專利名稱：基于鉆井環(huán)空井筒多相流動計算的控壓鉆井方法
基于鉆井環(huán)空井筒多相流動計算的控壓鉆井方法技術領域
本發(fā)明屬于油氣田開發(fā)領域，具體地，涉及油氣鉆探井筒壓力控制，特別是一種控制壓力鉆井方法。
背景技術：
隨著油氣勘探范圍的不斷擴大，鉆井所遇到的地層條件越來越復雜，鉆井工程中的井漏、卡鉆、井壁坍塌井下復雜情況頻繁發(fā)生，尤其是對于破裂壓力和孔隙壓力窗口較窄甚至漏噴同存的地層，井下事故的頻繁發(fā)生使非生產(chǎn)時間大大增加，推高了鉆井作業(yè)的成本。同時，三低(低電阻、低孔隙、低滲透)復雜油氣藏成為資源接替的重要部分，這些油氣藏低阻、低孔、低滲的特征使該類油氣藏具有難于發(fā)現(xiàn)和評價的特點。因而，如何預防復雜地層中井漏、卡鉆、井壁坍塌復雜情況的產(chǎn)生，安全高效的鉆穿窄密度窗口的復雜地層，同時有效減小鉆井過程中鉆井液對儲層的傷害，已經(jīng)成為當今鉆井行業(yè)的技術熱點和提高經(jīng)濟效益的關鍵。另外，對于高含h2s、CO2氣體的酸性氣體地層，如何保證鉆井安全一直是困擾鉆井界的技術難題。高含H2SXO2的酸性氣體在井筒中有特殊的相變規(guī)律和流動規(guī)律，酸性氣體在井底深處處于超臨界態(tài)，且在水基鉆井液中具有很高的溶解度，使得酸性氣體的侵入具有隱蔽性；但當酸性氣體上升至井筒上部時，酸性氣體會相變?yōu)闅鈶B(tài)，溶解在鉆井液中的氣體也會重新釋放，高含酸性氣體天然氣的體積會出現(xiàn)劇烈膨脹，氣體膨脹具有突發(fā)性。酸性氣體氣侵時的隱蔽性和突發(fā)性給井筒壓力控制帶來巨大的危害，而控制壓力鉆井通過實時施加井口回壓可抑制酸性氣體的突發(fā)膨脹，且控壓鉆井封閉的循環(huán)系統(tǒng)可以確保 H2S有毒氣體不會擴散到大氣之中。
控制壓力鉆井由于能夠很好的滿足復雜油氣藏鉆探的要求，得到了世界范圍的大力發(fā)展和推廣。目前控制壓力鉆井技術依賴于APWD(Annular Pressure While drilling)/PffD(Pressure While drilling)井底測量儀器來實時獲取井底壓力數(shù)值，根據(jù)此數(shù)值實時調(diào)整井口回壓，達到控制壓力鉆井的目的。但APWD/PWD井下測量儀器的信號多依靠泥漿脈沖，在鉆井液中混有氣體時信號無法正常傳至地面，控壓鉆進則無法正常進行。 同時，APWD/PWD井下測壓儀器大都被少數(shù)技術服務公司壟斷，只提供高價位服務不出售產(chǎn)品，在一定程度上制約了控制壓力鉆井技術的發(fā)展。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提出一種基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法；通過鉆井井筒多相流動計算方法來實時計算得到井底壓力和所需井口回壓來實現(xiàn)控制壓力鉆井，不依賴于APWD/PWD井底測量儀器來實時獲取井底壓力數(shù)值。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用下述技術方案
一種基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于
(I)、獲取鉆井井筒多相流動計算的基本參數(shù)。根據(jù)鉆井設計參數(shù)及實時的控壓鉆井鉆進參數(shù)，獲取計算所需的基本數(shù)據(jù)，其中鉆井設計參數(shù)包括井身結構、鉆具組合、地層數(shù)據(jù)、鉆井液中的氣相和液相排量、鉆井液密度、鉆井液粘度、井深、井斜角、方位角；實時的控壓鉆井鉆進參數(shù)包括當前鉆頭深度、當前時刻井口回壓。
(2)、確定井筒環(huán)空內(nèi)流體的種類。根據(jù)注入鉆井液中液相或氣相，儲層內(nèi)產(chǎn)出流體油、烴類氣體、水、酸性氣體,確定井筒環(huán)空內(nèi)流體組分的種類。
