（流体力学专业论文）双梯度钻井井控中的多相流动计算.pdf

摘要 随着陆地油气资源的逐渐衰竭，人们开始向深海领域进军，而深水严酷的环境条件 对钻井行业来说是一个巨大的挑战。为解决深水钻井中遇到的诸多问题，提高深水钻井 地安全性和成功率，双梯度钻井技术应运而生。 本文研究了注气法双梯度钻井的技术原理，建立了正常钻进期间隔水管注气的气液 两相流计算模型，给出了数值离散算法，定解条件以及满足双梯度条件下注气率计算的 迭代算法。通过实例计算，拟合得到了适用于一定范围的，实现双梯度所需注气率的计 算方程。在满足双梯度条件下，研究了不同隔水管长度时，隔水管内含气率的分布规律 及其管壁受内外流体压差作用的情况，分析了最大压差作用的位置和特点。 针对注气法双梯度钻井井控工艺，建立了井涌和关井动态模拟的计算模型，对模型 进行了数值离散，给出了定解条件和求解流程。通过井涌动态模拟计算，得到气侵时井 口泥浆返出速率、立管压力和泥浆池增量的变化情况。通过关井动态模拟计算，发现虽 然停止氮气注入可使井筒压力提高，但很难达到关井的目的。 针对海底泥浆举升泵系统钻井工艺技术，论述了海底泥浆举升泵无隔水管钻井井控 工艺的优点。结合井筒气液两相流理论，建立了海底泥浆举升泵系统井涌计算模拟的数 学模型。 关键词：双梯度钻井，井控，气液两相流计算，注气法，海底泥浆泵 c a l c u l a t i o no fm u l t i p h a s ef l o wf o rw e i lc o n t r o li nt h e d u a lg r a d i e n t d r i l l i n g y a n gx i a o g a n g ( f l u i dm e c h a n i c s ) g u i d e db yp r o f s u nb a o j i a n g a b s t r a c t a st h er e s e r v ea n dp r o d u c eo fo i l & g a si nt h el a n db e c o m el i m i t e d , p e t r o l e u mp r o d u c i n g c o m p a n i e sm u s ts e a r c hf o ro i l & g a si ni n c r e a s i n gh o s t i l ee n v i r o n m e n t s ，t h ed e e p w a t e ra r e a s d u a lg r a d i e n td r i l l i n g ( d g d ) t e c h n o l o g yi sd e v e l o p e dt of a c et h es i t u a t i o n , a n dt oc a r r yo u t d e e p w a t e rd r i l l i n gm o r es a f ea n ds u c c e s s f u l i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h es t u d yi nt h ed r i l l i n gt e c h n o l o g yo fg a s - l i f td u a lg r a d i e n t d r i l l i n g ，an u m e r i c a lm o d e li sd e v e l o p e df o rt h eg a s l i q u i df l o wc a l c u l a t i o ni nt h er i s e r s a n n u l u sw h e ni ti n j e e t sn i t r o g e ni nt h er e g u l a rd r i l l i n g t h em o d e li ss c a t t e r e d , a n da c o m p u t i n gm e t h o di sb u i l tt oc a l c u l a t et h en i t r o g e ni n j e c t i o nr a t e w i 也t h i sm e t h o d , af o r m u l a i sg o t t e nt oc a l c u l a t et h en i t r o g e ni n j e c t i o nr a t ew h e nd u a lg r a d i e n td r i l l i n g t h ea i rv o i d s i n s i d et h er i s e ra n dt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew a l lo ft h er i s e ra r ca l s oc a l c u l a t e do u t , f o rf i g u r i n go u tt h eh o wt h em a x i m u md i f f