控压钻井作业中多相流环空压力的计算.pdf

收稿日期2010 －12 －25;修回日期2011 －05 －18 作者简介李海津 1970 － ， 女， 本科， 毕业于西南石油学院油藏工程专业， 主要从事油气田生产动态及管理工作。地址 100010 北京 朝阳路 25 号， E － mail lihj cnooc． com。联系人 周艳， 地址 810800 青海省民和县人民医院手术室， 李芳转， 电话 13904699398。 钻井工艺 控压钻井作业中多相流环空压力的计算 李海津 1 ， 周 艳 2， 黎兴文3 ， 关 超 3， 马红滨4 1 中海石油中国有限公司开发生产部 2 中国石油青海油田分公司 3 中国石油青海油田采油二厂 4 西部钻探工程公司 李海津等． 控压钻井作业中多相流环空压力的计算． 钻采工艺， 2011， 34 3 1 －3 摘要在油田钻井过程中地层漏失、 压差卡钻、 窄密度窗口等问题越来越突出， 控制压力钻井技术是解决这 些难题的有效技术手段之一， 并能提高深层钻井速度， 及时发现和保护油气层， 而多相流环空压力的精确计算是油 田采用控压钻井的技术关键。文中建立了控压钻井作业中多相流环空压力的计算方法和控压钻井环空多相流压 力计算模型， 充分考虑了回压对井底压力的影响及气液加速度压降的影响， 计算精度较高， 误差小于 3， 为该技术 在油田的应用和发展提供理论依据。 关键词控压钻井;多相流;环空压力;计算模型 中图分类号TE 249文献标识码ADOI 10．3969/J． ISSN．1006 －768X． 2011． 03．01 多相流环空压力的精确计算是油田采用控压钻 井的技术关键。环空内流体的流动参数预测， 一直 是钻井施工所关心的一个很重要的内容， 准确地计 算钻井中井筒环空的压力分布对钻井作业是极其重 要的。 一、 油田对控压钻井技术的需求 深层天然气井开发是油田油气当量接替的重要 手段。目前探明储量为 3． 0 1011m3， 但在开发过 程中存在着严重漏失的现象。因此， 需要研究控制 压力钻井技术， 形成一套适合于油田的控压钻井的 设备和工艺技术， 来解决油田面临的一系列问 题 ［1 ～3 ］。 二、 控压钻井多相流环空压力 计算模型的建立 实际钻井过程中， 单相流的模型已远远不够描 述井筒内的环空压力， 需要多相流模型 ［2 ～5 ］。井筒 环空多相流模型主要有 3 种 ①均相流动模型; ②分 相流动模型; ③漂移流动模型。控压钻井环空压力 计算选择漂移流动模型， 在稳态流动规律的基础上， 分析气液多相流的流态波动规律及不同井口回压下 的流动规律， 以便确立对井底压力影响的主要参数， 使本模型更接近控压钻井的实际情况， 提高了环空 压力模型的计算精度［1 ～5 ］。 1． 井筒环空多相流基本方程 1． 1 多相流质量守恒方程 钻井液的质量守恒方程为  t ρ mξ  z ρ mυmξ0 1 气体的质量守恒方程为  t ρ gλ  z ρ gυgλ Qg 2 岩屑的质量守恒方程为  t ρ sδ  z ρ sυsδ Qs 3 1． 2 多相流动量守恒方程 流体总的动量守恒方程为  t ρ mυmξ ρgυgλ ρsυsδ  z ρ mυ 2 mξ ρgυgλ ρsυsδ p  z p  z f ρmξ ρgλ ρs δ g 0 4 式中 p井底压力， MPa; ξ钻井液体积系数; δ 气体体积系数; λ岩屑体积系数; Qs岩屑体积 量， L/s; Qg随钻气产量， L/s。 1． 3 多相流总的流动方程 υz υ m υ g υ s 5 1 第 34 卷第 3 期 Vol．34No．3 钻采工艺 DRILLING ＆ PRODUCTION TECHNOLOGY 2． 控压钻井环空多相流压力计算公式的推导 运用上述井筒环空多相流基本方程， 根据 Beggs － Brill 的以流动型态模型为基础的压降计算方法， 推导控压钻井环空多相流压力公式， 同时考虑回压 对整个环空流态的影响。即总环空压力是多相流摩 擦压力、 重力压力、 加速压力和井口回压四者之和。 2． 1 多相流重力压力梯度计算公式 假设控压钻井过程中新钻出的岩屑直接被钻井 液冲离井底， 以一定流速、 均匀分布随钻井液上返， 设一定钻速在 dt 时间内的钻进深度为 dh， 则 钻出岩屑的体积为 dQs πDe2υt 4 dt 6 重力引起的压力梯度具体表达为 p  z 1 ρ zg ［ ρmξ ρs － ρ m δ － ρm － ρ g λ］ g 0 7 2． 