专利名称：基于钻井环空井筒多相流动计算的控压钻井方法
基于钻井环空井筒多相流动计算的控压钻井方法技术领域
本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及油气钻探井筒压力控制，特别是一种控制压力钻井方法。
背景技术：
随着油气勘探范围的不断扩大，钻井所遇到的地层条件越来越复杂，钻井工程中的井漏、卡钻、井壁坍塌井下复杂情况频繁发生，尤其是对于破裂压力和孔隙压力窗口较窄甚至漏喷同存的地层，井下事故的频繁发生使非生产时间大大增加，推高了钻井作业的成本。同时，三低(低电阻、低孔隙、低渗透)复杂油气藏成为资源接替的重要部分，这些油气藏低阻、低孔、低渗的特征使该类油气藏具有难于发现和评价的特点。因而，如何预防复杂地层中井漏、卡钻、井壁坍塌复杂情况的产生，安全高效的钻穿窄密度窗口的复杂地层，同时有效减小钻井过程中钻井液对储层的伤害，已经成为当今钻井行业的技术热点和提高经济效益的关键。另外，对于高含h2s、CO2气体的酸性气体地层，如何保证钻井安全一直是困扰钻井界的技术难题。高含H2SXO2的酸性气体在井筒中有特殊的相变规律和流动规律，酸性气体在井底深处处于超临界态，且在水基钻井液中具有很高的溶解度，使得酸性气体的侵入具有隐蔽性；但当酸性气体上升至井筒上部时，酸性气体会相变为气态，溶解在钻井液中的气体也会重新释放，高含酸性气体天然气的体积会出现剧烈膨胀，气体膨胀具有突发性。酸性气体气侵时的隐蔽性和突发性给井筒压力控制带来巨大的危害，而控制压力钻井通过实时施加井口回压可抑制酸性气体的突发膨胀，且控压钻井封闭的循环系统可以确保 H2S有毒气体不会扩散到大气之中。
控制压力钻井由于能够很好的满足复杂油气藏钻探的要求，得到了世界范围的大力发展和推广。目前控制压力钻井技术依赖于APWD(Annular Pressure While drilling)/PffD(Pressure While drilling)井底测量仪器来实时获取井底压力数值，根据此数值实时调整井口回压，达到控制压力钻井的目的。但APWD/PWD井下测量仪器的信号多依靠泥浆脉冲，在钻井液中混有气体时信号无法正常传至地面，控压钻进则无法正常进行。 同时，APWD/PWD井下测压仪器大都被少数技术服务公司垄断，只提供高价位服务不出售产品，在一定程度上制约了控制压力钻井技术的发展。发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法；通过钻井井筒多相流动计算方法来实时计算得到井底压力和所需井口回压来实现控制压力钻井，不依赖于APWD/PWD井底测量仪器来实时获取井底压力数值。
为实现上述目的，本发明所采用下述技术方案
一种基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于
(I)、获取钻井井筒多相流动计算的基本参数。根据钻井设计参数及实时的控压钻井钻进参数，获取计算所需的基本数据，其中钻井设计参数包括井身结构、钻具组合、地层数据、钻井液中的气相和液相排量、钻井液密度、钻井液粘度、井深、井斜角、方位角；实时的控压钻井钻进参数包括当前钻头深度、当前时刻井口回压。
(2)、确定井筒环空内流体的种类。根据注入钻井液中液相或气相，储层内产出流体油、烃类气体、水、酸性气体,确定井筒环空内流体组分的种类。
(3)、考虑多相多组分复杂流动因素，建立井筒环空内的多相流动控制方程组。针对环空内流动介质的不同，分别建立注入气、液,地层产出油、水、烃类气体、酸性气体的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程；为了使控制方程封闭还需建立辅助方程，主要包括流体的状态方程、酸性气体的溶解度方程、流体超临界态判断方程、沿程摩阻损失方程、 地层温度场方程、气相及固相的滑脱方程、流型判断方程、环空流道的几何方程。
(4)结合控制压力钻井不同工况下的工艺过程，得到环空多相流动控制方程组的定解条件。