e r e n c ep r e s s u r el o a d i n gi nt h er i s e r o nt h eb a s i so ft h ew e l lc o n t r o ls t u d yi nt h eg a s - l i f td u a lg r a d i e n td r i l l i n g ，ak i c k s i m u l a t i o nm o d e la n das h u t t i n gd o w nm o d e la r eb u i l tu p t h e ya l s oa r es c a t t e r e da n dt h e c o m p u t i n gm e t h o da r eg i v e n i nt h ek i c ks i m u l a t i o n , t h ec h a n g i n gp a t t e r no ft h em u dr e t u r n r a t e ，t h es p pa n dt h ep i tg a i na r ec a l c u l a t e do u t i nt h es h u t t i n gd o w ns i m u l a t i o n , i ti sf i g u r e d o u tt h ef e a s i b i l i t yt h a ts t o p p i n gt h en i t r o g e ni n j e c t i o nt os h u t t i n gd o w nt h ew e l l a d d i t i o n a l l y , w i t hs t u d y i n gt h et e c h n o l o g yo ft h es u b s e am u dl i f tp u m ps y s t e m ( s m d ) w er e p r e s e n tt h ea d v a n t a g eo ft h er i s e r l e s sm u dr e c o v e r ys y s t e m ( r m r ) i ns h a l l o wg a s d e t e c t i o na n dc o n t r o lw h e nd r i l l i n gi nt h et o ph o l e i nt h el a s tp a r t ，ag a s l i q u i df l o w c a l c u l a t i o nm o d e li sb u i l tt of i tt h eu n i q u ef e a t u r ei nt h ek i e ks i m u l a t i o no fs m d k e yw o r d s ：d u a lg r a d i e n td r i l l i n g ，w e l lc o n t r o l ，g a s - l i q u i df l o wc a l c u l a t i o n ，g a sl i f t s y s t e m ，s u b s e am u d l i f tp u m ps y s t e m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盈d ：到日期：妒9 弦了月砂日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：_ = 擎主峥 日期：p 。夕年歹月日 日期：年 月 中国石油大学( 毕东) 硕学也论文 第一章绪论 1 1 双梯度钻井产生的背景及意义 随着世界经济持续发展，世界各国对油气资源的需求不断增加。但是目前陆上油 气资源由于长期的开采消耗，剩余储量已难以满足日益增长的需求量。在约占地球7 1 面积的海洋中尚有及其丰富的油气资源等待开采，而海洋中的油气资源大部分都埋 藏于水深超过5 0 0 m 的深水区。所以开发深水油气田是解决目前世界油气资源紧缺的 一个重要途径吐 深水钻井作为深水油气开发的第一步，也是深水油气开发最关键的技术。但是目 前传统的深水钻井技术存在着诸多的问题亟待解决： ( 1 ) 浅层流问题； ( 2 ) 孔隙压力和破裂压力之间的压力窗口过窄导致的钻井液密度控制问题( 图 】1 ) ： 浅海深水 图i - i 深水钻井泥浆密度宙口变窄示意图 f i 9 1 1 t h e g e n e r a ls k e t c h o f m u dd e n s i t y w m d o w b e c o m eb a r r o w hd e e p w a t c rd r i l l i n g ( 3 ) 大量的地层漏失导致的井控事故； ( 4 ) 需要下入过多的套管，导致钻井深度和建井周期受到很大的影响： ( 5 ) 隔水管内外流动引起的隔水管力学稳定问题； ( 6 ) 水合物问题； ( 7 ) 较长的起下钻时间。 