作业周期的方法，包括以下步骤：

（1）读取当前井的基础数据；

（2）将井筒由下往上划分成若干个单元格；

（3）确定井底处初始气泡平均直径的大小；

（4）计算当前钻井液条件下的安全作业周期；

（5）判断安全作业周期是否满足避台风要求，若安全作业周期大于预计 的避台风时间，则安全作业周期满足要求；反之，则需采取注入高粘液体段塞 的方法增加安全作业周期，继续步骤(6)；

（6）选择注入液体段塞的粘度；

（7）估计注入井底高粘液体段塞的长度；

（8）计算得到注入高粘液体段塞后的安全作业周期；

（9）判断高粘液体段塞长度是否满足最低要求,若注入高粘液体段塞后的 安全作业周期大于预计的避台风时间，则注入的液体段塞长度满足要求，继续 步骤(10)；反之，则需重新估计注入井底高粘液体段塞的长度，返回步骤 (7)；

（10）判断高粘液体段塞长度是否在最长限制之内，若此液体段塞的长度 小于风暴阀至井底的井筒长度，则满足要求；反之，则说明此液体段塞的粘度 偏低，应增大液体段塞的粘度，返回步骤(6)。

优选地，所述的钻井的基本参数是指钻井液密度、钻井液粘度、井身结 构、地层的平均孔隙直径、风暴阀的位置、预计避台风时间。

优选地，所述的将井筒由下往上划分成若干个单元格是指采用非均匀网格 划分方法，将井筒由井底往上至风暴阀处划分为若干个单元格，网格划分时上 部单元格比下部单元格更密集。

优选地，所述的确定井底处初始气泡直径的大小的步骤如下：①根据当前 井筒内钻井液的密度计算井底压力；②由井筒温度场方程计算此时井底处的温 度；③根据井底处的压力和温度计算进入井筒内气体的密度及气液界面张力； ④根据地层的平均孔隙直径、气液表面张力、气体及液体的密度计算井底处初 始气泡直径。

优选地，所述的计算当前钻井液条件下的安全作业周期的步骤如下：①根 据当前井筒内钻井液的密度计算井筒最下方单元格中心处的压力；②由井筒温 度场方程计算井筒最下方单元格中心处的温度；③由井底处初始气泡直径，结 合气体状态方程确定井筒最下方单元格中心处气泡的平均直径；④计算气泡的 聚并速度，得到气泡聚并后的直径；⑤判断气泡是否发生破裂，并得到破裂后 气泡的平均直径；⑥根据井筒最下方单元格内的液体粘度，计算气泡在井筒最 下方单元格中心处的上升速度；⑦计算气泡通过井筒最下方单元格的时间；⑧ 重复步骤①-⑦，由下往上，依次计算气体通过井筒每个单元格的时间，累加 气体通过整个井筒长度上所有单元格的时间，得到气体上升至风暴阀处的安全 作业周期。

优选地，所述的选择注入液体段塞的粘度是指选择一种注入液体段塞的粘 度，且该粘度比当前井筒内的钻井液粘度高。

优选地，所述的判断高粘液体段塞长度是否满足最低要求是指比较注入高 粘液体段塞后的安全作业周期与预计的避台风时间；若此安全作业周期大于预 计的避台风时间，则注入的液体段塞长度满足要求；反之，需重新估计注入井 底高粘液体段塞的长度，重新计算直至满足要求。

优选地，所述的判断高粘液体段塞长度是否在最长限制之内是指比较计算 出的液体段塞的长度与风暴阀至井底的井筒长度，若此液体段塞的长度小于风 暴阀至井底的井筒长度，则满足要求；反之，说明此液体段塞的粘度偏低，应 增大液体段塞的粘度，重复计算直至满足要求。

