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高压气井带压排出溢流工艺技术研究

作者:李磊

  摘  要:针对高压气井常规处理溢流的不足,该文提出一种带压排出溢流技术,立足于漂移流动原理,创建高压气井带回压井筒气液两相流动计算模型,且以数值法解答模型。结合仿真算例模拟带压排出溢流时井口压力受到井深、钻井排量、溢流量等参数的影响,根据模拟的上述参数结果,制定钻进过程中带套压排出溢流程序。

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  关键词:控制压力钻井技术  气液两相流  井口回压  施工工艺
  中图分类号:TE28                                  文献标识码:A                          文章编号:1672-3791(2019)03(c)-0050-02
  对于高压气井井控来说,如果存在溢流,一般的解决策略难度大、缺少安全性[1,2]。而控制压力钻井技术作为初级井控技术的一种高级应用形式,可以很好地解決常规处理溢流做法的不足,即利用RCH增加所需的回压,以达到快速提高井底压力并保持井底恒压的目的,维持原密度将受侵钻井液排出井筒[3,4]。
  1  带压排出溢流技术计算模型
  1.1 井筒内井筒气液两相流方程
  该文先将带压排除溢流过程中的环空流动模型化并作以下假设[5-7]。

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  1.1 井筒内井筒气液两相流方程
  该文先将带压排除溢流过程中的环空流动模型化并作以下假设[5-7]。
  (1)假设井眼截面是圆形,以及跟井内钻柱同心;
  (2)对钻井液中气体的溶解忽视,以及两相之间不存在化学反应;

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  (3)只分析顺着流动方向的一维非定常流动问题;
  (4)在相同位置的环空内两相段气液的两相温度一致,不存在交换的热量。
  能够创建下面控制方程组。
  ①气相连续性方程:
  ②钻井液相连续性方程:
  ③气、液两相动量守恒方程:
  ④气体上升速度经验公式:
  ⑤气相状态方程:
  式中:A为环空截面积,m2;Eg、Em分别为产出气、钻井液相的体积分数,无量纲;vg、vm分别为产出气和钻井液相的速度,m/s;ρg、ρm分别为产出气和钻井液的密度,kg/m3; qg为气侵速率,L/s;fric为沿程摩阻压降,Pa;s为沿流动方向坐标,m;ρ为压力,Pa;C0为速度分布系数;vrg为漂移速度,m/s;γg为天然气相对密度,无因次;Z为天然气压缩因子;T为温度,K。
  1.2 方程组的定解条件
  气侵后采取带压钻井的初始条件为:
  气侵后采取带压钻井的边界条件为:P(t,0)=Pf+Pe
  式中:Eim、Eiq分别表示调整回压后与调整回压前环空各相在某一截面的体积分数,无量纲;v表示环空各相在某一截面的速度,m/s;i表示环空内的气相、钻井液相;j为示环空中的各个节点;Pf为地层压力,Pa;Pe为为带压排出溢流过程中附加压力,Pa。
  1.3 方程组的求解
  其步骤为:(1)初步估算井底压力。(2)假设j+1处n+1时刻的压力值,结合给定的井口回压值以及出口温度,由状态方程确定节点处的物理参数等状态。(3)由连续性方程、动量方程求解新的j+1节点处n+1时刻的压力。将两个压力相比较,如果不满足计算精度,则继续迭代。(4)往后以此类推,直到井口为止,看已求得的井口处的压力与给定的井口回压值是否在精度范围以内,若不满足计算精度,否则返回步骤(1)重新估算,直至条件成立。
  2  带压排出溢流技术敏感参数分析
  利用建立的井筒气液两相流方程,模拟不同施工参数的变化对井口压力变化规律,以便对现场实施带压排出溢流技术处理溢流提供一定的参考。具体模拟井的基本数据如下:井深4320m,?244mm套管,?127mm的钻具平均内径为110mm,?215.9mm的钻头,?159mm钻铤162.12m,钻井液密度1.6g/cm3,钻井液排量26L/s,塑性粘度0.03Pa.s,井口温度25℃,地温梯度3℃/100m,地层压力71MPa。
  2.1 不同溢流量对井口回压的影响
  溢流发现越晚,带压排出溢流过程中的最大井口回压也在不断增大。但是一般现场应用的旋转控制头(RCH)一旦连续超过5MPa时就转入压井程序,这也从另一个角度看出带压排出溢流受控压装备的影响,其控制能力是有限的。
  2.2 不同钻井排量对井口回压的影响
  需要注意的是,一旦钻井排量改变,井内环空摩阻也将发生改变,为了使3种井况条件一致(井底恒压),需对钻井液密度进行相应的改变, 不同钻井液排量下,在带压排出相同溢流量(1m3)过程中,最大井口回压值却越小。这是因为排量越大,井内环空摩阻也越大,为保持井底压力恒定,因此排量较大时井口施加的回压却越小。但是从井口回压的变化幅度来看,由于环空摩阻不是改变井底压力的主要因素,所以钻井液排量对带压排出过程中井口回压的峰值影响有限。
  2.3 不同井深对井口回压的影响
  为使初始模拟条件三者一致,需保持初始井底压差相同,不同井深下,在带压排出相同溢流量(1m3)过程中,井越深,最大井口回压值却越大。这主要是因为井越深,井底温度和压力越高,气体膨胀上升对井底压力的影响也越大,造成井口的回压峰值也随之增大。但是从井口回压的变化幅度来看,由于井口的工作回压对气体溢流控制有很好的积极作用,所以钻井液排量对带压排出过程中井口回压的峰值影响有限。   3  带压排出溢流施工工艺
  该技术的基本施工程序如下。
  (1)发现溢流,关井测压,求解地层压力。
  (2)测量气体侵入体积,计算采用平衡地层压力的套压条件下,气体到达地面的体积。
  (3)评估装备、套管、地面条件能否满足安全施工要求,具体判别标准如下:
  ①在计算排出体积小于或等于地面处理能力、排出时控制套压在5MPa以下时,能够在钻井时借助控压钻井设备排出侵入物。
  ②在计算排出体积在地面处理能力以外、排出时控制套压超过5MPa时,务必执行一般的压井过程。
  (4)结合井底恒压原则,结合RCH增加要求的平衡地层压力和套压,保持一定的立管压力,避免气体的进一步侵入,维持原密度、原排量将受侵钻井液循环排出井筒。
  (5)倘若循环时套呀持续提升,意味着侵入物无气,能够在恢复钻进中应用回压增加方式,且将溢流同时排出;也能够在排出溢流时实现钻井液密度的增加,确保井筒压力平衡。
  4  结论
  (1)根据高压气井一般解决溢流的缺陷,实施带回压排出溢流的有效措施。
  (2)立足于漂移流动原理,创建高压气井带回压井筒气液两相流动的计算模型,且以数值法解答模型。
  (3)带压排出溢流过程中,溢流发现越晚,对井口施加的回压影响越大,而钻井液排量、井深对井口回压以及泥浆池体积增量有影响,然而增幅较小。
  (4)结合分析的带压排出溢流技术结论,制定钻进时带套压排出溢流的策略。
  参考文献
  [1] 袁波,刘刚.高压气井压井方法的机理及优选[J].中国海洋平台,2007,22(6):43.
  [2] 曾时田.四川天然气井钻井压力控制[J].天然气工业,2003,23(4):39.
  [3] Majid Davoudi.A Simulation-based Evaluation of Alternative Initial Responses to Gas Kicks During Managed Pressure Drilling Operations[D].Louisiana State University,2009.
  [4] 高永海.深水油氣钻探井筒多相流动与井控的研究[D].中国石油大学(华东),2007.

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