超深井高温高压井筒复杂流动压力演变规律研究.pdf

1958西南石油大学学报（自然科学版）2023 年 8 月 第 45 卷 第 4 期Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition）Vol.45 No.4 Aug.2023DOI：10.11885/j.issn.1674 5086.2022.09.17.01文章编号：1674 5086（2023）04 0111 10中图分类号：TE21文献标志码：A超深井高温高压井筒复杂流动压力演变规律研究邓 虎*，唐 贵，张 林川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川 广汉 618300摘要：超深井钻井过程中，因其高温、高压、高应力及复杂的地层环境，极易发生气侵。若发现不及时，井底压力将持续降低，气侵随之加剧，如此恶性循环，增大井控风险。超深井井筒压力控制的关键技术在于研究复杂多相流流动规律，但目前的研究还不够深入。因此，针对超深井井筒流体高温、高压流变特性展开研究，基于漂移流模型建立了一套超深井全井筒复杂流动数学模型，进行了求解，并以 ST8 井为例，针对单溢流和溢漏同存进行了模型验证和压力演变规律因素分析。研究结果表明，该模型计算出的立压和套压数据与现场作业测得的数据基本吻合，计算精度较高，可用于描述复杂流动压力演变规律。在相同工况条件下，溢漏同存的压力下降比单溢流下降幅度更大，后果更为严重。此外，密度和排量对井底压力都有影响，其中，密度主要影响静液柱压力，排量主要影响流动摩阻。关键词：高温；高压；超深井；复杂流动；压力演变规律A Study on Evolution Law of Complex Flow Pressure in Ultra-deepWells with High Temperature and High PressureDENG Hu*,TANG Gui,ZHANG LinDrilling&Production Technology Research Institute,CCDC,Guanghan,Sichuan 618300,ChinaAbstract:Due to the high temperature,high pressure,high stress and complex formation environment during the drilling ofultra-deep wells,gas invasion is prone to occur.If not discovered in time,the bottom hole pressure will continue to decrease,and gas invasion will intensify,leading to a vicious circle that increases the risk of well control.The key technology of wellborepressure control lies in the study of complex multiphase flow laws in ultra-deep wells,but the current research is not deepenough.This study focuses on the high-temperature and high-pressure rheological characteristics of the fluids in the ultra-deepwellbore,and establishes a complex mathematical model of the full wellbore flow based on the drift flux model.The modelis solved,verified and analyzed using the example of Well ST8 for pure overflow and simultaneous overflow and leakage.Research results show that the calculated standpipe pressure and casing pressure from this model are basically consistent withthe field operation data,and the calculation accuracy is high,which can be used to describe the evolution law of complex flowpressure.Under the same working conditions,the pressure drop of the coexisting overflow is higher than that of the overflowcondition,and the consequences are more serious.Both density and flow rate have an effect on the bottom hole pressure,inwhich the density mainly affects the hydrostatic column pressure,and the displacement mainly affects the flow friction.Keywords:high temperature;high pressure;ultra-deep well;complex flow;pressure evolution law网络出版地址：http：/ 虎，唐 贵，张 林.