1、第 卷 第期 年月常州大学学报（自然科学版）（）：气侵条件下深水变梯度控压钻井泥浆池增量变化规律王江帅，李牧，翟文宝，何岩峰，邓嵩（常州大学 石油与天然气工程学院，江苏 常州 ；中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 ；油气钻完井技术国家工程研究中心，北京 ）摘要：泥浆池增量是钻井过程中现场工程师重点关注的参数之一，可以用来辅助判断井涌类型、井涌量等相关参数。为准确了解深水变梯度控压钻井泥浆池增量变化规律，采用井筒气液两相变质量流动模型，分析了使用不同气侵监测方法时，基于井底恒压的井筒压力控制过程中泥浆池增量的变化，并探讨了不同因素对泥浆池增量的影响。研究发现，气侵初期的泥浆池增量增长较为缓
2、慢，使用气侵监测新方法可以在泥浆池增量达到预警值之前发现气侵，新方法要优于泥浆池增量法。越早发现气侵，越有利于缩短泥浆池增量快速增长的时间，最终的泥浆池增量越小。其他条件不变时，分离器与钻头间距越小、轻重质钻井液密度差越大、地层压力越大、循环排量越小，气体完全被排出井筒后的泥浆池增量越大。关键词：深水钻井；变梯度控压钻井；井筒压力控制；气侵监测；泥浆池增量中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，收稿日期：。基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（）；江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究面上资助项目（）；常州大学科研启动基金资助项目（）。作者简介：王江帅（），男，陕西兴平人，
3、博士，讲师。：引用本文：王江帅，李牧，翟文宝，等气侵条件下深水变梯度控压钻井泥浆池增量变化规律常州大学学报（自然科学版），（）：常州大学学报（自然科学版）第 卷 ，：；中国深水油气资源极为丰富，是油气资源勘探开发的主战场。但由于特殊的地质构造和成藏环境，导致深水地层安全密度窗口窄，钻井过程中气侵、溢流等井下复杂状况频繁发生，给深水安全高效钻井带来了极大挑战。为此，高德利等、王江帅等 、杨宏伟等 从优化井筒压力剖面入手，提出了基于井下分离的深水变梯度控压钻井新方法。针对该钻井新方法，等 研究了气侵发生后变梯度井筒温度和压力的变化规律。课题组 研究了气侵工况下变梯度控压钻井环空出口流量的变化规律，
4、并提出了基于环空出口流量二次突增的早期气侵监测新方法，为更早地发现气侵提供了一种新思路。然而，变梯度控压钻井作为一种新型的控压钻井技术，在处理气侵方面的能力和优势有待进一步明确。在深水钻井中，泥浆池增量是非常重要的参数，工程上常常根据泥浆池增量、关井立压、套压等估计井涌的类型、井涌量等相关参数 。文章采用井筒气液两相变质量流动模型，分析了泥浆池增量法和气侵监测新方法下，基于井底恒压的井筒压力控制过程中泥浆池增量的变化，并探讨了不同因素对泥浆池增量的影响，以期准确掌握气侵工况条件下变梯度控压钻井泥浆池增量的变化规律。井筒气液两相变质量流动模型气侵发生后，变梯度控压钻井井筒内呈现出气液两相流动状态
5、，文章采用经典的基于漂移流的气液两相流动模型，描述变梯度控压钻井井筒多相流行为。同时，考虑变梯度控压钻井井筒流体分布的特殊性（分离器位置处液相密度突变）以及气侵过程中因井底压力变化导致的气侵量变化。气液两相流模型气相质量守恒方程为（）（）（）液相质量守恒方程为（）（）（）气液两相动量守恒方程为（）（）（）（）（）第期王江帅，等：气侵条件下深水变梯度控压钻井泥浆池增量变化规律式中：为时间，；为轴向位移，；为环空流道面积，；和分别为气相、液相的密度，；和分别为气相、液相的体积分数；和分别为气相、液相的实际流速，；为单位厚度气体侵入速度，（）；为重力加速度，取 ；为井眼方向与水平方向的夹角，（）；为
