高壓氣井帶壓排出溢流工藝技術研究

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　　摘  要：針對高壓氣井常規處理溢流的不足，該文提出一種帶壓排出溢流技術，立足于漂移流動原理，創建高壓氣井帶回壓井筒氣液兩相流動計算模型，且以數值法解答模型。結合仿真算例模擬帶壓排出溢流時井口壓力受到井深、鉆井排量、溢流量等參數的影響，根據模擬的上述參數結果，制定鉆進過程中帶套壓排出溢流程序。
　　關鍵詞：控制壓力鉆井技術  氣液兩相流  井口回壓  施工工藝
　　中圖分類號：TE28                                  文獻標識碼：A                          文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0050-02
　　對于高壓氣井井控來說，如果存在溢流，一般的解決策略難度大、缺少安全性[1，2]。而控制壓力鉆井技術作為初級井控技術的一種高級應用形式，可以很好地解決常規處理溢流做法的不足，即利用RCH增加所需的回壓，以達到快速提高井底壓力并保持井底恒壓的目的，維持原密度將受侵鉆井液排出井筒[3，4]。
　　1  帶壓排出溢流技術計算模型
　　1.1 井筒內井筒氣液兩相流方程
　　該文先將帶壓排除溢流過程中的環空流動模型化并作以下假設[5-7]。
　?。?）假設井眼截面是圓形，以及跟井內鉆柱同心;
　?。?）對鉆井液中氣體的溶解忽視，以及兩相之間不存在化學反應;
　?。?）只分析順著流動方向的一維非定常流動問題;
　?。?）在相同位置的環空內兩相段氣液的兩相溫度一致，不存在交換的熱量。
　　能夠創建下面控制方程組。
　?、贇庀噙B續性方程：
　　②鉆井液相連續性方程：
　?、蹥?、液兩相動量守恒方程：
　?、軞怏w上升速度經驗公式：
　　⑤氣相狀態方程：
　　式中：A為環空截面積，m2;Eg、Em分別為產出氣、鉆井液相的體積分數，無量綱;vg、vm分別為產出氣和鉆井液相的速度，m/s;ρg、ρm分別為產出氣和鉆井液的密度，kg/m3; qg為氣侵速率，L/s;fric為沿程摩阻壓降，Pa;s為沿流動方向坐標，m;ρ為壓力，Pa;C0為速度分布系數;vrg為漂移速度，m/s;γg為天然氣相對密度，無因次;Z為天然氣壓縮因子;T為溫度，K。
　　1.2 方程組的定解條件
　　氣侵后采取帶壓鉆井的初始條件為：
　　氣侵后采取帶壓鉆井的邊界條件為：P（t，0）=Pf+Pe
　　式中：Eim、Eiq分別表示調整回壓后與調整回壓前環空各相在某一截面的體積分數，無量綱;v表示環空各相在某一截面的速度，m/s;i表示環空內的氣相、鉆井液相;j為示環空中的各個節點;Pf為地層壓力，Pa;Pe為為帶壓排出溢流過程中附加壓力，Pa。
　　1.3 方程組的求解
　　其步驟為：（1）初步估算井底壓力。（2）假設j+1處n+1時刻的壓力值，結合給定的井口回壓值以及出口溫度，由狀態方程確定節點處的物理參數等狀態。（3）由連續性方程、動量方程求解新的j+1節點處n+1時刻的壓力。將兩個壓力相比較，如果不滿足計算精度，則繼續迭代。（4）往后以此類推，直到井口為止，看已求得的井口處的壓力與給定的井口回壓值是否在精度范圍以內，若不滿足計算精度，否則返回步驟（1）重新估算，直至條件成立。
　　2  帶壓排出溢流技術敏感參數分析