第一章绪论 双梯度钻井作为深水及超深水钻井的一个新兴技术，在一定程度上可以解决其中 的一些问题，所以目前双梯度钻井是深水钻井技术极具竞争力的一个方向，研究双梯 度钻井技术相关的问题对于深水油气开发具有很高的指导价值。 所谓双梯度钻井( d g d ) ，就是以海底泥线附近为分界线，在井筒和隔水管或者 井筒和泥浆回流管线之间使用不同的压力梯度，从而扩宽井底压力和破裂压力之间的 泥浆密度窗口。由于采用了双重的压力梯度，泥浆循环中的流动状况变得更为复杂， 发生气侵时，气体在泥浆循环通道中的气液两相流规律也发生一系列改变。同样，也 是由于采用了双梯度，泥浆密度的可调范围也大大扩宽，而且在海底泥浆泵钻井中， 由于海底泥浆泵和回流管线的存在，使得压井操作也有了改进的空间。 坭线 n 套管 0 出 器 ? 孔隙压力 压力 图i - 2 双梯度钻井技术原理图 f i 9 1 - 2t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo fd u a lg r a d i e n td r i l l i n g 双梯度钻井井控在许多方面都有其独特性，许多理论和工艺与传统的隔水管钻井 有着巨大区别，虽然个别国家已经作了实际应用，但由于深水其环境的复杂性，以及 巨额的经济投入，实验数据和现场作业经验有限，水力参数设计方法也因工艺而不同， 特别是多相流动计算理论和方法需要进行深入的工作。 1 2 双梯度钻井的技术现状及优缺点 双梯度钻井概念的提出是2 0 世纪6 0 年代，1 9 9 6 年才开始正式研究，但是双梯度 钻井在深水和超深水领域的诸多优点使的他们近年在国外得到快速的发展，国外目前 有7 个成熟的工业项目：康纳和石油公司( c o n o c o ) 领导的工业联合项目组( j o i n t 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 i n d u s t r yp r o j e c t ，简称j i p ) 研究的海底泥浆举升钻井( s u b s e am u d l i f td r i l l i n g ，简称 s m d ) 系统；美国贝克休斯公司( b a k e rh u g h e s ) 和t r a n s c e a ns e d c of o r e x 公司研究的 d e e p v i s i o n 双梯度海底泵钻井系统：壳牌石油公司( s h e l l ) 的海底泵系统( s u b s e a p u m p i n gs y s t e m ，简称s s p s ) ：a g rs u b s e a 公司的无隔水管钻井液回收系统( r i s e r l e s s m u d r e c o v e r ys y s t e m ，简称r m r ) ；莫尔技术公司( m a u r e rt e c h n o l o g yi n c ，简称m t i ) 的空心微球( h o l l o wg l a s ss p h e r e s ，简称h g s ) 双梯度钻井系统；路易斯安那大学 ( l o u i s i a n as t a t eu n i v e r s i t y ，简称l s u ) 的隔水管注气、稀释双梯度钻井系统等7 1 。 双梯度钻井 海底泥浆泵 举升钻井 双密度 钻井 s m d 海底ii d e e p v i s i o n iis s p s 海ila g r 无隔ilh g s 空心li l s u i 辐a lil u s 稀 泥浆泵举ii 海底泥浆ii 底泥浆ii 水管海底ii 微球双密ii 管注气li 释钻井 升系统ii 泵系统ll 泵系统il 泵系统li 度系统il 系统il 液系统 图1 3 双梯度钻井的几种实现方式 f i g l - 3t h em e t h o d st oa c h i e v ed u a lg r a d i e n td r i l l i n g 双梯度钻井方法是针对深水钻井而研制的，是深海钻井技术的一个新突破。相对 于常规深水钻井，它具有以下主要优点： ( 1 ) 可使破裂压力和孔隙压力间的余量相对增大，解决了深水钻井工艺中的部分 技术难题，使钻井作业中的井涌和井漏事故大大减少，从而节省了处理钻井事故的时间 和成本； ( 2 ) 与常规深水钻井技术相比，双梯度钻井技术可减少套管层数，节省了套管及 下套管的时间和固井时间，从而缩短了建井周期，提高了操作效率，节约了钻井成本： ( 3 ) 与常规深水钻井技术相比，双梯度钻井技术隔水管环空的压力梯度比较接近 海水的压力梯度，所以隔水管管壁承受的压差载荷较小； ( 4 ) 可降低深水钻井作业对钻井平台和钻机等钻井装备的要求，可以用更小、更 便宜的钻井设备钻更深的深水井； ( 5 ) 可减小隔水管余量，平台紧急撤离时更为安全，出现井喷等较大事故的可能 性及对海洋环境污染的可能性也大大降低； 3 第一章绪论 ( 6 ) 同时可减少泥浆的用量，使成本降低； ( 7 ) 从理论上讲，双梯度钻井技术对水深没有限制，能够在任何水深中进行钻探。 当然，作为一项新技术，双梯度钻井技术也存在如下一些缺点： ( 1 ) 需要增加新的设备，在一定程度上会增加钻井成本； ( 2 ) 相关技术不成熟，会带来一定的作业风险； ( 3 ) 检测和处理井涌会复杂一些。 