6、压力，；为流动压耗，。环空钻井液密度分布模型变梯度控压钻井井筒流体分布具有自身的特殊性，在分离器位置以上，井筒内为轻质钻井液，分离器位置以下为重质钻井液。用数学模型表示为 （）式中：为轻质钻井液密度，；为重质钻井液密度，；为总井深，；为井筒任意点深度，；为分离器与钻头间距，。图模型求解计算流程图 地层气体渗流模型气侵发生后，气体由地层涌入井筒的过程符合非达西渗流，因此该过程中的气侵量为 （）（）式中：为 地 层 压 力，；为 井 底 流 压，；为紊流系数；为气体的相对密度；为地层温度，；为地层温度压力条件下的气体压缩因子；为底部井筒半径，；为打开储层的厚 度，；为 标 准 状 况 下 的 气
7、体 体 积 流 量，；为气体的黏度，；为地层渗透率，；为气藏供给半径，；为表皮系数。模型求解针对上述建立的井筒气液两相变质量流动模型，采用有限差分法和气液界面追踪法迭代求解，有限差分格式见文献 。该模型是进行气侵时变梯度控压钻井井筒压力控制模拟的，因此，当气体前沿运移到井口以后，计算过程中需要实时追踪气体后沿，直至气体完全排出，具体计算步骤如图所示。实例分析 不同气侵监测方法下泥浆池增量变化规律通过数值模拟，分析了泥浆池增量法和气侵监常州大学学报（自然科学版）第 卷测新方法下，基于井底恒压的井筒压力控制过程中泥浆池增量的变化。模拟井的井深为 ，水深为 ，套管鞋深度为 ，隔水管内径为 ，套管内径
8、为 ，钻杆外径为 ，钻杆内径为 ，钻头直径为 ，分离器与钻头间距为 ，轻质钻井液密度为 ，重质钻井液密度为 ，轻质钻井液黏度为 ，重质钻井液黏度为 ，钻 井液 循环排 量为，初始 时 刻 井 口 回 压 为 ，地 层 压 力 为 。需要说明的是，文章在使用泥浆池增量法时泥浆池增量的预警值设定为。图使用泥浆池增量监测方法时泥浆池增量随时间的变化 图为使用泥浆池增量法时基于井底恒压的井筒压力控制全过程中泥浆池增量随时间的变化。可以看出，在气体前沿到达分离器位置之前的阶段（），侵入井筒的气体在井底高压环境下不易发生膨胀，泥浆池增量较为缓慢。时，由于气体已经到达分离器位置，气体开始持续经历液相密度突变
9、过程，液相密度的突然降低使得气体滑脱速度增大，从而导致环空出口流量发生突增，因此泥浆池增量的增长速度变快。时，泥浆池增量达到预警值（），气侵被发现，此时采取控制措施使得井底压力微过平衡且保持恒定，井底气侵停止。时，气体后沿到达分离器位置，此后不再经历液相密度突变的过程。在 时间段，由于气体持续经历液相密度突变的过程，该时间段内泥浆池增量的增加速度明显高于气体前沿到达分离器位置之前的阶段。在 时间段，随着气体向井口运移，环空压力减小，气体发生快速膨胀，从而导致泥浆池增量的增速逐渐增大。此后的气体排出井筒阶段（），由于气体逐渐向外排出，泥浆池增量的增速逐渐减小，气体完全被排出后，泥浆池增量达到最大
10、值 。图使用气侵监测新方法时泥浆池增量随时间 的变化 图为使用气侵监测新方法时，基于井底恒压的井筒压力控制全过程中泥浆池增量随时间的变化曲线。可以看出，在气体前沿尚未到达分离器位置的时间段内，泥浆池增速较为缓慢。时，气体前沿到达分离器位置，虽然此时的泥浆池增量尚未达到，但是环空出口流量发生了二次突增，使用气侵监测新方法可以发现气侵已经发生。在 时间段，由于气体已经到达分离器位置，气体开始持续经历液相密度突变过程，泥浆池增量的增长速度变快。在 时间段，气体上升过程中受到的压力减小，气体发生快速膨胀，泥浆池增量的增速逐渐增大。此后的气体排出井筒阶段（），由于气体逐渐向外排出，泥浆池增量的增速逐渐减