(5)将多相流动计算的时间和空间域进行有限差分网格划分。其中，空间域为整个井筒环空，时间域为实施控压钻井的整个过程；本发明根据气体上升速度动态选用空间网格长度，网格在井的下部长，上部短。
(6)将多相流动控制方程进行数值化离散。本发明采用四点差分格式进行离散，离散的方程主要包括各相的连续性方程、动量方程以及能量方程。
(7)求解控制压力钻井所需的井口回压。运用有限差分算法对多相流动控制方程组进行数值求解，得到控制压力钻井所需的井口回压。
(8)基于计算的井口回压值，调节井口节流阀，实现控压钻进。
本发明具有以下显著效果
(I)、本发明所述的方法进行控制压力钻井，可以在钻井液含气APWD/PWD井底测量仪器信号无法正常传输的情况下，继续进行控制压力钻井；
(2)、本发明所述的方法可以在无APWD/PWD井底测量仪器情况下进行控压钻井， 节省APWD/PWD井底测量仪器的使用费用，减少钻井成本；
(3)、由于本方法考虑了天然气中酸性组分的超临界态及溶解特性，使得该方法可以应用于高含酸性气体地层的控压钻井过程；
(4)、本方法考虑井筒内多组分多相复杂流动情况，更符合控制压力钻井井筒内的实际流动过程，计算精度高，误差小，提高了控制压力钻井的控制精度，扩大了控制压力钻井的应用范围。
说明书附图
图I为基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法的流程示意图2环空多相流动计算空间时间域有限差分网格划分示意图3控制压力钻井η时刻井筒内多相流动参数求解步骤示意图4控制压力钻井η+1时刻所需井口回压值求解步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方案进行具体描述。图I为本发明的基于钻井井筒环空多相流动计算的控制压力钻井方法的流程示意图，基于钻井井筒环空多相流动计算的控制压力钻井方法包括如下主要步骤
I、获取钻井井筒多相流动计算的基本参数
根据钻井设计参数及实时的控压钻井钻进参数，获取计算所需的基本数据，其中钻井设计参数包括井身结构、钻具组合、地层数据、钻井液中的气相和液相排量、钻井液密度、钻井液粘度、井深、井斜角、方位角；实时的控压钻井钻进参数包括当前钻头深度、当前时刻井口回压。
2、确定井筒环空内流体的种类
本实施方案中考虑控压钻井中比较复杂的情况，注入的钻井液为气液两相混合流体，储层内产出流体为油、水、烃类气体、酸性气体，其中酸性气体为二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)。因此，井筒环空内的流体种类为8种，分别为注入气、注入液、岩屑、油、水、烃类气体、C02&H2S。
3、考虑多相多组分复杂流动因素，建立井筒环空内的多相流动控制方程组
考虑注入的气、液，井底处产生的岩屑，地层内产出的油、气、水，以及油/气间的相变，高含酸性气体深井中的超临界态流动，在水基钻井液中的溶解和析出多相多组分流动，相间的滑脱，地层渗流与井筒多相流动的耦合因素的基础上，建立井筒环空内多相流动体系的控制方程组，包括各相的连续性方程、动量方程、能量方程以及辅助方程。
针对井筒环空内的一维多相流动，算法模块调用相关参数，建立各相的连续性方程、动量方程及能量方程。相关参数包括环空截面积A，注入气相排量qpg，注入钻井液相排量qm，地层产出烃类气量qg，地层产出H2S气量qss，地层产出CO2气量qs。，地层产出油量 q。，烃类气体的溶解量q,g，H2S的溶解量q,s，CO2的溶解量q,。，烃类气体的析出量x,g，H2S的析出量Xre，CO2的析出量Xrc，地层产出水量qw,井底岩屑产出量q。,溶解气油比Rs,原油体积分数B。，地层产出烃类气体在标况下的密度Pgs，沿井筒方向的长度S，井斜角α，烃类气体相体积分数Eg，H2S体积分数Ess，CO2体积分数Es。，烃类气体溶解相体积分数Ev H2S溶解相体积分数Ere，CO2溶解相体积分数Em，岩屑体积分数E。，钻井液相的体积分数Eni,注入气相的体积分数Epg，地层产出油的体积分数E。