总之，尽管双梯度钻井减少或者消除了许多与传统隔水管钻井关联的问题，但是这 种非传统的钻井系统还有许多不确定的问题有待于研究。据公开资料，到目前为止只 有一口双梯度钻井的数据记录。由于双梯度钻井实际应用较少，工艺和设备开发缺少 对其可靠性的验证以及其可行性的井场实验。 1 3 双梯度钻井井控的研究现状及所遇到的问题 新兴的钻井技术最大的特点就是具备精确的井控能力，井控是钻井技术中相当关 键的一部分，适当的井控包括从最初的计划到完井和弃井这个过程中钻井操作的方方 面面。井控最基本的目的是通过精确的预测井眼压力和破裂压力梯度，设计和使用相 应的设备( 如防喷器、井涌检测装置和套管) ，以及设计合适的井涌检测和压井工艺， 从而防止井喷的发生。井控包括以下几个工艺过程，即井涌预防、井涌检测、关井操 作、将井涌流体循环出井眼。井控的成功与否，完全决定了钻井的成功与否。 国内关于双梯度井控的研究还是一个空白。国外有m s t a n i s l a w e k 对深水双密度 的井控工艺和部分水力参数进行了研究【8 】；c l o v i sa n t o n i ol o p e s 对于注气法的水力参 数计算做了研列9 】；j j s c h u b e r t 对海底泥浆泵钻井的井控工艺、部分水力参数及风险 性进行了研究【1 0 1 ，并对双梯度钻井的井控和传统深水钻井井控工艺进行了比较【1 2 】； d o nm h a n n e g a n 在关于海洋过平衡钻井的井控研究中，对双梯度钻井井控工艺和设 备也有所研究；j o n g g e u nc h o e 等人对海底泥浆泵钻井的压井工艺作出了一定的研 究1 4 1 。 在以上学者的研究中，对于双梯度钻井的井控工艺建立了一些基本的概念和方案。 但是对于井控中相关的一些水力参数的计算，以及井控中涉及的对于泥浆循环体系多 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 相流动情况的数值模拟进行的研究较少，这些参数及数值模拟是预测气侵或井涌，进 行关井和压井作业的重要依据。 1 4 深水井控中的多相流动规律研究现状 无论是传统的钻并方式还是双梯度钻并，在涉及到井控的水力学计算时，多相流 问题都是其中的重点问题。在传统的钻井方式中，如果要进行精确的井控，研究气侵 或井涌时井筒中的气液两相流规律对井涌的检测及后续的关井作业和压井作业都有着 重要的指导意义。 对于双梯度钻井，如果使用双密度方式中的注气法，对正常钻进时其注气段的气 液两相流规律，及气侵和井涌时井眼和隔水管环空的气液两相流规律研究，是进行安 全有效钻进的基础。如果使用注空心微球法，则正常钻进时隔水管段为固液两相流， 气侵或井涌时其井眼环空为气液两相流。对于海底泥浆泵钻井，泥浆循环体系的流动 状况无论是在正常钻进，还是在发生气侵或井涌时，都比传统海洋钻井有所简化，其 ，流动分析将会更为精确，而同时由于海底泥浆泵的存在，气体进入海底泥浆泵引起其 一内部流动状况的变化，从而导致其泵速和功率发生变化，这是其检测气侵或井涌的一 个手段，也是需要精确计算预测的一个内容。 目前专门针对于双梯度钻井中多相流动的计算，国内的研究依然是一个空白。国 外仅有c l o v i sa n t o n i ol o p e s 针对注气法隔水管环空的计算，建立了一个不考虑流型转 换的数值模型【9 1 。而双梯度钻井并不是一个独立的技术体系，它是控制压力钻井技术 的一种，它也是对传统海洋钻井技术的一个改良。因此，尽管可以直接参考的研究成 果较少，但是借助于对传统深水钻井井筒和隔水管内部多相流动研究成果，对其进行 改进应用，对于双梯度钻并中多相流动的研究仍然具有很高的指导价值。 1 4 1 垂直管柱多相流动模型 ( 1 ) 均相模型 最早提出的多相流简化模型是均相模型，它是把多相混合物看成为均匀介质，其 流动的物理参数取多相介质相应参数的平均值，从而按照单相介质来处理流体动力学 问题。 5 第一章绪论 均相模型计算简单，使用方便，对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性；对于 弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正；对于层状流，波状流和环状流，则误差较 大。但是，大量的两相流动的计算图表目前都是用均相模型作出的。但由于模型过于 简化，使用上受到很大的限制，误差较大。 ( 2 ) 分相模型【1 5 - 1 7 】 5 0 年代，发展了气液两相流的分流模型，它是把两相流动看成是两相介质各自分 开的流动，每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。要求预先确定每一相占有过 流断面的份额以及介质与管壁的摩擦力和两相介质之间的摩擦阻力。这些数据的获得 主要是利用实验研究所得的经验关系式。随着计算流体力学的发展，有些数据已可以 通过数学模型用解析计算求得。分相模型要分别建立各相的连续方程式、动量方程式 及能量方程式，考虑两相界面上的机械能损失、两相之间的相互做功以及两相之间的 热量和质量的交换，适用于层状流、波状流和环状流。