【摘要】：欠平衡鉆井在提高機械鉆速、減小井下復雜情況和保護油氣層方面具有非常明顯的效果。對于欠平衡鉆井井筒多相流動,目前學術界研究較多的是質量交換條件下井筒壓力演變規(guī)律,但是在深層或高地溫梯度地層應用欠平衡技術時,井筒與地層之間同時發(fā)生質量交換、熱量交換所引起的井筒流體特性參數、井下溫度和壓力變化規(guī)律的理論研究還不完善,這直接影響了欠壓值的確定和欠平衡作業(yè)的效果及安全。為此,本文在前人研究的基礎上,基于傳熱學、計算流體力學、滲流力學等相關理論與研究方法,針對井筒穩(wěn)態(tài)氣液兩相流的流型預測和流動特性參數計算、欠平衡隨鉆動態(tài)地層流體侵入量計算、井筒與地層瞬態(tài)傳熱下的井筒溫度分布以及傳質傳熱條件下瞬態(tài)多相流動等方面展開深入地研究,建立了欠平衡鉆井井筒與地層傳質傳熱條件下的多相流流動模型,為深層或高地溫梯度地層欠平衡鉆井設計和施工提供重要的理論基礎和技術支持。(1)欠平衡鉆井鉆遇油氣藏時,地層流體的侵入量不僅與地層的物理性質有關,還與鉆進過程中的井底壓力和鉆井速度有關。地層流體侵入的邊界條件隨著時間變化而不斷變化,因此把儲藏中的井段分為瞬時打開井段和已打開井段,首先考慮了流體、孔隙介質和流動條件之間的動態(tài)關系,引入當量表皮系數,推導了瞬時打開井段的地層流體侵入量模型,其次考慮了鉆進過程中動態(tài)變化的井底壓力和鉆井速度,推導了已打開井段的地層流體侵入量模型,瞬時打開井段和已打開井段的侵入量模型共同組成了欠平衡鉆井隨鉆地層流體侵入量數學計算模型。通過模擬計算,揭示了欠平衡鉆井過程中地層流體隨鉆侵入量的動態(tài)變化規(guī)律。(2)以熱力學為依據,結合流體力學基本原理,考慮導熱、對流換熱、焦耳湯姆遜效應、摩阻壓降生熱、鉆柱摩擦生熱和地層流體侵入的影響,研究井筒-地層之間的熱交換機制,建立了欠平衡鉆井井筒與地層的瞬態(tài)傳熱模型。在此基礎上假設流體性質、流動參數與鉆井時間、井深之間存在不同關系,分別推導了相應的環(huán)空與鉆柱溫度解析模型。揭示了欠平衡鉆井參數對井筒溫度的影響規(guī)律：與循環(huán)流體摩擦壓降對環(huán)空溫度的影響相比,鉆柱摩擦生熱對環(huán)空溫度的影響較大,在非直井段較長時不可忽略鉆柱摩擦影響；注液量、注氣量、注入溫度對溫度的影響明顯,注液量、注氣量為地面可控參數,在合理范圍內可以通過控制注液量、注氣量調節(jié)井筒溫度。(3)通過調研大量的國內外有關壓力、溫度、管徑和流道幾何形狀對兩相流影響的實驗和理論文獻,綜合考慮流道幾何形狀、壓力、溫度、管徑及井斜角對兩相流流動的影響,對原有基于常溫常壓小直徑管的環(huán)空和管內氣液兩相流流型判別準則、流動特性參數計算公式進行了修正,建立了欠平衡實鉆條件下的全井段穩(wěn)態(tài)兩相流模型�？紤]地層與井筒傳熱后,環(huán)空井底壓力和立管壓力有所降低。與實測數據的對比結果表明,考慮流道幾何形狀、壓力、溫度、管徑及井斜角的影響后,本文建立的模型預測壓力值比Beggs-Brill經驗模型和Hasan-Kabir力學模型的預測壓力值稍大,與實測壓力更加接近,預測精度得到了提高。(4)基于油氣井流體力學、滲流力學和熱力學,針對欠平衡鉆井的不同工況(正常循環(huán)、溢流、關井),考慮井筒與地層傳熱、地層流體侵入、油氣相變等影響,建立了欠平衡鉆井傳熱傳質與多相流流動耦合模型。通過對不同工況的具體分析,給出了相應的初始條件與邊界條件,并采用交錯網格有限差分法對控制方程進行了離散化處理,對建立的模型進行模擬計算,結果表明：地層流體侵入對井底壓力、井底溫度、各相體積分數等參數的影響較大,與之相比井筒與地層傳熱引起的溫度變化對井底壓力、各相體積分數等參數有一定影響但影響較小；發(fā)生氣侵后,環(huán)空氣體體積分數增大,井底溫度降低,井底壓力先升高后降低；關井后井底溫度、節(jié)流壓力和井底壓力迅速升高,地層氣體產出速度迅速降低至零。最后通過實例對理論模型進行了驗證。
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【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE21

【參考文獻】

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1 廖新維,馮積累;深層高壓氣藏井筒不穩(wěn)態(tài)傳熱壓力溫度耦合計算方法[J];石油勘探與開發(fā);2005年01期

2 毛偉,梁政;計算氣井井筒溫度分布的新方法[J];西南石油學院學報;1999年01期

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本文編號：2298093