优选地，所述的高粘液体段塞长度的最低要求是指保证安全作业周期等于 预计的避台风时间时的高粘液体段塞长度。

优选地，所述的高粘液体段塞的最长限制是指保证液体段塞的长度要小于 风暴阀至井底的井筒长度。

本发明相对于现有技术，具有以下显著效果：

(1)、本发明所述的方法可通过注入高粘液体段塞的方式增加海洋钻井的 安全作业周期，该方法工艺简单，适合现场使用。

(2)、本发明所述的方法能够给出注入高粘液体段塞的具体长度，使得注 入高粘液体段塞增加安全作业周期的可操作性强。

(3)、采用本发明方法在计算气体上升速度时考虑了气泡在井筒上升过程 中的膨胀、聚并和破裂，并采用非均匀网格的划分方法，提高了计算的准确 性。

(4)、采用本发明方法可有效的提高海洋钻井避台风时的钻井安全作业周 期，可降低风暴阀解除操作过程中的高压风险。

说明书附图

图1为本发明增加避台风期间海洋钻井安全作业周期的流程示意图；

图2为计算当前钻井液条件下的安全作业周期的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，增加避台风期间海洋钻井安全作业周期的方法，包括如下步 骤：

1、读取当前井的基础数据

根据当前井的实际情况，读取当前井的基础数据，包括：钻井液密度、钻 井液粘度、井身结构、地层的平均孔隙直径、风暴阀的位置、预计避台风时 间。

2、将井筒由下往上划分成若干个单元格

采用非均匀网格划分方法，将井筒由井底往上至风暴阀处划分为若干个单 元格，分别为1、2、3、…、N，由于气体在井底上升速度慢，靠近井口的位置 上升速度快，因此网格的划分可采用非均匀网格的形式，下疏上密；由于气体 在井筒上部的上升速度要比底部高，网格划分时上部单元格更密集。

3、确定井底处初始气泡直径的大小

(1)、根据当前井筒内钻井液的密度计算井底压力

由于风暴阀与钻井连接处有一单向阀，钻柱内流体可流向井筒，而井筒中 流体不能流向钻柱，因此虽然在泥线下井筒内安装由风暴阀，但通过单向阀与 钻柱联通，井底压力仍按照整个井筒长度计算：

P_b=ρ_mgH    (1)

式中，P_b为井底压力，Pa；ρ_m为井底的压力当量密度，Kg/m³；H为 井深，m。

(2)、由井筒温度场方程计算此时井底处的温度

井筒环空内温度场方程为：

$A{\rho }_m{v}_m{c}_m·\frac{\partial T}{\partial s}-m_a{c}_m\frac{\partial T}{\partial t}-2{\mathrm{\pi r}}_a{U}_a(T_e-T)+2{\mathrm{\pi r}}_p{U}_p(T-T_p)=0---\left(2\right)$

式中，c_m为钻井液的比热，J/kg℃；m_a为环空内的质量流量，kg/s；r_p为 钻柱半径，m；r_a为环空半径，m；T_p为钻柱内的温度，℃；T为环空内的温 度，℃；T_e为海水的温度，℃；U_p为钻柱内总的传热系数，W/m℃。

(3)、根据井底处的压力和温度计算进入井筒内气体的密度及气液界面张 力

气体密度计算可通过公式(3)得到：

${\rho }_g=\frac{3484.4P{\gamma }_g}{Z_g(T+273.15)}---\left(3\right)$

式中，ρ_g为气体密度，Kg/m³；γ_g为注入气体的相对密度，无因次；Z_g为 气体的压缩因子，无因次。

气液表面张力可由下式计算：

$\sigma \left(T\right)=\frac{1}{1000}\left\{\frac{{(400.78-T)}^{1.8}}{206}\right[{\sigma }_{\left(296.33\right)}-{\sigma }_{\left(400.78\right)}]+{\sigma }_{\left(400.78\right)}\}---\left(4\right)$

σ_(400.78)=52.5-0.87018p    (5)

σ_(296.33)=76exp(-0.0362575p)    (6)

式中，σ(T)为温度为T K时气液表面张力，单位N/m；P为环空压力， MPa。

(4)、根据地层的平均孔隙直径、气液表面张力、气液密度计算井底处初 始气泡直径的大小

由下式计算井底处进入井筒的初始气泡直径：

$D_g={\left[\frac{6·\sigma ·D_0}{g({\rho }_m-{\rho }_g)}\right]}^{1/3}---\left(7\right)$

式中，D_g为井筒的初始气泡直径，m；D₀为孔隙直径，m。

4、计算当前钻井液条件下的安全作业周期

计算当前钻井液条件下的安全作业周期的流程如图2所示，其步骤为：

(1)、根据当前井筒内钻井液的密度计算井筒最下方单元格1中心处的压 力

通过由式(8)计算单元格1中心处的压力：

P₁=ρ_mg(H-h₁)    (8)