这一理论在8 0 年代至9 0 年代 被广泛应用于构筑欠平衡钻井井筒流动模型，并在生产中发挥了重要作用。它比较适 合水平井的流动计算，对于垂直井筒的流动误差较大 ( 3 ) 漂移模型【1 8 1 6 0 年代，发展了漂移流动模型，它是由z u b e r 和f i n d l y 针对均流模型、分流模型 与实际的两相流动之间存在的偏差而提出的特殊模型，既考虑了两相之间的相对运动， 又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布规律。漂移模型的优势在于利用它研究非定 常问题，如波动、排泄等。 以上模型对井筒多相流的计算做出了巨大贡献。如m a u r e r 公司出品的欠平衡软件 采用的仍是分流多相流模型，采用人工举升多相流的计算中大都采用均流模型或漂移 模型。 ( 4 ) 计算模型的发展趋势【1 9 之1 】 从2 0 世纪8 0 年代以来，随着井控、欠平衡钻井技术的发展，井筒多相流技术越 来越受到重视。李相方等人对井涌期间的气液两相流动问题进行了研究；孙宝江等人， 在考虑井筒与油藏连续耦合的条件下，考虑油气间相变，发展了欠平衡井筒七种组分 的多相流动计算方法，较好的解决了欠平衡钻井井筒多相流计算问题，并在国内多个 油田得到应用。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 管柱多相流理论经过长期的发展，已经有了一套较为成熟的理论体系，虽然其计 算精度和对物理现象的解释上还不尽完美，但是已经可以满足工程应用的要求。管柱 多相流理论在和应用于深水钻井领域的时候，对流型转换的精确判断、各组分之间相 交的预测是一个发展趋势。 1 4 2 流型转换 气液两相流当中，流型转化是一个相当重要的特点，精确计算分析其流动状况， 划分流型，对不同流型进行分段计算，是尤为必要的。 s a d a t o m i ( 1 9 8 2 ) 在常温常压下以空气水( v s 一0 9 - - 1 5 2 4 m s ，= o 1 2 0 m s ) 为研究对象，对直径比k 为0 5 ( 环空管外管内径d - - - 3 0t o n i ，内管外径d = 1 5 m m ) 的 垂直同心环空管的流型及转换进行了初步的研究。根据实验观察，他将环空管流型大 致分为泡状流、弹状流和环状流三种。流型中的t a y l o r 泡被定义为：纵向长度大于环 空管的等效直径d e ( d e = d d ) 的气泡。8 0 年代中末期以后，c a e t a n o 以空气水( 实验 压力0 2 - 0 4 3 m p a ，气相表观速度v s g _ o 。0 1 2 5 - 1 4 6 9 m s ，液相表观速度肾0 0 0 2 - 3 0 5 m s ) 、空气煤油( 实验压力为0 3 2 - 0 4 m p a ，气相表观速度v 。g _ o 0 2 9 - 1 0 7 m s ， 液相表观速度v a = o 0 3 - 2 4 m s ) 为研究对象，分别对垂直同心、偏心环空管的流型进 行研究后，将环空管流型进一步分为：泡状流、分散泡状流、弹状流、泡沫状流及环 状流。k e l e s s i d i s ( 1 9 8 9 ) 空气水为研究对象，运用概率密度函数对导电探针的信号 进行分析的方法对流型及转换进行了较为客观的鉴别。他对流型的分类及描述与 c a e t a n o 的研究结果基本相同。1 9 9 4 年，陈家琅等对垂直环空管向上流动的流型进行 了实验研究，将环空管流型划分为：泡状流、段塞流、搅动流、环状流等四种基本流 型，其描述与上述研究者的结果基本类似。 根据以上学者的研究结果，环空管内垂直气液两相流的流型大致可分为泡状流、 分散泡状流、弹状流、泡沫状流、环状流等几种类型 2 2 - 2 3 。 图1 - 4 为垂直环空管两相流的几种基本流型。 7 第一章绪论 扎泡状流b 分散泡状流c 弹状流d 泡沫状流e 环状流 图1 4 垂直同心环空管两相流流型0 1 5 l f i g1 - 4t h ef l o wp a t t e r no fg a s l i q u i df l o wi nt h ev e r t i c a la n n u l a r 1 4 3 辅助方程 使用理想的连续性方程、动量方程和能量方程所建立的多相流计算模型是不封闭 的，为了求解，在简化模型的同时，添加一些辅助方程，以达到方程组的封闭。在深 水钻井中，常用的辅助方程有以下几种。 ( 1 ) p v t 方程式； ( 2 ) 体积分数方程式； ( 3 ) 速度方程式； ( 4 ) 沿程阻力损失方程式： ( 5 ) 粘度方程式； ( 6 ) 地层产出液流量方程式； ( 7 ) 岩屑产出方程式； ( 8 ) 水合物生成方程式； ( 9 ) 相变方程； ( 1 0 3 流型判别方程式。 1 5 本文的主要研究内容 通过对国内外双梯度钻井技术研究现状、双梯度钻井井控技术研究现状以及井控 中多相流动规律研究现状的总结和分析，可以看出，双梯度钻井是一个新兴的、极具 发展潜力的深水钻井技术，双梯度钻井井控技术是其区别于常规深水钻井的关键技术 之一，国内在这方面没有相关深入的研究，而国外许多专家虽然对其设备、丁艺方面 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 都有较为系统的研究，但是在数值模拟计算方面仍然不够系统和全面。