高温高压气井溢流过程模拟

发布时间：2020-10-31 09:41

　　 高温高压气井的井下地层环境一般较为复杂,且安全密度窗口较窄,需要精确把控井下压力的实时变化。一旦发生气侵,侵入井筒的流体在向井口运移的过程中混相密度、流态和所受压力不断变化。两相流前沿到达井口附近时具有很快的流动速度,井控难度较大。在溢流过程中,气侵速率与井底压力之间相互影响,而现今大多数的井筒多相流模型都假设气侵速度是恒定的。无法准确地反映溢流的发生发展全过程,与实际情况存在较大误差,迫切需要研究新的井筒多相流流动模型,以便更好地认识高压气井溢流的机理。本文以传热学和热力学理论为基础,研究了地层与井筒的传热过程,并建立了钻进过程中的瞬态温度场预测模型,计算了排量和循环时间对井筒温度剖面的影响;基于质量守恒、动量守恒原理建立了的气液两相流的连续性方程和动量方程,考虑井筒压力和气侵的相互耦合关系,结合气液两相流的流态在运移过程中的状态变化,建立了井筒多相流模型;采用有限差分法,对控制方程组进行求解,追踪多相流前沿。将井筒压力和气侵速率耦合后的模型和普通模型的计算结果进行对比,说明了耦合的必要性;在理论研究的基础上,模拟了高温高压气井溢流过程中气侵速率、环空气相体积分数、泥浆池增量和井底压力随钻井参数(排量、钻井液密度)和产层物性参数(渗透率、产层有效厚度)等的变化规律。模拟计算结果表明,井筒温度最高的点不在井底,而在井底附近的某一井深。随着循环时间不断延长,井底循环温度不断降低。在溢流发展过程中,气侵速率随钻井液循环时间的增加而增加;环空混相速率在向上运移的过程中不断增加,当气体循环至井口附近,环空混相速度会迅速增加,返出排量迅速增加,泥浆池增量随之增加;瞬态气侵与恒定气侵速率求解得出的计算结果存在较大差异;储层被钻开的厚度即使只增加很小的数值,气侵速率增加的幅度也很大。钻进过程中,若难以准确预测地层压力,在遇到渗透率较高或含气量较高的地层段时应控制钻速,为溢流的监测和控制留有足够的时间。本文建立的井筒多相流模型可用于预测溢流过程的井筒多相流流动规律,旨在为现场制定合理的溢流监测和控制方案提供理论依据。
【学位单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE319
【部分图文】：

?（２－２０）??式中：０为系统入口的能量；Ｆ为系统出口的能量；Ａｆ／为系统变化量。??图２－２为井筒与地层系统热交换示意图。??ＩＩ?Ｉ?一圍，＾??修ｆ??時ｆ…??ｉｔｔＭｔ??图２－２井筒与地层系统热交换示意图??如图２－２所示，钻井液在钻杆与环空循环的整个过程中，地层中的热量被带入环空??钻井液当中，环空钻井液与钻柱内钻井液也会通过流动以及以钻杆为介质发生热量交换，??即钻井液通过循环而带动的井筒和地层之间这个热量交换过程。在研究井筒温度场时，??一般钻井液循环过程分为以下阶段：①钻井液由地面经泥浆泵进入钻柱，沿钻柱通道向??井底循环；②钻井液在井底通过钻头喷射到井底，而后进入环空；③钻井液沿环空通道??向井口循环直到反出井口。对各个不同的钻井液循环和热量传递步骤，遵循能量守恒，??在研究井段取微元控制体

?Ｊ＾Ｘ?｜??￥?Ｅｋ￣ｉｉ??图２－３钻柱内传热模型??经过时间后，环空流体的热量传递给钻柱内流体的整个过程如图２－４所示。??地层?环空内流体钻柱外壁?钻柱内壁?钻柱内流体??图２－４径向方向能量传递示意图??根据能量守恒，在地层向钻杆内的整个传热过程中以上四部分传递的热量相等。??由（２－２１），（２－２２）?，?（２－２３）式可求得：??＾［Ｔａ（ｚ，ｔ）￣Ｔｐ（ｚ，ｔ）］Ａｔ??ｐ?ｐＨ?２?？??这里应用总传热系数为这一概念，描述钻柱外壁到钻柱内壁各部分介质总的传??热能力。其中，钻柱外壁向钻柱内壁传递的热量为：??Ｑａｐ?＝?Ｕ＾ｄｐｉ［Ｔａ（ｚ，ｔ）－Ｔｐ（ｚ，ｔ）］ＡｚＡｔ?（２－２５）??比较公式（２－２４）?，?（２－２５）可得：??！?－?１?

｜；２?及??—由环空流体传入钻柱内流体的热量，ｋＪ；??〇一钻柱外径，ｍｍ；??ｉ—钻柱内经，ｍｍ；??—钻柱外壁对流换热系数，Ｗ／（ｍ２?？?°Ｃ）；??一钻柱内壁对流换热系数，Ｗ／（ｍ２?？?°Ｃ）；??ｄｐ—钻柱导热系数，Ｗ／ｍ?？?°Ｃ；??—钻柱内钻井液比热系数，Ｊ／ｋｇ．?°Ｃ；??ｐ一钻柱内钻井液密度，ｋｇ／ｍ３；??环空钻井液温度，°Ｃ；??。一钻柱外壁温度，°Ｃ；??钻柱内壁温度，°Ｃ；??—钻柱内流体温度，°Ｃ。??模型方程??环空传热模型的示意图。??
【参考文献】

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本文编号：2863780