式中，P₁为单元格1中心处的压力，Pa；h₁为单元格1中心至井底距 离，m。

(2)、由井筒温度场方程计算单元格1中心处的温度

单元格1中心处的温度T₁的求解，可通过公式(9)计算得出。

$A{\rho }_m{v}_m{c}_m·\frac{\partial T_1}{\partial s}-m_a{c}_m\frac{\partial T_1}{\partial t}-2{\mathrm{\pi r}}_a{U}_a(T_e-T_1)+2{\mathrm{\pi r}}_p{U}_p(T_1-T_p)=0---\left(9\right)$

式中，T₁为单元格1中心处的温度，℃。

(3)、由井底处初始气泡直径，结合气体状态方程确定单元格1中心处气 泡的平均直径

单元格1中心处气泡的平均直径可由式(10)计算：

$D_{g1}={\left[\frac{P_0{D}_{g0}^3{Z}_1{T}_1}{P_1{Z}_0{T}_0}\right]}^{1/3}---\left(10\right)$

式中，D_g1为单元格1内气泡的平均直径，m；D_g0为井底处初始气泡 的平均直径，m；P₁为单元格1中心处的压力，MPa；P₀为单元格1的前一 节点的环空压力，单元格1的前一节点为井底最下端点，MPa；T₁为单元 格1中心处的温度，℃；T₀为单元格0中心处的温度，℃；Z₁为P₁、T₁条 件下气体的压缩因子，无因次；Z₀为P₀、T₀条件下气体的压缩因子，无因 次。

若计算单元格2、单元格3、…，单元格N中心处气泡的平均直径 时，D_g0为前一单元格中心处气泡的平均直径。

(4)、计算气泡的聚并速度，得到气泡聚并后的平均直径

气体的聚并速度与气泡的平均直径、气泡的碰撞概率、湍流强度、 气泡的上升速度、气泡的碰并时间相关的参数，如式(11)所示：

Ω_c=f(Num_i-1,ε,p_c,u_g,τ)    (11)

式中，Ω_c为气泡聚并速度，num/m³s；P_c为碰撞效率，无因次；ε为湍流 强度；v_g为气泡的上升速度，m/s；τ为两个气泡的实际接触时间，s。

考虑气泡聚并的气泡平均直径计算可通过式(12)计算得到：

$D_{g1}={\left(\frac{D_{g0}}{{\mathrm{Num}}_0-\mathrm{INT}\left(\frac{{\Omega }_c\Delta t_0+1}{2}\right)}\right)}^{1/3}---\left(12\right)$

式中，D_g1为单元格1内气泡的平均直径，m；D_g0为井底气泡的初始 平均直径，m；Num₀为单元格1的前一节点处，即井底最下短点处的气 泡个数；△t₀为气泡通过单元格1的前一节点的时间，s。

(5)、判断气泡是否发生破裂，并得到破裂后气泡的平均直径

公式(13)给出了气体破裂的判断准则：

$\frac{P_1+(2\sigma /D_{g1})}{G_0}>\frac{{2\pi }^2}{9}---\left(13\right)$

式中，σ为气液界面张力，N/m；G₀为液体弹性系数，无因次。

若气泡发生破裂，则单元格1内气泡破裂后的直径可用式(14)计算：

$D_{g1}=0.725{\left(\frac{{\rho }_m}{\sigma }\right)}^{-0.6}{e}^{-0.4}---\left(14\right)$

式中，e为能量耗散率。

(6)、根据单元格1内的液体粘度，计算气泡在单元格中心处的速度 气体的上升速度可使用Peebles和Garber关联式(15)-(20)进行计算：

$u_{g1}=\frac{1}{18}\frac{{\rho }_m-{\rho }_g}{{\mu }_m}g{D_{g1}}^2,\mathrm{Re}<2---\left(15\right)$

$u_{g1}={0.33g}^{0.76}{\left(\frac{{\rho }_m}{{\mu }_m}\right)}^{0.52}{\left(\frac{D_{g1}}{2}\right)}^{1.28},2<\mathrm{Re}<4.02{G_1}^{-02.214}---\left(16\right)$