对于常规钻井 井控中的多相流动规律的研究，目前国内外都有着较为成熟的理论体系。鉴于这点， 本文根据双梯度钻井井控的技术特点，结合井控中多相流计算的理论体系，将对以下 几个方面进行研究： ( 1 ) 分析注气法井控相关的技术原理和设备特点，并研究相应的工艺特点，针对 这些特点，分别根据不同的工艺流程和计算空间建立数值模型，并研究模型的求解方 案和计算流程； ( 2 ) 研究注气法实现双梯度的注气率计算方法，计算注气法双梯度钻井在一定工 况下隔水管环空含气率分布规律和压力分布规律，并计算隔水管管壁承压情况； ( 3 ) 对注气法双梯度钻井井涌检测、关井期间相关参数进行计算模拟，结合工艺 分析其井控工艺的特点； ( 4 ) 总结分析海底泥浆举升泵钻井的井控工艺的特点，针对气侵时海底泥浆泵泵 速和功率的变化情况，建立井涌检测数值模拟计算模型。 9 第二章双密度钻井井控中的多相流动计算模型 第二章双密度钻井井控中的多相流动计算模型 2 1 双密度钻井技术的实现方式 双密度钻井是通过从海底向隔水管内注入气体或者空心微球，降低隔水管内部泥 浆的密度，从而减小隔水管内部泥浆产生的静液柱压力，最终实现隔水管内部和井眼 环空产生双重的压力梯度。 目前双密度钻井有两种实现方式，注气法和注空心微球法，下面将分别对这两种 方法的技术工艺、井控工艺和参数计算进行研究。注气法是一种开发较早的双梯度钻 井技术，它是通过向海底防喷器以上的隔水管段注入空气，或者氮气，从而减小隔水 管内部的泥浆密度来实现双梯度。 注气法相对于其他双梯度钻井来说，具有一定的优势。一方面这种钻井方式和环 空充气的欠平衡钻井在实现机理上有一定的相似性，而欠平衡钻井技术的研究目前已 较为成熟，所以注气法在技术原理上具有较为成熟的参考依据。另一方面它与传统单 个梯度的隔水管钻井相比，不需要对钻井设备作太多的改动，只需要添加一个氮气分 离设备、一个注气的附加管线和注气泵，对于成本高昂的深水钻井来说，这大大节省 了设备改造上的投入。 而注气法也有很大的局限性。首先，注气法所需注入的气体一般都为氮气，虽然 也可注空气，但是危险性太大。一旦地层逸出的天然气和注入空气在隔水管内部混合 到一定的配比，将很容易发生爆炸，只有氮气才能避免这个问题。但是氮气的制造以 及氮气与钻井液的分离成本较为昂贵，尤其是在深水作业时，钻井船或钻井平台远离 大陆，要想源源不断地实现氮气的供应，其难度和经济投入更为巨大。其次，其泥浆 循环通道仍然要依赖于隔水管，那么传统深水钻井中与隔水管相关联的问题，注气法 也同样难以避免。 虽然注气法仍然具有一些难以克服的问题，但是它可以很简单的解决深水钻井中 地层孔隙压力和破裂压力之间压力窗口太小导致的可控泥浆密度窗口过小的问题，所 以它还是具有很大的实用价值和研究价值。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 1 注气法示意图 f 追2 - 1t h eg e n e r a ls k e t c ho fg a sl i f t e dd u a lg r a d i e n td r i l l i n g 另一种实现双密度的方式叫做注空心微球法，与注气法类似，注空心微球法只是 把注入的空气或者氮气换为空心微球与海水的混合液，由于注入的是当量密度小于海 水的混合液，所以也可以实现和注气体一样的效果，减小隔水管段的液体当量密度。 注空心微球相较于注气法，它有一个明显的优势，它的注入物可以通过振动筛与 钻井液分离，然后通过海水悬浮使其与钻屑分离，接着继续循环使用。其分离工艺简 单，成本低廉，解决了注气法中氮气制造和氮气分离的问题。再有一点就是上述注气 法具有的优点，注空心微球法也同样具备。 注空心微球法所面对的问题有以下几点。首先，由于注入通道有固相颗粒的存在， 对注入管道的磨损比较严重，这对注入泵也会有较高的要求。其次，虽然注空心微球 法将注入物分离出来比较简单，但是要实现1 0 0 的分离率是不可能的，这也要求必 须不断补充注入颗粒，注入颗粒的生产成本和运输成本都不低。所以注空心微球法是 否就比注气法经济，这还需要严格的计算论证。 1 1 第二章双密度钻井势控中的多相流动计算模型 2 2 注气法钻井井控工艺 关于注气法的井控工艺，l o p e s 2 4 1 、m a u s 【2 5 1 和h e r r m a n n 【2 6 1 对其中的一些方面进行 了一定的论述，但是目前还鲜有文献系统的对整个井控过程相关工艺作出研究，以下 本文将对这个问题做较为全面的论述。 2 2 1 设备 注气法的设备与传统隔水管钻井的设备比较接近，其水下部分除了隔水管、防喷 器、节流管线等常规的设备外，唯一的不同就是注气管线的存在。 