，地层产出水的体积分数Ew，烃类气体相的速度 Vg, H2S的速度Nss, CO2的速度Vs。，烃类气体溶解相的速度Nrg, H2S溶解相的速度V,s，CO2溶解相的速度I。，岩屑的速度V。，钻井液相的速度Vm，注入气相的速度Vpg，地层产出油的速度 V。，地层产出水的速度Vw，烃类气体相的密度P g，H2S的密度P g，CO2的密度P s。，烃类气体溶解相的密度Pv H2S溶解相的密度P ，CO2溶解相的密度Pm，岩屑的密度P。，钻井液相的密度Pni，注入气相的密度Ppg，地层产出油的密度P。，地层产出水的密度Pw，摩阻压降f；,环空压力P,气相混合密度P ga,气体总体积分数Ega，混合气体的定压比热Cga，液相密度P :，液相体积分数E1，液相定压比热C1，混合气体的质量流量Wga，套管外径r。。，环空内流体的温度Ta，地层导热系数ke，井筒内总的传热系数Ua，瞬态导热函数TD，地层内温度T#钻柱内流体温度Tt，钻柱内径rti。
(I)、连续性方程
注入钻井液中的气相
^PmEpzA) + -(PpsEpgVpgA) = qpg
注入钻井液中的液相
去(AEmPm)+ ^(AEmPtnVJ = qm at as
地层产出烃类气体相
^ΡΛΑ + ARsPbSsE° ) + ^ipiEsVgA + ARsP^-SV° ) = qg -qrg+xrg
地层产出油相r d,…ARsp E。 a ,Λ ARsp E0V0
—i PaEaA---1~) +—Cp0E0V0A--f-) = q0atB0 dsB0
地层产出H2S酸性气体相
—(pssEssA) + -CpssEssVssA) = qss -qrs +x OtOS
地层产出CO2酸性气体相
-CpscEicA) + -^psaExVscA) = qsc -qrc + XreatOS
地层产出烃类气体溶解相
^{ρτζΕτ%Α) +Ag W = qrg - xrg
地层产出H2S酸性气体溶解相QQ
— (PtsEtsA) + — (PisEtsVrsA) = qrs - Xrj
地层产出CO2酸性气体溶解相
S(PJEkA) + I(PrcEicVrcA) = qrc - XrcOtOS
岩屑相
^-(AEcPc)+ -^-(AEcPcVc) = qc atas
地层产出水相
— (AEwpw ) + — (AEwpwVw ) = qw atas
总的体积分数
Erg+Ers+Erc+Eg+Ess+Esc+Em+Ec = I
(2)、动量方程
— (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
权利要求
1.一种基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于，步骤如下(1)、获取钻井井筒多相流动计算的基本参数；(2)、确定井筒环空内流体的种类；(3)、考虑多相多组分复杂流动因素，建立井筒环空内的多相流动控制方程组；(4)、结合控制压力钻井不同工况下的工艺过程，建立多相流动控制方程组的定解条件；(5)、将多相流动计算的时间和空间域进行网格划分；(6)、将多相流动控制方程进行数值化离散；(7)、求解控制压力钻井所需的井口回压；(8)、基于计算的井口回压值，调节井口节流阀，实现控压钻进。
2.根据权利要求I所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述的钻井井筒多相流动计算的基本参数包括井身结构、钻具组合、钻头深度、地层数据、井斜角、方位角、注入钻井液中气相和液相的排量、钻井液密度、钻井液粘度、当前时刻井口回压。
3.根据权利要求1-2所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述的井筒环空内流体的种类包括注入钻井液中的气、液相，井底处产生的岩屑， 地层内产出的油、气、水，以及油在运移过程中的相变气，天然气中的酸性组分。
