【摘要】：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,目前易開采地區(qū)的油氣產(chǎn)量已不能滿足人們對(duì)油氣資源越來越大的需求。而在加大對(duì)油氣勘探開發(fā)力度的過程中,深部、復(fù)雜地區(qū)的鉆井作業(yè)日益增多,在勘探開發(fā)這些深部、復(fù)雜地層時(shí),常常面臨“安全壓力窗口”狹窄的難題,導(dǎo)致非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間顯著增加,極易發(fā)生井涌、漏失失返并引起嚴(yán)重的井噴事故。井底恒壓法控壓鉆井作為一種較先進(jìn)的鉆井技術(shù),能有效解決“窄安全壓力窗口”的難題,氣侵的預(yù)防和氣侵的控制是控壓鉆井的核心問題。起下鉆過程產(chǎn)生的波動(dòng)壓力已經(jīng)成為導(dǎo)致井筒氣侵的的一大重要因素,建立精確的起下鉆波動(dòng)壓力預(yù)測(cè)模型,為“窄安全壓力窗口”地層的最大的安全起下鉆速度確定提供科學(xué)依據(jù),這對(duì)積極預(yù)防溢流,最大程度降低溢流發(fā)生的概率都具有重要意義。精確的井筒水力學(xué)模型和壓力計(jì)算是實(shí)現(xiàn)井筒壓力精確控制的前提,是實(shí)現(xiàn)安全高效鉆進(jìn)的核心科學(xué)問題�？貕恒@井井筒壓力控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要集中在起下鉆過程穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)波動(dòng)壓力的準(zhǔn)確計(jì)算,氣侵之后井筒參數(shù)演變規(guī)律,以及井口回壓的精細(xì)控制等方面,為此,本文針對(duì)這些問題展開詳細(xì)研究。首先,本文以同心環(huán)空流體微元為研究對(duì)象,建立了動(dòng)量方程,根據(jù)赫巴流體本構(gòu)關(guān)系和流量相等關(guān)系,求解得到了環(huán)空流速分布和穩(wěn)態(tài)波動(dòng)壓力梯度表達(dá)式。針對(duì)各種環(huán)空內(nèi)外徑比和偏心度,提出了一種以有限體積法為基礎(chǔ)的偏心環(huán)空穩(wěn)態(tài)波動(dòng)壓力預(yù)測(cè)模型,采用雙極坐標(biāo)系,將偏心環(huán)空不規(guī)則計(jì)算域共形映射到規(guī)則的矩形計(jì)算域,有效地克服了窄槽近似模型必須在內(nèi)外徑比率大于0.4才適用的缺陷,前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。分析了影響環(huán)空速度和穩(wěn)態(tài)波動(dòng)壓力的大小的各種因素,得出了結(jié)論:穩(wěn)態(tài)波動(dòng)壓力隨著鉆具運(yùn)動(dòng)速度、環(huán)空內(nèi)外徑比率的增加而增大,與鉆井液的屈服值和稠度系數(shù)成近似線性關(guān)系,與流性指數(shù)成指數(shù)關(guān)系。偏心度影響環(huán)空流量和速度分布的均勻性,較大偏心度可能出現(xiàn)滯留區(qū)域。以瞬變流方程為基礎(chǔ),考慮了附加動(dòng)態(tài)摩阻項(xiàng)的影響,建立了新的瞬態(tài)波動(dòng)壓力預(yù)測(cè)模型方程,并采用Roe算法對(duì)方程組進(jìn)行了求解。利用前人的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了井筒幾何參數(shù)、鉆井液流變參數(shù)、鉆具運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)瞬態(tài)波動(dòng)壓力峰值的影響規(guī)律,得出了結(jié)論:鉆井液密度、井筒綜合彈性模量、鉆具運(yùn)動(dòng)的加速度的對(duì)瞬態(tài)波動(dòng)壓力的影響較小,鉆具運(yùn)動(dòng)速度對(duì)瞬態(tài)波動(dòng)壓力的影響較大。偏心度對(duì)瞬態(tài)波動(dòng)壓力的影響程度小于穩(wěn)態(tài)波動(dòng)壓力�；诃h(huán)空微元體的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程,建立了氣侵井筒多相流動(dòng)方程,推導(dǎo)得到雙流體模型方程和漂移流模型方程,比較了兩種模型的差異,指出了各種的適用范圍。基于雙流體模型,考慮了虛擬質(zhì)量力的影響,得到了壓力波在氣液兩相流中的傳播速度方程,得出了結(jié)論:壓力波波速隨鉆井液密度,含氣率及虛擬質(zhì)量力系數(shù)的增加都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì),先急劇減小,后變化極其緩慢�；谄屏髂Ｐ�,采用了有限體積法和Roe算法構(gòu)建數(shù)值通量,按照Roe平均化法則求得了系數(shù)矩陣的線性化近似雅可比矩陣,得到了漂移流模型的Roe數(shù)值算法迭代格式。Roe算法由于沒有迭代逼近運(yùn)算,所有離散項(xiàng)運(yùn)算均為普通線性方程,即使較大時(shí)間步和空間步也能很好滿足守恒性,計(jì)算精度高,穩(wěn)定性強(qiáng),可有效避免迭代過程可能出現(xiàn)的發(fā)散現(xiàn)象。以實(shí)例井為基礎(chǔ),模擬了從氣侵發(fā)生到氣體頂部剛上升到井口整個(gè)過程,分析了不同初始井口回壓對(duì)井筒參數(shù)的影響,得出了初始井口回壓越小,井筒氣侵程度越嚴(yán)重的結(jié)論。將井底恒壓法控壓鉆井的井筒氣侵過程分為氣侵檢測(cè)階段和氣侵控制階段,分析了在氣侵檢測(cè)階段初始井口回壓、氣層滲透率、氣層孔隙度、氣層壓力、機(jī)械鉆速對(duì)井筒參數(shù)的影響規(guī)律,得出氣層孔隙度的影響較小,其它參數(shù)影響較大的結(jié)論。分析了井底恒壓法控壓鉆井針對(duì)氣侵的四種不同的井控方案,增大井口回壓,能迅速停止氣侵,能保持井底恒壓,返出鉆井液流量和出口氣體流量都較小,所受的限制因素少,適用性較強(qiáng)。增大泥漿泵排量,不能維持井底恒壓,只能處理非常輕微程度的氣侵,在循環(huán)排氣過程中容易發(fā)生二次氣侵,延長(zhǎng)了井控時(shí)間,增加了井控復(fù)雜性。增大泥漿泵排量的同時(shí)也增大井口回壓,能維持井底恒壓,但出口的氣體流量大,應(yīng)考慮氣液分離器的處理能力。關(guān)井后再開泵循環(huán)方案,井筒進(jìn)氣多,井控時(shí)間長(zhǎng),出口的氣體流量大,必須考慮氣液分離器的處理能力。節(jié)流閥是井口回壓的壓力來源,井口回壓是鉆井液通過節(jié)流閥時(shí)在閥門前后兩端的形成的壓力差。找出了鉆井液通過楔形節(jié)流閥的最小過流面積所在位置,并計(jì)算了最小面積,推導(dǎo)得了到閥芯行程與閥門兩端節(jié)流壓降的關(guān)系式。控壓鉆井楔形節(jié)流閥的有效調(diào)節(jié)區(qū)間約為0.49,在此區(qū)間,閥門關(guān)度與節(jié)流壓降函數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系,壓降調(diào)節(jié)范圍0.29~14.71MPa。
【圖文】：

井底恒壓法控壓鉆井系統(tǒng)示意圖
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE28

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2659048