图2 - 2 注气法双密度钻井设备结构图 f i g2 - 2t h eg e n e r a ls k e t c ho fe q u i p m e n ti ng a s - l i f t e dd u a lg r a d i e n td r i l l i n g 如图2 2 所示，注气法双密度钻井中的设备与传统的单梯度钻井十分类似，除了 多一套注气设备之外，其它的与单梯度钻井都是相同的。从设备特点可以看出，它的 井控工艺流程与单梯度钻井也具有很多类似点。 】2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 另外，在传统的深水钻井中，有些情况下只在海底井口安装防喷器和节流装置， 有些情况只在钻井平台下方安装防喷器和节流装置，有些情况则是海底井口和钻井平 台下方都安装防喷器和节流装置。但是目前尚无公开资料说明注气法钻井防喷器和节 流装置的设置情况，鉴于注气法双密度系统是一种非常规钻井方式，现场应用较少， 未知的安全影响因素较多，在本文中，建议其在海底井口和钻井平台下方都安装有防 喷器和节流装置。 2 2 2 井涌检测 井涌检测是控制井涌的第一个步骤，也是极有必要的一个步骤。对井涌进行早期 的检测可以减小井涌的规模，从而减小井控作业的难度。由于在钻进时钻井船或钻井 平台的运动和隔水管内部的多相流，深水双密度钻井的井涌检测变得极为复杂。 由于传统钻井的井涌检测基于泥浆池增量，所以隔水管内的泥浆体积需要加上泥 浆池的流动体积。在双密度系统中，这个可以通过精确的测量隔水管底部的压力来实 现。传统的井涌检测的一些指标在双密度钻井中照样适用，例如； ( 1 ) 钻压突然变化； ( 2 ) 返出液流量增加； ( 3 ) 泥浆池液位增加； ( 4 ) 循环压力减小且钻机泥浆泵泵速增加； ( 5 ) 钻杆旋转扭矩、大钩载荷的突然增加。 关于使用泥浆池增量，以及钻压等传统的参数来进行井涌早期监测的具体数值参 考和可行性，本文将在后面的数值模拟计算中进行讨论。下面是三种使用声波检测井 眼流体性质的变化从而对井涌作出监测，它们都是依赖于安装在海底防喷器上的声波 感应器，它们适用于注气法钻井，并有着极高的精确度，能够及时发现井涌的产生： ( 1 ) 这种方法是使用由随钻测量工具发出的负压脉冲信号作为源信号，这个信号 通过井眼环空传播，并由一个安装在海底防喷器上的传感器来监控。当环空介质的固 有频率和阻尼率发生微小的变化时，脉冲波的波幅和相位角会发生很大的变化2 7 1 。 ( 2 ) 另一个技术是基于安装在随钻测量工具上的一种干涉仪。由两个平行的壁面 发出声波信号，而且信号的频率正好使系统处于共振状态。不同的流体共振频率不同， 而且其共振频率不受流体流动状态的影响。通过调节两个壁面之间的声波频率，以及 1 3 第二章双密度钻井井控中的多相流动计算模型 通过一个频谱分析仪来调节信号，可以检测出流体的共振频率峰值。如果有气体流过 过这两个壁面，共振消失，说明介质发生了变化【2 8 1 。 ( 3 ) 上述技术都有一个很大的局限性，它们要依赖于随钻测量的井下工具。当起 下钻的时候，或者关泵的时候，有一种方法可以监控井眼内部的情况，那就是井口声 纳【2 9 】。从海底防喷器部位向井眼发出声波，并且在海底防喷器上安装了一个声波感应 器来收集反射波。如果有气体侵入泥浆，由于声波阻抗发生改变，反射波也会发生改 变。 2 2 3 关井过程 双密度钻井中，如果发生地层流体的侵入，需要进行的关井措施有两个步骤。第 一步是减小隔水管内氮气的注入量，从而增加环空的液柱压力。第二步是关闭海底防 喷器，阻止井眼流体流出。 注气法双密度系统在井控中最独特的一点就是在阻止地层流体的侵入时，并不是 只有简单的关井作业。从理论上讲，由于注入氮气令隔水管环空静液柱压力减小，所 以在减小注气量或者停止注气的时候，由于隔水管环空内液体密度的增加，静液柱压 力也会增加，从而使井底压力也会有一定幅度的增加。这种方式是否可以阻止地层流 体的侵入，完全关闭氮气的注入可以应对多大程度的气侵，减小氮气的注入量时，井 眼底部的压力变化情况如何，本文将对这些问题作出计算论证。 另外，鉴于本文考虑的井控系统中在海底井口和钻井平台下方都安装有防喷器和 节流装置，在何种情况下关闭哪一个防喷器值得研究。一般来说，钻井平台下方的防 喷器控制起来比较容易，如果气侵情况不是特别严重，情况不是特别紧急，关闭这个 防喷器就足够了。而在发生比较严重的气侵后，井涌检测又不很及时的情况下，必须 关闭海底井口防喷器。在一些极度危险的情况下，两个防喷器先后关闭，并截断隔水 管和钻杆，可以帮助人员和钻井平台安全的逃离井喷现场。 本章后面的工艺研究及计算中，如无特殊说明，关井过程默认为先停止氮气的注 入，然后关闭海底防喷器。 2 2 4 压井过程 任何钻井作业中，井涌的发生都是经常性的，目前最先进的监测技术和压力控制 技术都是不能避免地层流体的侵入的。同样，在双密度钻井中，气侵或井涌也是难以 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 避免的。当侵入流体进入井眼环空，我们所面临的问题就是如何将其循环出去，或者 压回地层。 在双密度系统中，在监测到侵入气体后泥浆泵必须停泵，一旦泥浆循环停止，氮 气的注入也要停止，而且要在关闭防喷器的同时打开节流管线。在正常作业中，节流 管线一定要保持充满海水，这样做是为了避免海底节流阀被泥浆中的沉降物所堵塞。 