4.根据权利要求1-3所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述的考虑多相多组分复杂流动因素是指注入钻井液中的气、液相，井底处产生的岩屑，地层内产出的油、气、水，以及油/气间的相变，高含酸性气体深井中的超临界态流动及酸性气体在水基钻井液中的溶解和析出，相间的滑脱，地层渗流与井筒多相流动的耦合。
5.根据权利要求1-4所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述的建立井筒环空内的多相流动控制方程组包括环空内流体中各相的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及辅助方程。
6.根据权利要求1-5所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述的控制压力钻井不同工况包括控压钻进工况、起/下钻工况、接单根工况；所述的多相流动控制方程组的定解条件包括井筒压力场及温度场求解的初始条件和边界条件。
7.根据权利要求1-6所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述天然气中的酸性组分包括硫化氢和二氧化碳；所建立的辅助方程包括流体状态方程、酸性气体的溶解度方程、超临界态判断方程、地层产出方程、流型判别方程、滑脱速度方程、地层温度场方程；所述的井筒内多相流动参数包括井筒内不同位置处的环空压力、温度、各相的体积分数、各相的速度。
8.根据权利要求1-7所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述的将多相流动计算的时间和空间域进行网格划分指的是将整个井筒环空作为空间域，将实施控压钻井的整个过程作为时间域；根据气体上升速度动态选用空间网格长度，空间网格在井筒底部疏，在井筒上部密；时间步长同样米用非均勻格式，根据气体上升速度以及该处空间网格长度确定时间步长。
9.根据权利要求1-8所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述的将多相流动控制方程进行数值化离散是指采用四点差分格式对连续性方程、动量方程及能量方程进行离散，得到多相流动控制方程组有限差分的离散形式。
10.根据权利要求1-9所述的基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于所述的求解控制压力钻井所需的井口回压的步骤包括(1)、通过井口回压的测量设备读取控制压力钻井过程当前刻的井口回压；(2)、根据当前时刻的井口回压值，计算当前时刻井筒内多相流动参数，作为下一时刻井口回压计算的初始条件；(3)、根据控制压力钻井对井底压力的要求，计算下一时刻井底压力的标准值；(4)、以当前时刻计算的井筒多相流动参数为初始条件，根据下一时刻井底压力的标准值，计算下一时刻所需的井口回压值。
全文摘要
本发明涉及一种基于钻井环空井筒多相流动计算的控压钻井方法；具体步骤如下获取钻井井筒多相流动计算的基本参数；确定井筒环空内流体的种类；考虑多相多组分复杂流动因素，建立井筒环空内的多相流动控制方程组；结合控制压力钻井不同工况下的工艺过程，建立多相流动控制方程组的定解条件；将多相流动计算的时间和空间域进行网格划分；将多相流动控制方程进行数值化离散；求解控制压力钻井所需的井口回压；基于计算的井口回压值，调节井口节流阀，实现控压钻进。本发明可以在钻井液含气的情况下继续进行控制压力钻井；可以应用于高含酸性气体地层的控压钻井过程；计算精度高，误差小，提高了控制压力钻井的控制精度，扩大了应用范围。
文档编号E21B44/00GK102943620SQ20121030553
公开日2013年2月27日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者孙宝江, 王志远, 马金山, 周翔, 马英文, 丁晓洁 申请人:中国石油大学(华东), 中国石油集团渤海钻探工程有限公司, 金湖奥尔机械有限公司, 中海石油(中国)有限公司天津分公司