超深井高温高压井筒复杂流动压力演变规律研究J.西南石油大学学报（自然科学版），2023，45（4）：111 120.DENG Hu,TANG Gui,ZHANG Lin.A Study on Evolution Law of Complex Flow Pressure in Ultra-deep Wells with High Temperature and HighPressureJ.Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2023,45(4):111120.*收稿日期：2022 09 17网络出版时间：2023 07 03通信作者：邓 虎，E-mail：基金项目：四川省重点研发项目（2023YFS0358）；中国石油 西南石油大学创新联合体科技合作项目（2020CX040103）；川庆钻探 西南石油大学联合研究院项目（CQXN202205）112西南石油大学学报（自然科学版）2023 年引言开展超深井钻探作业时，井筒内流体状态是影响机械钻速快慢、钻井作业成败和钻井成本控制的关键。超深地层的高温使得井筒内流体性能难以保证，而高压使得井底压力控制更加困难，若控制不当就会造成气侵发生。超深井早期气侵监测非常困难1，当井口监测到气侵时，井底已连续侵入较多流体，井底压力持续降低，地层流体侵入井筒逐步加剧，如此恶性循环，增大了井控风险。因此，研究高温高压井筒复杂流动压力演变规律对超深井钻探作业的风险控制有十分重要的意义。井筒瞬态多相流动规律及控制一直是油气勘探开发过程中的研究焦点之一。近年来，随着钻探井深的不断增加，又有了一些重要的研究成果。2015年，Meng 等基于 Shi 漂移模型建立了环空两相流瞬态预测模型，在考虑井筒温度的情况下，建立了储层 井筒耦合瞬态多相流流动模型2 3。2017年，Yin 等提出了油基钻井液在深水钻井作业时，发生气侵条件下的井筒环空多相流动瞬态模型4。2018 年，Sun 等建立了考虑地层酸性气体侵入井筒后的相变及溶解的井筒多相流模型，并给出了此类多相流的流动摩阻系数计算方法5。同年，You 等建立了井筒蒸汽多相流动数学模型，并用于稠油注采时的井筒温度预测6。2019 年 Fang 等考虑了地层渗流与井口控制，建立了地层 井筒 井口耦合的多相流瞬态流动精细模型，有效地分析了控压钻井过程中井筒瞬态流动特征，揭示了复杂多相流流动变化规律7。2022 年，Liao 等建立了包含水合物相变的气 液 固多相四组分井筒多相流动模型，为水合物储层中水平井钻井的井筒压力控制提供了理论及技术支持8。目前的研究虽然从不同角度研究了井筒多相流的流动规律，但对于超深井的流动动态研究较少。超深井在高温高压作用下，气侵溢流时的两相流流动机理更为复杂，早期预警更为困难，若未及时采取有效措施，可能会造成严重后果。在前人的研究基础上，针对超深井高温高压井筒复杂流动特性，建立了一套超深井井筒地层 井筒耦合瞬态流动数学模型，基于 AUSMV 格式的高精度数值求解方法进行求解，并利用现场案例分析了超深井高温高压井筒复杂流体压力瞬态演变规律，为超深井钻井过程中的井筒压力剖面预测提供了理论依据。1 高温高压井筒复杂多相流动模型1.1 气液两相流动的物理模型1.1.1 物理模型概述钻井过程中的井内水力学体系物理模型如图 1所示。该体系包含两个流域9：1）井口至钻头底端的钻杆内圆管流域，通常是钻井液单相流动，对于充气钻井而言则是气液两相流动；2）钻头底端至井口的环空流域，气侵时为气液两相流动。井筒内可视为由不同截面积的流道串联而成，流道之间存在突变连接点。!#$!%&图 1超深井钻井井内水力学体系物理模型Fig.1Physical model of hydraulic system in ultra-deep well drilling1.1.2 基本假设为降低超深井井筒气液两相瞬态流动问题求解的难度，在流动模型建立之前特作出如下假设：1）将井筒中的钻井液、气体、岩屑多相流视为一维均质流动。2）将井壁、套管及钻柱视为刚体。3）不考虑钻柱的偏心。4）不考虑钻井液流动过程中温度的瞬态变化，也不考虑侵入流体在井筒中可能发生的相变。1.2 环空气液两相流动数学模型基于以上的物理模型和基本假设，考虑气液两相间滑脱效应，建立超深井一维环空气液两相瞬态流动的控制方程ggt+ggugx=0llt+llulx=0ggug+llult+ggu2g+llu2lx+px=mgsin 2fmmum|um|D d(1)第 4 期邓 虎，等：超深井高温高压井筒复杂流动压力演变规律研究113为使方程封闭，引入气液两相间的漂移关系式ug=C0um+ud(2)由式（2）可知，确定气相漂移速度 ud和气相分布系数 C0之后即可确定气相的真实速度。对于传统的气液两相流计算，需划分气液两相流动流型，依赖于实验数据分析得到的经验系数 C0，通用性不足。而漂移模型10计算结果连续，精度较高，经多次计算验证符合本文计算特征，故本文选用此模型。此模型中需增加的辅助方程C0=Cmax1+(Cmax 1)2(3)=B1 B,0 6 6 1(4)B=2/Cmax 1.0667(5)=max(g,Fug|um|usgf)(6)usgf=ucKu(lg)(7)uc=glg(l g)2l0.25(8)Ku=CkuNB1+NBC2kuCkw0.5(9)NB=g(l g)gl(da dpo)2(10)对于超深井，流动摩阻与井深直接相关。为此，需选择合理的流动摩阻系数求解模型。本文选用基于混相流动的雷诺数摩阻模型11fm=16Rem,Rem6 240014lg/(D d)3.70655.0452Remlg2,Rem 2400(11)Rem=mum(D d)m(12)m=gg+ll(13)=/(D d)1.10882.8257+(7.149Rem)0.8981(14)计算地层气侵速率可采用非稳态储层气体渗流模型p2R p2wf=aQgp+bQ2gpa=