2 多相流摩擦压力梯度计算公式 关于该计算问题， 已有比较准确的计算公式， 对 大庆油田的实测情况进行分析， 岩屑对环空摩阻影 响较大。根据新建立的计算模型， 对已有公式系数 设定为未知数反算修正， 系数为 1． 276 ～ 1． 289， 取 平均值 1． 282 5， 公式修正为 p  z 2 1. 2825η0. 2Q 1. 8 z p0. 8 z Dh－ Dp 3 D h Dp 1. 8 8 2． 3 多相流加速压力梯度计算公式 考虑岩屑从井底开始随气液流上升有一个加速 过程， 只有加速度为零时流动才稳定， 在计算加速压 力时假设单位质量的岩屑的压缩性小于钻井液的压 缩性， 远远小于气体的压缩性; 假设气体的质量流速 变化远远小于气体密度的变化。 加速压力梯度计算公式为 p  z 3 ρ zυz d dz ξ Mz Aρ g d dz δ Mz Aρ [ m d dz λ Mz Aρ ] s 9 假设后为 p  z 3 ρzυzυg ρg dp dz 10 三、 控压钻井中井口回压值的确定 1． 考虑井口回压对环空流态的影响 以徐深某井的实际数据进行试算 套管下深 3 000 m， 目的层结束井深 4 600 m， 孔隙压力系数 1． 05， 注气量 20 m3/min， 注液量 1． 5 m3/min， 液体 密度 1． 06 g/cm3。随着井口回压从 0． 1 ～ 3． 0 MPa 的增加， 在同一井深环空气液比呈逐渐下降的趋势， 如图 1 所示， 特别是在距井口 500 m 范围内尤为突 出。 图 1钻进循环时不同回压下气液比随井深变化曲线 不同的气液比所代表的环空流态也不同， 井口 施加回压的变化， 直接影响到环空流态的转变。当 气液比在 0 ～0． 2 之间， 环空为环状流; 当气液比在 0． 2 ～0． 4 之间， 环空为泡沫状流; 当气液比在 0． 4 ～ 0． 6 之间， 环空为弹状流; 当气液比在 0． 6 ～ 0． 7 之 间， 环空为分散泡状流; 当气液比在 0． 7 以上， 环空 为泡状流。为了达到理想的环空流态， 需要确定回 压值的大小。 2． 井口回压大小的确定 控压钻井过程中通过调节回压来补偿环空摩 阻， 如图 2 所示， 使井底压力恒定， 停泵时， 环空摩阻 压力升高， 在井口施加一个回压; 开泵时， 环空摩阻 压力降低， 则停止施加回压。从而保证安全钻进， 减 小井漏、 井塌、 卡钻等井下复杂。 图 2常规钻井与控压钻井压力示意图 由此可知， 在控压钻井过程中， 回压值要通过环 空动控压值和环空静控压值的大小来调节， 使总的 环空压力保持在破裂压力和坍塌压力之间， 提高窄 密度窗口， 保证安全钻进。回压值大小为控压值与 实际钻井液压力之差。 ①当不考虑环空多相流油气侵时 p动 pp － ρ zgH － Δp 11 p静 pp － ρ zgH 12 式中 Δp循环压耗， MPa。 ②当考虑环空多相流油气侵时 根据经验环空平均钻井液密度降低压力降低 0． 04 kg/m3 ， 则 2 钻采工艺 DRILLING ＆ PRODUCTION TECHNOLOGY 2011 年 5 月 May 2011 Δp h0. 04gH 13 p动 pp － ρ zgH － Δp Δph 14 p静 pp － ρ zgH Δph 15 式中 pp地层压力， MPa; Δph环空静液柱压力降 量， MPa。 表 1实测井底压力与模型计算压力对比 井深 /m 实测压力 /MPa 模型计算压力 /MPa 回压 /MPa 误差 3378 3419 3530 3600 3665 3782 3900 4014 33． 53 34． 03 34． 83 35． 57 36． 15 41． 52 42． 17 43． 28 33． 18 33． 48 34． 47 34． 64 35． 27 40． 42 41． 65 42． 33 0． 80 0． 85 0． 95 0． 95 0． 95 1． 05 1． 00 1． 10 1． 04 1． 62 1． 18 2． 61 2． 43 2． 64 1． 