深水油气钻探井筒多相流动与井控的研究

摘要

深水油气钻探过程中的井控工艺技术是深水油气钻探的核心技术之一。井筒多相流动规律是井控理论重要组成部分。由于深水井筒温度场复杂，易形成天然气水合物，使得目前的多相流动模型无法满足工程计算的要求。研究深水油气钻探井筒中的多相流动问题很有必要，对深海油气钻探开发技术具有重要的意义。 本文通过对海水温度数据回归分析，得到了中国南海海水温度场随深度的分布规律。在传热学、热力学基本理论的基础上，通过理论推导，得到了井筒温度场在循环及停止循环条件下的温度场理论公式。计算结果表明，循环钻进期间，为了使隔水管内的温度不能太低，应保证隔水管的保温层完好，并尽量增大循环排量。停止循环时，随着关井时间的增加，井筒内流体温度逐渐接近外界环境温度。 通过实验与数据分析，得到了水合物分解时在不同温度及压力条件下的气体生成量随时间的变化，得到了水合物分解速度模型。 考虑油气和水合物相变、岩屑以及地层产出等参数的影响，针对井筒、隔水管及节流管线，建立了正常钻进、井涌、关井、压井条件下的多相流动控制方程组，方程组主要由各相连续性方程、动量方程以及能量方程组成。并用数值方法对方程组进行了求解。考虑粗糙度的影响，通过实验，修正了环空气液两相流在泡状流和段塞流流型条件下的摩阻系数及其摩擦压降计算公式，给出了不同流型条件下，井筒、隔水管及节流管线的沿程流动阻力计算方法。对建立的方程组进行求解，能够对深水钻井时从发生井涌到压井完成进行全过程模拟，可以得到井控过程的如下参数：环空井筒及节流管线内任意一点任意时刻的温度、压力、各相体积分数分布、流动速度，从井涌开始的地层流体产量，从井涌直到压井结束过程中的立压、套压值，压耗等。 编制了深水井控软件，软件综合考虑了深水井控的特征，突出深水特点，建立了适合深水井涌及压井的流动控制方程和计算模块，设计模块包括：井涌模拟、压井模拟、水合物生成预测、水合物生成区域预测等。 利用所编制的深水井控软件对模拟深水井进行计算，分析了井筒气相体积分数及井控参数随溢流时间的变化规律，讨论了地层渗透率、地层与井底初始压差、节流管线尺寸、水深以及水合物生成与分解对井控水力参数的影响。结果表明，溢流时间越长、地层渗透率越大、地层与井底初始压差越大，则泥浆池增量越大，井底压力降低越明显，压井过程中需要节流压力的调整越灵敏，井控难度越大；循环摩阻同节流管线长度成正比，而节流管线内径减小，循环摩阻值迅速增加；如果循环摩阻值太大，采用常规压井方法无法有效压井，可采用动力压井法、附加流速法等适合深水的压井方法；水合物生成与分解对井筒及节流管线的流动有影响,尤其对已存在的较多水合物采取措施促使其分解时，对节流管线内的气相体积分数影响很大，进而影响压力分布及节流压力的调节。

目录

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声明

创新点摘要

第一章 绪论

1.1本文的研究目的及意义

1.2多相流基本流动模型研究进展

1.3深水井控多相流动模型研究进展

1.4井筒温度预测的国内外现状

1.5存在的问题

1.6本文的主要研究内容

1.7小结

第二章 深水钻井井筒温度场

2.1海水温度场

2.2井筒温度场

2.2.1钻井循环期间

2.2.2关井期间(停止循环期间)

2.2.3溢流及压井多相非稳定流动期间

2.3具体算例

2.4小结

第三章 井筒中水合物生成与分解条件及规律

3.1相平衡条件

3.2天然气水合物生成速度确定

3.3天然气水合物分解速度确定

3.3.1热分解模型

3.3.2降压模型

3.4水合物相变及生成与分解量的实验研究

3.4.1实验装置

3.4.2实验方法

3.4.3实验过程

3.4.4实验结果分析

3.5小结

第四章 井筒多相流动控制方程组及其求解

4.1正常钻进期间

4.2井涌期间

4.2.1连续性方程

4.2.2动量方程

4.3关井期间

4.3.1连续性方程

4.3.2动量方程

4.4压井期间

4.4.1连续性方程

4.4.2动量方程

4.5能量方程

4.6辅助方程

4.6.1速度方程

4.6.2流体PVT方程

4.6.3几何方程

4.6.4体积分数方程式

4.6.5沿程摩阻损失

4.6.6流体粘度方程式

4.6.7质量流量方程式

4.7钻柱内流动模型

4.7.1连续性方程

4.7.2运动方程

4.8方程组的求解

4.8.1温度场的定解条件

4.8.2压力及流动参数的定解条件

4.8.3求解过程

4.8.4计算机算法

4.9小结

第五章 深水井筒多相流动规律及井控参数分析

5.1井控水力参量随溢流时间的变化

5.1.1泥浆池增量

5.1.2井底压力

5.1.3气体体积分数

5.1.4关井套压

5.1.5压井时节流压力

5.2地层渗透率对井控水力参量的影响

5.2.1泥浆池增量

5.2.2井底压力

5.2.3气体体积分数

5.2.4关井套压

5.2.5压井时节流压力

5.3地层与井底初始压差对井控水力参量的影响

5.3.1泥浆池增量

5.3.2溢流结束时的井底压力

5.3.3气体体积分数

5.3.4关井套压

5.3.5压井时节流压力

5.4水深及节流管线尺寸对井控水力参量的影响

5.4.1循环摩阻

5.4.2压井时节流压力

5.5水合物生成与分解对气体体积分数的影响规律

5.6小结

第六章 深水井控软件及其应用

6.1软件简介

6.1.1核心模块

6.1.2编程语言

6.2软件编制及功能

6.2.1理论基础

6.2.2软件的主要构成

6.2.3软件主要功能

6.3软件计算实例

6.3.1算例1—QX-1井溢流及压井计算模拟实例

6.3.2算例2—渤海某井溢流模拟计算实例

6.3.3算例3—某深水井溢流及压井计算模拟算例

6.4小结

结论

总结论

建议

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

攻读博士学位期间取得的学术成果

攻读博士学位期间参与的主要科研项目

致谢

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