高溫高壓氣井的井下地層環(huán)境一般較為復(fù)雜,且安全密度窗口較窄,需要精確把控井下壓力的實(shí)時(shí)變化。一旦發(fā)生氣侵,侵入井筒的流體在向井口運(yùn)移的過程中混相密度、流態(tài)和所受壓力不斷變化。兩相流前沿到達(dá)井口附近時(shí)具有很快的流動(dòng)速度,井控難度較大。在溢流過程中,氣侵速率與井底壓力之間相互影響,而現(xiàn)今大多數(shù)的井筒多相流模型都假設(shè)氣侵速度是恒定的。無法準(zhǔn)確地反映溢流的發(fā)生發(fā)展全過程,與實(shí)際情況存在較大誤差,迫切需要研究新的井筒多相流流動(dòng)模型,以便更好地認(rèn)識(shí)高壓氣井溢流的機(jī)理。本文以傳熱學(xué)和熱力學(xué)理論為基礎(chǔ),研究了地層與井筒的傳熱過程,并建立了鉆進(jìn)過程中的瞬態(tài)溫度場預(yù)測模型,計(jì)算了排量和循環(huán)時(shí)間對(duì)井筒溫度剖面的影響;基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒原理建立了的氣液兩相流的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程,考慮井筒壓力和氣侵的相互耦合關(guān)系,結(jié)合氣液兩相流的流態(tài)在運(yùn)移過程中的狀態(tài)變化,建立了井筒多相流模型;采用有限差分法,對(duì)控制方程組進(jìn)行求解,追蹤多相流前沿。將井筒壓力和氣侵速率耦合后的模型和普通模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,說明了耦合的必要性;在理論研究的基礎(chǔ)上,模擬了高溫高壓氣井溢流過程中氣侵速率、環(huán)空氣相體積分?jǐn)?shù)、泥漿池增量和井底壓力隨鉆井參數(shù)(排量、鉆井液密度)和產(chǎn)層物性參數(shù)(滲透率、產(chǎn)層有效厚度)等的變化規(guī)律。模擬計(jì)算結(jié)果表明,井筒溫度最高的點(diǎn)不在井底,而在井底附近的某一井深。隨著循環(huán)時(shí)間不斷延長,井底循環(huán)溫度不斷降低。在溢流發(fā)展過程中,氣侵速率隨鉆井液循環(huán)時(shí)間的增加而增加;環(huán)空混相速率在向上運(yùn)移的過程中不斷增加,當(dāng)氣體循環(huán)至井口附近,環(huán)空混相速度會(huì)迅速增加,返出排量迅速增加,泥漿池增量隨之增加;瞬態(tài)氣侵與恒定氣侵速率求解得出的計(jì)算結(jié)果存在較大差異;儲(chǔ)層被鉆開的厚度即使只增加很小的數(shù)值,氣侵速率增加的幅度也很大。鉆進(jìn)過程中,若難以準(zhǔn)確預(yù)測地層壓力,在遇到滲透率較高或含氣量較高的地層段時(shí)應(yīng)控制鉆速,為溢流的監(jiān)測和控制留有足夠的時(shí)間。本文建立的井筒多相流模型可用于預(yù)測溢流過程的井筒多相流流動(dòng)規(guī)律,旨在為現(xiàn)場制定合理的溢流監(jiān)測和控制方案提供理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE319
【部分圖文】：

?（２－２０）??式中：０為系統(tǒng)入口的能量；Ｆ為系統(tǒng)出口的能量；Ａｆ／為系統(tǒng)變化量。??圖２－２為井筒與地層系統(tǒng)熱交換示意圖。??ＩＩ?Ｉ?一圍，＾??修ｆ??時(shí)ｆ…??ｉｔｔＭｔ??圖２－２井筒與地層系統(tǒng)熱交換示意圖??如圖２－２所示，鉆井液在鉆桿與環(huán)空循環(huán)的整個(gè)過程中，地層中的熱量被帶入環(huán)空??鉆井液當(dāng)中，環(huán)空鉆井液與鉆柱內(nèi)鉆井液也會(huì)通過流動(dòng)以及以鉆桿為介質(zhì)發(fā)生熱量交換，??即鉆井液通過循環(huán)而帶動(dòng)的井筒和地層之間這個(gè)熱量交換過程。在研究井筒溫度場時(shí)，??一般鉆井液循環(huán)過程分為以下階段：①鉆井液由地面經(jīng)泥漿泵進(jìn)入鉆柱，沿鉆柱通道向??井底循環(huán)；②鉆井液在井底通過鉆頭噴射到井底，而后進(jìn)入環(huán)空；③鉆井液沿環(huán)空通道??向井口循環(huán)直到反出井口。對(duì)各個(gè)不同的鉆井液循環(huán)和熱量傳遞步驟，遵循能量守恒，??在研究井段取微元控制體

?Ｊ＾Ｘ?｜??￥?Ｅｋ￣ｉｉ??圖２－３鉆柱內(nèi)傳熱模型??經(jīng)過時(shí)間后，環(huán)空流體的熱量傳遞給鉆柱內(nèi)流體的整個(gè)過程如圖２－４所示。??地層?環(huán)空內(nèi)流體鉆柱外壁?鉆柱內(nèi)壁?鉆柱內(nèi)流體??圖２－４徑向方向能量傳遞示意圖??根據(jù)能量守恒，在地層向鉆桿內(nèi)的整個(gè)傳熱過程中以上四部分傳遞的熱量相等。??由（２－２１），（２－２２）?，?（２－２３）式可求得：??＾［Ｔａ（ｚ，ｔ）￣Ｔｐ（ｚ，ｔ）］Ａｔ??ｐ?ｐＨ?２?？??這里應(yīng)用總傳熱系數(shù)為這一概念，描述鉆柱外壁到鉆柱內(nèi)壁各部分介質(zhì)總的傳??熱能力。其中，鉆柱外壁向鉆柱內(nèi)壁傳遞的熱量為：??Ｑａｐ?＝?Ｕ＾ｄｐｉ［Ｔａ（ｚ，ｔ）－Ｔｐ（ｚ，ｔ）］ＡｚＡｔ?（２－２５）??比較公式（２－２４）?，?（２－２５）可得：??！?－?１?

｜；２?及??—由環(huán)空流體傳入鉆柱內(nèi)流體的熱量，ｋＪ；??〇一鉆柱外徑，ｍｍ；??ｉ—鉆柱內(nèi)經(jīng)，ｍｍ；??—鉆柱外壁對(duì)流換熱系數(shù)，Ｗ／（ｍ２?？?°Ｃ）；??一鉆柱內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)，Ｗ／（ｍ２?？?°Ｃ）；??ｄｐ—鉆柱導(dǎo)熱系數(shù)，Ｗ／ｍ?？?°Ｃ；??—鉆柱內(nèi)鉆井液比熱系數(shù)，Ｊ／ｋｇ．?°Ｃ；??ｐ一鉆柱內(nèi)鉆井液密度，ｋｇ／ｍ３；??環(huán)空鉆井液溫度，°Ｃ；??。一鉆柱外壁溫度，°Ｃ；??鉆柱內(nèi)壁溫度，°Ｃ；??—鉆柱內(nèi)流體溫度，°Ｃ。??模型方程??環(huán)空傳熱模型的示意圖。??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2863780