23 2． 19 四、 现场试验 某井位于松辽盆地东南断陷区徐家围子断陷徐 东斜坡带， 设计井深 4 430 m， 实际井深 4 414 m， 目 的层主要为营城组火山岩， 兼探泉二、 一段、 登娄库 组、 营城组砂岩、 砂砾岩层段， 设计地层压力系数为 0． 94 ～1． 05。根据该井的实测基本数据进行理论计 算， 并且同井底测压接头实测数据进行了对比， 理论 计算结果的误差在 3以内， 如表 1 所示。 五、 结论与建议 1 控压钻井环空多相流压力计算模型， 充分 考虑了回压对井底压力的影响及气液加速度压降的 影响， 计算精度较高， 误差小于 3。 2 建议对模型在油田进行广泛的现场试验， 同时做进一步的修正和完善， 以便为现在提供一个 可靠、 精确的计算方法。 参考文献 ［ 1］ 严新新， 陈永明， 燕修良． MPD 技术及其在钻井中的应 用［ J］ ． 天然气勘探与开发， 2007， 30 2 62 －66． ［ 2］ 辜志宏， 王庆群， 刘峰． 控制压力钻井新技术及其应用 ［ J］ ． 石油机械， 2007， 35 11 68 －72． ［ 3］ 周英操， 刘永贵， 鹿志文． 欠平衡钻井井底压力控制技 术［ J］ ． 石油钻采工艺， 2007， 29 2 13 －17． ［ 4］ Reitsma D， van Riet E． Utilizing an Automated Annular Pressure Control System for Managed Pressure Drilling in Mature Offshore Oilfields［ J］ SPE 96646， 2005 ［ 5］ Matthew D M． Managed Pressure Drilling Techniques and Tools［ D］ ． TexasTexas A＆M University， 2006． ［ 6］ 黄明． 控压钻井技术在川科 1 井的应用［ J］ ． 钻采工艺， 2009， 32 3 114 －115， 117． 编辑 黄晓川 檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴 檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴 檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴 檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴 殜 殜 殜 殜 钻采工艺 2011 年第 4 期要目 计算机优化压井开环控制软件系统研究及应用 尹邦堂等 侧钻井完井及采油工艺配套技术的研究与应用姚 凯 长庆气田定向井钻井技术研究与应用党克军等 利用测井数据求取岩石力学参数与钻头选型龙章亮等 深水表层钻井循环压降计算研究江小玲等 分形球向渗流模型及其相似结构解盛翠翠等 二氧化碳干法压裂技术在苏里格气田的应用苏伟东等 塔河油田碳酸盐岩缝洞型油藏注 CO2可行性研究 刘学利等 不动管柱水力喷射压裂工艺在川西水平井中的应用 韩晓渝等 防砂卡分层压裂管柱研究与应用乔荣娜等 丛式采油井组电动机无功动态集中补偿装置应用 方晓军等 分瓣式可倒可退卡瓦捞筒的研制与应用刘敬党 抽油杆中性点的计算方法研究马建杰等 大港港东油田套损机理及预防措施研究任丽华等 海上油田水质处理及其对驱油剂性能影响研究 刘进祥等 BHJ3 － D 注聚井解堵剂体系研究与应用宋爱莉等 交联型魔芋胶黄原胶调剖剂的研制孟祖超等 高密度钻井液粒度分布特征研究张 明等 H2S、 CO2分压和 Cl － 浓度对 L360QCS 腐蚀行为的影响研 究董才友 水凝树脂特性及在油井堵水中的应用吴 均等 苏丹 37 区大位移水平井钻井技术钟 伟 欠平衡钻井下录井监测技术研究吴鹏程等 高压水射流与机械联合作用清洗堵塞钻杆信维刚 水平井封隔器分段洗井解堵工艺在吐哈油田的应用 申煜亮等 特大直径井眼侧钻技术在 AT20 井成功创纪录运用 李府标等 大港油田港中区块地层三压力剖面的建立及应用胡 南等 3 第 34 卷第 3 期 Vol．34No．3 钻采工艺 DRILLING ＆ PRODUCTION TECHNOLOGY