(3)、考慮多相多組分復雜流動因素，建立井筒環(huán)空內(nèi)的多相流動控制方程組。針對環(huán)空內(nèi)流動介質(zhì)的不同，分別建立注入氣、液,地層產(chǎn)出油、水、烴類氣體、酸性氣體的連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程；為了使控制方程封閉還需建立輔助方程，主要包括流體的狀態(tài)方程、酸性氣體的溶解度方程、流體超臨界態(tài)判斷方程、沿程摩阻損失方程、 地層溫度場方程、氣相及固相的滑脫方程、流型判斷方程、環(huán)空流道的幾何方程。
(4)結合控制壓力鉆井不同工況下的工藝過程，得到環(huán)空多相流動控制方程組的定解條件。
(5)將多相流動計算的時間和空間域進行有限差分網(wǎng)格劃分。其中，空間域為整個井筒環(huán)空，時間域為實施控壓鉆井的整個過程；本發(fā)明根據(jù)氣體上升速度動態(tài)選用空間網(wǎng)格長度，網(wǎng)格在井的下部長，上部短。
(6)將多相流動控制方程進行數(shù)值化離散。本發(fā)明采用四點差分格式進行離散，離散的方程主要包括各相的連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程。
(7)求解控制壓力鉆井所需的井口回壓。運用有限差分算法對多相流動控制方程組進行數(shù)值求解，得到控制壓力鉆井所需的井口回壓。
(8)基于計算的井口回壓值，調(diào)節(jié)井口節(jié)流閥，實現(xiàn)控壓鉆進。
本發(fā)明具有以下顯著效果
(I)、本發(fā)明所述的方法進行控制壓力鉆井，可以在鉆井液含氣APWD/PWD井底測量儀器信號無法正常傳輸?shù)那闆r下，繼續(xù)進行控制壓力鉆井；
(2)、本發(fā)明所述的方法可以在無APWD/PWD井底測量儀器情況下進行控壓鉆井， 節(jié)省APWD/PWD井底測量儀器的使用費用，減少鉆井成本；
(3)、由于本方法考慮了天然氣中酸性組分的超臨界態(tài)及溶解特性，使得該方法可以應用于高含酸性氣體地層的控壓鉆井過程；
(4)、本方法考慮井筒內(nèi)多組分多相復雜流動情況，更符合控制壓力鉆井井筒內(nèi)的實際流動過程，計算精度高，誤差小，提高了控制壓力鉆井的控制精度，擴大了控制壓力鉆井的應用范圍。
說明書附圖

圖I為基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法的流程示意圖2環(huán)空多相流動計算空間時間域有限差分網(wǎng)格劃分示意圖3控制壓力鉆井η時刻井筒內(nèi)多相流動參數(shù)求解步驟示意圖4控制壓力鉆井η+1時刻所需井口回壓值求解步驟示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施方案進行具體描述。圖I為本發(fā)明的基于鉆井井筒環(huán)空多相流動計算的控制壓力鉆井方法的流程示意圖，基于鉆井井筒環(huán)空多相流動計算的控制壓力鉆井方法包括如下主要步驟
I、獲取鉆井井筒多相流動計算的基本參數(shù)
根據(jù)鉆井設計參數(shù)及實時的控壓鉆井鉆進參數(shù)，獲取計算所需的基本數(shù)據(jù)，其中鉆井設計參數(shù)包括井身結構、鉆具組合、地層數(shù)據(jù)、鉆井液中的氣相和液相排量、鉆井液密度、鉆井液粘度、井深、井斜角、方位角；實時的控壓鉆井鉆進參數(shù)包括當前鉆頭深度、當前時刻井口回壓。
2、確定井筒環(huán)空內(nèi)流體的種類
本實施方案中考慮控壓鉆井中比較復雜的情況，注入的鉆井液為氣液兩相混合流體，儲層內(nèi)產(chǎn)出流體為油、水、烴類氣體、酸性氣體，其中酸性氣體為二氧化碳(CO2)和硫化氫(H2S)。因此，井筒環(huán)空內(nèi)的流體種類為8種，分別為注入氣、注入液、巖屑、油、水、烴類氣體、C02&H2S。