钻杆内部的泥浆和并眼内的混合液柱存在着密度差，这时节流管线会导致钻杆内 部产生u 型管效应。这会使钻柱内部的泥浆液面高度降低，直到钻柱内的静液柱压力 等于井眼底部压力。由于井涌导致压力增加，降低后钻杆内泥浆液面高度会高于海底 泥线。 当通过节流管线内的流动开始减小时，意味着u 型管效应导致的流动即将结束， 这时节流管线必须关闭，从而得到井眼底部压力的读数。这时，首先面对的一个问题 是如何确定井眼底部压力，因为钻杆内的液面高度低于外部的液面高度，钻杆内部读 不到压力读数。这些信息将会由井深探测仪来获得，这个仪器是用来探测钻杆内液柱 高度的。利用声波测量井眼液面高度在一些操作中很常见，例如在试井和有杆泵抽油 时就经常用到，其结果也是可靠的。这个设备应该安装在顶驱系统中，而且要保持随 时可用。 一旦得到了井涌压力值，通过计算机的协助，就可以对氮气注入速率进行调节。 通过这种调节，我们会得到一个与控制井涌所需的压力值。 在调节了压力以后，井涌气体会通过节流管线循环出去，这时候会利用海底节流 器来减小气体注入管线的压力载荷，如果压力范围在空气压缩机的能力范围内，也会 使用海面节流器。 另外，如果井涌情况比较严重，超出了无气体注入时井底压力的可压范围，就必须 进行传统的压井作业，在传统钻井井控中常用的工艺都适用于双梯度钻井，这些方法包 括： ( 1 ) 海洋司钻压井法； ( 2 ) 海洋工程师压井法； ( 3 ) 高级司钻压井法； ( 4 ) 附加流速压井法。 1 5 第二章双密度钻井井控中的多相流动计算模型 而由于双密度系统的存在，在压井过程中也可以考虑利用双梯度的优势，令节流 管线内的压力梯度基本保持与海水一致，这样不仅能够保护压力管线，也能防止注入 加重泥浆使地层压裂。 2 3 注气法钻井井控中的多相流动计算模型 注气法实现双梯度最基本流动特点就是隔水管内的气液两相流动，如果要精确的 控制注气量，以达到精确控制整个液流循环的过程，对隔水管环空注气以后的流动规 律建立数学模型，并进行计算研究是尤为必要的。 本文将通过对隔水管注气段建立数学模型，对其正常钻进、气侵及压井循环期间 的一些关键参数进行计算。通过对结果的分析，对注气法井控的一些工艺流程做出指 导性的建议。 2 3 1 几何模型的划分 在对注气法双密度钻井多相流动系统的计算中，我们将实际中的气固液三相流动 简化为气液两相流。对于其正常钻进中的情况，本文只针对隔水管注气点以上的部分 作出计算。对于气侵中的情况，将其划分为两个部分，即井底到海底井口段和隔水管 注气点以上部分。在压井操作中，也将其分为三个部分，即钻杆内部、井底到海底井 口段、节流管线段。 对于以上提到的几个计算区域，本文分别将其命名为： ( 1 ) 计算空间1 ( c v l ) 隔水管环空段( 如图2 3 ) ： ( 2 ) 计算空间2 ( c v 2 ) 井眼环空段( 如图2 4 ) ； ( 3 ) 计算空间3 ( c v 3 ) 钻杆内部( 如图2 - 4 ) ； ( 4 ) 计算空间4 ( c v 4 ) 节流管线段( 如图2 5 ) 。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f ，乱隔水管顶部压力 蚕 钻杆 ，隔水管 计算空间1 罾。黧 隔水管底部压力 j 【 i 孬 鏊卜1 注气点麓 图2 - 3 计算空间1 f 蜒2 - 3c a l c u l a t ev o l u m e1 图2 - 4 计算空间2 、3 f i g2 - 4c a l c u l a t ev o l u m e2 & 3 第二章双密度钻井并控中的多相流动计算模型 图2 - 5 计算空间4 f i g2 - 5c a l c u l a t ev o l u m e4 2 3 2 隔水管模型的假设 为了简化计算，在保证一定精确度的情况下，对隔水管内的计算模型作如下的简 化假设； ( 1 ) 整个隔水管处于垂直状态； ( 2 )整个隔水管和注气管线上的温度是恒定的，而且其作用的形式是线性的； ( 3 ) 隔水管出口压力是已知的，这个压力值通常由节流装置来控制； ( 4 ) 隔水管和注气管线的几何形状是一定的，已知的； ( 5 ) 液体注入速率是已知并稳定的； ( 6 ) 液体是不可压的； ( 7 ) 气体注入率是已知并稳定的。尽管这个模拟器为了得到一个理想的混合物 密度，通过尝试不同的气体注入速率，可以确定气体的注入速率； ( 8 ) 注入气体是氮气或者空气。注入气体为纯净物，若为混合物，则其成分是 已知的。而且，其溶入钻井液的量可以忽略不计； ( 9 ) 整个系统的流体性质是已知并恒定的； ( 1 0 ) 整个系统没有其他的限流装置引起压力损失，所有的摩阻损失都是由单相 气体或两相混合物与管壁的作用引起的； ( 11 ) 忽略氮气注入时天然气水合物生成与分解对流动状况的影响。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 3 井眼环空、钻杆及节流管线内模型的假设 对于井眼环空、钻杆及节流管线内的模型，我们做如下的假设简化： ( 1 ) 整个井段为垂直井段； ( 2 ) 井眼内套管段的内径等于最后一层套管的内径，是一致的； ( 3 )