$G_1=\frac{{{\mathrm{g\mu }}_m}^4}{{\rho }_m{\sigma }^3}---\left(19\right)$

$G_2=\frac{{{\mathrm{gD}}_g}^4{\mu }_g{\rho }_m}{15{\sigma }^3}---\left(20\right)$

式中，μ_m为液体的粘度，Pa.s；Re为雷诺数，无因次；μ_g为气体的 粘度，Pa.s；G₁、G₂为中间系数。

（7）、计算气泡通过单元格1的时间

气泡通过单元格1的时间为：

$\Delta t_1=\frac{\Delta h_1}{u_{g1}}---\left(21\right)$

(8)、重复步骤（1）-（7），依次计算气体通过井筒内单元格2、单元格 3、…，单元格N的时间，累加气体通过整个井筒长度上所有单元格的时间， 得到气体上升至风暴阀处的安全作业周期

$t_s=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\Delta t_i---\left(22\right)$

式中，t_s为气体上升至风暴阀处的安全作业周期，s；t_i为气体通过单元 格i的时间，s；i为单元格1、2、3、…、N。

5、判断安全作业周期是否满足避台风要求

比较安全作业周期与预计的避台风时间：若安全作业周期大于预计避台风 时间，则安全作业周期满足要求，无需采取增加安全作业周期的措施；反之， 则需采取注入高粘液体段塞的方法增加安全作业周期，进入步骤6。

6、选择注入液体段塞的粘度

因为随着井筒中液体粘度的升高，会降低气体的上升速度。因此，选择注 入液体段塞的粘度时应比当前井筒内的钻井液粘度高，且粘度越高所需液体段 塞的长度就越小。

7、估计注入井底高粘液体段塞的长度

估计需要该粘度液体段塞的长度L_s。

8、计算注入高粘液体段塞后的安全作业周期

(1)、根据当前井筒内钻井液的密度计算井筒最下方单元格1中心处的压 力

通过公式(8)计算得到单元格1中心处的压力。

(2)、由井筒温度场方程计算单元格1中心处的温度

通过公式(9)计算得出单元格1中心处的温度。

(3)、由前一单元格气泡的平均直径，结合气体状态方程确定单元格1中 心处气泡的平均直径

通过公式(10)计算得出单元格1中心处气泡的平均直径。

(4)、计算气泡的聚并速度，得到气泡聚并后的平均直径

通过公式(12)计算得到气泡聚并后的平均直径。

(5)、判断气泡是否发生破裂，并得到破裂后气泡的平均直径

通过公式(13)判断气泡是否破裂；若气泡发生破裂，通过公式(14)计算破 裂后气泡的平均直径。

(6)、根据单元格1内的液体粘度，计算气泡在单元格中心处的速度

根据公式(15)-(20)计算气泡通过单元格1中心处的速度。

(7)、计算气泡通过单元格1的时间

通过公式（21）计算气泡通过单元格1的时间。

(8)、重复步骤（1）-（6）得到气体通过单元格2、单元格3、…、单元 格N的时间，通过公式（22）累加气体通过整个井筒长度上所有单元格的时 间，得到注入高粘液体段塞后气体上升至风暴阀处的安全作业周期。

9、判断高粘液体段塞长度是否满足最低要求

高粘液体段塞长度的最低要求是保证安全作业周期等于预计的避台风时间 时的长度。比较注入高粘液体段塞后的安全作业周期与预计的避台风时间：若 注入高粘液体段塞后的安全作业周期大于预计的避台风时间，则注入的液体段 塞长度满足要求；反之，则需重新估计注入井底高粘液体段塞的长度，返回步 骤7，直至满足要求。

10、判断高粘液体段塞长度是否在最长限制之内

高粘液体段塞长度的最长限制是保证液体段塞的长度要小于风暴阀至井底 的井筒长度。比较计算出的液体段塞的长度与风暴阀至井底的井筒长度，若计 算出的液体段塞的长度小于风暴阀至井底的井筒长度，则满足要求；反之，则 说明此液体段塞的粘度偏低，应增大液体段塞的粘度，返回步骤6，直至满足 要求。