3、考慮多相多組分復雜流動因素，建立井筒環(huán)空內(nèi)的多相流動控制方程組
考慮注入的氣、液，井底處產(chǎn)生的巖屑，地層內(nèi)產(chǎn)出的油、氣、水，以及油/氣間的相變，高含酸性氣體深井中的超臨界態(tài)流動，在水基鉆井液中的溶解和析出多相多組分流動，相間的滑脫，地層滲流與井筒多相流動的耦合因素的基礎上，建立井筒環(huán)空內(nèi)多相流動體系的控制方程組，包括各相的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及輔助方程。
針對井筒環(huán)空內(nèi)的一維多相流動，算法模塊調(diào)用相關參數(shù)，建立各相的連續(xù)性方程、動量方程及能量方程。相關參數(shù)包括環(huán)空截面積A，注入氣相排量qpg，注入鉆井液相排量qm，地層產(chǎn)出烴類氣量qg，地層產(chǎn)出H2S氣量qss，地層產(chǎn)出CO2氣量qs。，地層產(chǎn)出油量 q。，烴類氣體的溶解量q,g，H2S的溶解量q,s，CO2的溶解量q,。，烴類氣體的析出量x,g，H2S的析出量Xre，CO2的析出量Xrc，地層產(chǎn)出水量qw,井底巖屑產(chǎn)出量q。,溶解氣油比Rs,原油體積分數(shù)B。，地層產(chǎn)出烴類氣體在標況下的密度Pgs，沿井筒方向的長度S，井斜角α，烴類氣體相體積分數(shù)Eg，H2S體積分數(shù)Ess，CO2體積分數(shù)Es。，烴類氣體溶解相體積分數(shù)Ev H2S溶解相體積分數(shù)Ere，CO2溶解相體積分數(shù)Em，巖屑體積分數(shù)E。，鉆井液相的體積分數(shù)Eni,注入氣相的體積分數(shù)Epg，地層產(chǎn)出油的體積分數(shù)E。，地層產(chǎn)出水的體積分數(shù)Ew，烴類氣體相的速度 Vg, H2S的速度Nss, CO2的速度Vs。，烴類氣體溶解相的速度Nrg, H2S溶解相的速度V,s，CO2溶解相的速度I。，巖屑的速度V。，鉆井液相的速度Vm，注入氣相的速度Vpg，地層產(chǎn)出油的速度 V。，地層產(chǎn)出水的速度Vw，烴類氣體相的密度P g，H2S的密度P g，CO2的密度P s。，烴類氣體溶解相的密度Pv H2S溶解相的密度P ，CO2溶解相的密度Pm，巖屑的密度P。，鉆井液相的密度Pni，注入氣相的密度Ppg，地層產(chǎn)出油的密度P。，地層產(chǎn)出水的密度Pw，摩阻壓降f；,環(huán)空壓力P,氣相混合密度P ga,氣體總體積分數(shù)Ega，混合氣體的定壓比熱Cga，液相密度P :，液相體積分數(shù)E1，液相定壓比熱C1，混合氣體的質(zhì)量流量Wga，套管外徑r。。，環(huán)空內(nèi)流體的溫度Ta，地層導熱系數(shù)ke，井筒內(nèi)總的傳熱系數(shù)Ua，瞬態(tài)導熱函數(shù)TD，地層內(nèi)溫度T#鉆柱內(nèi)流體溫度Tt，鉆柱內(nèi)徑rti。
(I)、連續(xù)性方程
注入鉆井液中的氣相
^PmEpzA) + -(PpsEpgVpgA) = qpg
注入鉆井液中的液相
去(AEmPm)+ ^(AEmPtnVJ = qm at as
地層產(chǎn)出烴類氣體相
^ΡΛΑ + ARsPbSsE° ) + ^ipiEsVgA + ARsP^-SV° ) = qg -qrg+xrg
地層產(chǎn)出油相r d,…ARsp E。 a ,Λ ARsp E0V0
—i PaEaA---1~) +—Cp0E0V0A--f-) = q0atB0 dsB0
地層產(chǎn)出H2S酸性氣體相
—(pssEssA) + -CpssEssVssA) = qss -qrs +x OtOS