　　利用建立的井筒氣液兩相流方程，模擬不同施工參數的變化對井口壓力變化規律，以便對現場實施帶壓排出溢流技術處理溢流提供一定的參考。具體模擬井的基本數據如下：井深4320m，?244mm套管，?127mm的鉆具平均內徑為110mm，?215.9mm的鉆頭，?159mm鉆鋌162.12m，鉆井液密度1.6g/cm3，鉆井液排量26L/s，塑性粘度0.03Pa.s，井口溫度25℃，地溫梯度3℃/100m，地層壓力71MPa。
　　2.1 不同溢流量對井口回壓的影響
　　溢流發現越晚，帶壓排出溢流過程中的最大井口回壓也在不斷增大。但是一般現場應用的旋轉控制頭（RCH）一旦連續超過5MPa時就轉入壓井程序，這也從另一個角度看出帶壓排出溢流受控壓裝備的影響，其控制能力是有限的。
　　2.2 不同鉆井排量對井口回壓的影響
　　需要注意的是，一旦鉆井排量改變，井內環空摩阻也將發生改變，為了使3種井況條件一致（井底恒壓），需對鉆井液密度進行相應的改變， 不同鉆井液排量下，在帶壓排出相同溢流量（1m3）過程中，最大井口回壓值卻越小。這是因為排量越大，井內環空摩阻也越大，為保持井底壓力恒定，因此排量較大時井口施加的回壓卻越小。但是從井口回壓的變化幅度來看，由于環空摩阻不是改變井底壓力的主要因素，所以鉆井液排量對帶壓排出過程中井口回壓的峰值影響有限。
　　2.3 不同井深對井口回壓的影響
　　為使初始模擬條件三者一致，需保持初始井底壓差相同，不同井深下，在帶壓排出相同溢流量（1m3）過程中，井越深，最大井口回壓值卻越大。這主要是因為井越深，井底溫度和壓力越高，氣體膨脹上升對井底壓力的影響也越大，造成井口的回壓峰值也隨之增大。但是從井口回壓的變化幅度來看，由于井口的工作回壓對氣體溢流控制有很好的積極作用，所以鉆井液排量對帶壓排出過程中井口回壓的峰值影響有限。 　　3  帶壓排出溢流施工工藝
　　該技術的基本施工程序如下。
　　（1）發現溢流，關井測壓，求解地層壓力。
　?。?）測量氣體侵入體積，計算采用平衡地層壓力的套壓條件下，氣體到達地面的體積。
　?。?）評估裝備、套管、地面條件能否滿足安全施工要求，具體判別標準如下：
　?、僭谟嬎闩懦鲶w積小于或等于地面處理能力、排出時控制套壓在5MPa以下時，能夠在鉆井時借助控壓鉆井設備排出侵入物。
　?、谠谟嬎闩懦鲶w積在地面處理能力以外、排出時控制套壓超過5MPa時，務必執行一般的壓井過程。
　　（4）結合井底恒壓原則，結合RCH增加要求的平衡地層壓力和套壓，保持一定的立管壓力，避免氣體的進一步侵入，維持原密度、原排量將受侵鉆井液循環排出井筒。
　?。?）倘若循環時套呀持續提升，意味著侵入物無氣，能夠在恢復鉆進中應用回壓增加方式，且將溢流同時排出;也能夠在排出溢流時實現鉆井液密度的增加，確保井筒壓力平衡。
　　4  結論
　　（1）根據高壓氣井一般解決溢流的缺陷，實施帶回壓排出溢流的有效措施。
　?。?）立足于漂移流動原理，創建高壓氣井帶回壓井筒氣液兩相流動的計算模型，且以數值法解答模型。
　?。?）帶壓排出溢流過程中，溢流發現越晚，對井口施加的回壓影響越大，而鉆井液排量、井深對井口回壓以及泥漿池體積增量有影響，然而增幅較小。
　?。?）結合分析的帶壓排出溢流技術結論，制定鉆進時帶套壓排出溢流的策略。
　　參考文獻
　　[1] 袁波，劉剛.高壓氣井壓井方法的機理及優選[J].中國海洋平臺，2007，22（6）：43.
　　[2] 曾時田.四川天然氣井鉆井壓力控制[J].天然氣工業，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.深水油氣鉆探井筒多相流動與井控的研究[D].中國石油大學（華東），2007.
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