11、小，气体完全被排出后，泥浆池增量达到最大值 。综合对比图和图可以发现，气侵初期的泥浆池增量增长较为缓慢，使用气侵监测新方法可以在泥浆池增量达到预警值之前发现气侵，新方法要优于泥浆池增量法。越早发现气侵，越有利于缩短第期王江帅，等：气侵条件下深水变梯度控压钻井泥浆池增量变化规律泥浆池增量的增长时间，即气体持续经历液相密度突变的时间，最终的泥浆池增量越小。不同因素对泥浆池增量的影响使用气侵监测新方法，分析了分离器位置、轻重质钻井液密度差、地层压力、循环排量等因素对泥浆池增量的影响。分离器位置图不同分离器位置条件下泥浆池增量随时间 的变化 图不同轻重质钻井液密度差条件下泥浆池增量随时间的变化 图为种
12、不同的分离器与钻头间距条件下泥浆池增量随时间的变化曲线。可以看出，分离器与钻头间距越大，排气过程中泥浆池增量的增长速度越慢，泥浆池增量越小。出现此现象的原因为分离器与钻头间距增加，井底压力增大，气侵速率变小，从而导致泥浆池增量减小。轻重质钻井液密度差图为种不同的轻重质钻井液密度差条件下泥浆池增量随时间的变化曲线。可以看出，轻重质钻井液密度差越大，排气过程中泥浆池增量的增长速度越快，泥浆池增量越大。出现此现象的原因为钻井液密度差增大，井底压力减小，气侵速率变大，从而导致泥浆池增量增大。地层压力图为种不同的地层压力条件下泥浆池增量随时间的变化曲线。可以看出，地层压力越大，排气过程中泥浆池增量的增长
13、速度越快，泥浆池增量越大。出现此现象的原因为地层压力增大，井底压差增大，气侵速率变大，从而导致泥浆池增量增大。循环排量图为种不同的循环排量条件下泥浆池增量随时间的变化。可以看出，循环排量越大，泥浆池增量越小。出现此现象的原因为循环排量增加，井底压力增大，气侵速率变小，从而导致泥浆池增量减小。图不同地层压力条件下泥浆池增量随时间的变化 图不同循环排量条件下泥浆池增量随时间的变化 常州大学学报（自然科学版）第 卷结论气侵初期的泥浆池增量增长较为缓慢，使用气侵监测新方法可以在泥浆池增量达到预警值之前发现气侵，新方法要优于泥浆池增量法。越早发现气侵，越有利于缩短泥浆池增量快速增长的时间，最终的泥浆池增
14、量越小。其他条件不变时，分离器与钻头间距越小、轻重质钻井液密度差越大、地层压力越大、循环排量越小，气体完全被排出井筒后的泥浆池增量越大。参考文献：张功成，屈红军，张凤廉，等全球深水油气重大新发现及启示石油学报，（）：，高永海，陈野，孟文波，等深水气井测试水合物临界沉积粒径及敏感因素中国石油大学学报（自然科学版），（）：王江帅，李军，柳贡慧，等循环钻进过程中井筒温度场新模型断块油气田，（）：袁惠新，莫倪旭，付双成，等旋流泡罩流体力学性能研究常州大学学报（自然科学版），（）：邓嵩，夏一程，赵虹宇，等塔中地区碳酸盐岩地层压力监测应用研究常州大学学报（自然科学版），（）：，（）：，殷志明，盛磊祥，蒋世
15、全，等深水多梯度钻井方法及仿真分析天然气工业，（）：，高德利，朱旺喜，李军，等深水油气工程科学问题与技术瓶颈：第 期双清论坛学术综述中国基础科学，（）：王江帅，李军，柳贡慧，等基于井下分离的深水双梯度钻井参数优化石油勘探与开发，（）：王江帅，李军，王烊，等深水双梯度钻井井口回压实时优化与最大钻进深度预测石油科学通报，（）：杨宏伟，李军，柳贡慧，等多梯度钻井动态控制参数优化设计中国石油大学学报（自然科学版），（）：，：，（）：王江帅，李军，柳贡慧，等气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量变化规律研究石油钻探技术，（）：许玉强，管志川，张会增，等深水钻井气侵程度实时定量描述方法石油勘探与开发，（）：许玉强，金衍，管志川，等深水钻井气侵溢流发展规律及隔水管气侵监测优势中国石油大学学报（自然科学版），（）：王江帅，李军，柳贡慧，等变压力梯度下钻井环空压力预测石油学报，（）：李士伦天然气工程 版北京：石油工业出版社，（责任编辑：李艳，周安迪）