地層產(chǎn)出CO2酸性氣體相
-CpscEicA) + -^psaExVscA) = qsc -qrc + XreatOS
地層產(chǎn)出烴類氣體溶解相
^{ρτζΕτ%Α) +Ag W = qrg - xrg
地層產(chǎn)出H2S酸性氣體溶解相QQ
— (PtsEtsA) + — (PisEtsVrsA) = qrs - Xrj
地層產(chǎn)出CO2酸性氣體溶解相
S(PJEkA) + I(PrcEicVrcA) = qrc - XrcOtOS
巖屑相
^-(AEcPc)+ -^-(AEcPcVc) = qc atas
地層產(chǎn)出水相
— (AEwpw ) + — (AEwpwVw ) = qw atas
總的體積分數(shù)
Erg+Ers+Erc+Eg+Ess+Esc+Em+Ec = I
(2)、動量方程
— (AE P Vg + AEssPssVss + AEscPscVsc + AErgPrgVrg + AErsPrsVrs + AErcPrcVrcCl
+AEmPmVm +AEcpcVc) + ^-(AEgpgVg2 +AFssPssFfs +AFscPscVfc +AErgPrgV^
+ AErsPrsVl + AErcPrcVrc + AEmPmVl + AEcPcVc ) + Agcosa{Egpg + EssPss +
Escpsc + Ergprg + Ersprs + Ercprc + EmPm +Ecpc) + A^ + A^ =0
3)、能量方程
權利要求
1.一種基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于，步驟如下(1)、獲取鉆井井筒多相流動計算的基本參數(shù)；(2)、確定井筒環(huán)空內(nèi)流體的種類；(3)、考慮多相多組分復雜流動因素，建立井筒環(huán)空內(nèi)的多相流動控制方程組；(4)、結合控制壓力鉆井不同工況下的工藝過程，建立多相流動控制方程組的定解條件；(5)、將多相流動計算的時間和空間域進行網(wǎng)格劃分；(6)、將多相流動控制方程進行數(shù)值化離散；(7)、求解控制壓力鉆井所需的井口回壓；(8)、基于計算的井口回壓值，調(diào)節(jié)井口節(jié)流閥，實現(xiàn)控壓鉆進。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述的鉆井井筒多相流動計算的基本參數(shù)包括井身結構、鉆具組合、鉆頭深度、地層數(shù)據(jù)、井斜角、方位角、注入鉆井液中氣相和液相的排量、鉆井液密度、鉆井液粘度、當前時刻井口回壓。
3.根據(jù)權利要求1-2所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述的井筒環(huán)空內(nèi)流體的種類包括注入鉆井液中的氣、液相，井底處產(chǎn)生的巖屑， 地層內(nèi)產(chǎn)出的油、氣、水，以及油在運移過程中的相變氣，天然氣中的酸性組分。
4.根據(jù)權利要求1-3所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述的考慮多相多組分復雜流動因素是指注入鉆井液中的氣、液相，井底處產(chǎn)生的巖屑，地層內(nèi)產(chǎn)出的油、氣、水，以及油/氣間的相變，高含酸性氣體深井中的超臨界態(tài)流動及酸性氣體在水基鉆井液中的溶解和析出，相間的滑脫，地層滲流與井筒多相流動的耦合。
5.根據(jù)權利要求1-4所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述的建立井筒環(huán)空內(nèi)的多相流動控制方程組包括環(huán)空內(nèi)流體中各相的連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及輔助方程。
