高压气井带压排出溢流工艺技术研究
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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。
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]。
（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;
（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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