6.根據(jù)權利要求1-5所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述的控制壓力鉆井不同工況包括控壓鉆進工況、起/下鉆工況、接單根工況；所述的多相流動控制方程組的定解條件包括井筒壓力場及溫度場求解的初始條件和邊界條件。
7.根據(jù)權利要求1-6所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述天然氣中的酸性組分包括硫化氫和二氧化碳；所建立的輔助方程包括流體狀態(tài)方程、酸性氣體的溶解度方程、超臨界態(tài)判斷方程、地層產(chǎn)出方程、流型判別方程、滑脫速度方程、地層溫度場方程；所述的井筒內(nèi)多相流動參數(shù)包括井筒內(nèi)不同位置處的環(huán)空壓力、溫度、各相的體積分數(shù)、各相的速度。
8.根據(jù)權利要求1-7所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述的將多相流動計算的時間和空間域進行網(wǎng)格劃分指的是將整個井筒環(huán)空作為空間域，將實施控壓鉆井的整個過程作為時間域；根據(jù)氣體上升速度動態(tài)選用空間網(wǎng)格長度，空間網(wǎng)格在井筒底部疏，在井筒上部密；時間步長同樣米用非均勻格式，根據(jù)氣體上升速度以及該處空間網(wǎng)格長度確定時間步長。
9.根據(jù)權利要求1-8所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述的將多相流動控制方程進行數(shù)值化離散是指采用四點差分格式對連續(xù)性方程、動量方程及能量方程進行離散，得到多相流動控制方程組有限差分的離散形式。
10.根據(jù)權利要求1-9所述的基于鉆井井筒多相流動計算的控制壓力鉆井方法，其特征在于所述的求解控制壓力鉆井所需的井口回壓的步驟包括(1)、通過井口回壓的測量設備讀取控制壓力鉆井過程當前刻的井口回壓；(2)、根據(jù)當前時刻的井口回壓值，計算當前時刻井筒內(nèi)多相流動參數(shù)，作為下一時刻井口回壓計算的初始條件；(3)、根據(jù)控制壓力鉆井對井底壓力的要求，計算下一時刻井底壓力的標準值；(4)、以當前時刻計算的井筒多相流動參數(shù)為初始條件，根據(jù)下一時刻井底壓力的標準值，計算下一時刻所需的井口回壓值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于鉆井環(huán)空井筒多相流動計算的控壓鉆井方法；具體步驟如下獲取鉆井井筒多相流動計算的基本參數(shù)；確定井筒環(huán)空內(nèi)流體的種類；考慮多相多組分復雜流動因素，建立井筒環(huán)空內(nèi)的多相流動控制方程組；結合控制壓力鉆井不同工況下的工藝過程，建立多相流動控制方程組的定解條件；將多相流動計算的時間和空間域進行網(wǎng)格劃分；將多相流動控制方程進行數(shù)值化離散；求解控制壓力鉆井所需的井口回壓；基于計算的井口回壓值，調(diào)節(jié)井口節(jié)流閥，實現(xiàn)控壓鉆進。本發(fā)明可以在鉆井液含氣的情況下繼續(xù)進行控制壓力鉆井；可以應用于高含酸性氣體地層的控壓鉆井過程；計算精度高，誤差小，提高了控制壓力鉆井的控制精度，擴大了應用范圍。
文檔編號E21B44/00GK102943620SQ20121030553
公開日2013年2月27日 申請日期2012年8月27日 優(yōu)先權日2012年8月27日
發(fā)明者孫寶江, 王志遠, 馬金山, 周翔, 馬英文, 丁曉潔 申請人:中國石油大學(華東), 中國石油集團渤海鉆探工程有限公司, 金湖奧爾機械有限公司, 中海石油(中國)有限公司天津分公司