高壓氣井帶壓排出溢流工藝技術研究

李磊

摘? 要：針對高壓氣井常規處理溢流的不足，該文提出一種帶壓排出溢流技術，立足于漂移流動原理，創建高壓氣井帶回壓井筒氣液兩相流動計算模型，且以數值法解答模型。結合仿真算例模擬帶壓排出溢流時井口壓力受到井深、鉆井排量、溢流量等參數的影響，根據模擬的上述參數結果，制定鉆進過程中帶套壓排出溢流程序。

關鍵詞：控制壓力鉆井技術? 氣液兩相流? 井口回壓? 施工工藝

中圖分類號：TE28? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0050-02

對于高壓氣井井控來說，如果存在溢流，一般的解決策略難度大、缺少安全性[1，2]。而控制壓力鉆井技術作為初級井控技術的一種高級應用形式，可以很好地解決常規處理溢流做法的不足，即利用RCH增加所需的回壓，以達到快速提高井底壓力并保持井底恒壓的目的，維持原密度將受侵鉆井液排出井筒[3，4]。

1? 帶壓排出溢流技術計算模型

1.1 井筒內井筒氣液兩相流方程

該文先將帶壓排除溢流過程中的環空流動模型化并作以下假設[5-7]。

（1）假設井眼截面是圓形，以及跟井內鉆柱同心;

（2）對鉆井液中氣體的溶解忽視，以及兩相之間不存在化學反應;

（3）只分析順著流動方向的一維非定常流動問題;

（4）在相同位置的環空內兩相段氣液的兩相溫度一致，不存在交換的熱量。

能夠創建下面控制方程組。

①氣相連續性方程：

②鉆井液相連續性方程：

③氣、液兩相動量守恒方程：

④氣體上升速度經驗公式：

⑤氣相狀態方程：

式中：A為環空截面積，m2;Eg、Em分別為產出氣、鉆井液相的體積分數，無量綱;vg、vm分別為產出氣和鉆井液相的速度，m/s;ρg、ρm分別為產出氣和鉆井液的密度，kg/m3; qg為氣侵速率，L/s;fric為沿程摩阻壓降，Pa;s為沿流動方向坐標，m;ρ為壓力，Pa;C0為速度分布系數;vrg為漂移速度，m/s;γg為天然氣相對密度，無因次;Z為天然氣壓縮因子;T為溫度，K。

1.2 方程組的定解條件

氣侵后采取帶壓鉆井的初始條件為：

氣侵后采取帶壓鉆井的邊界條件為：P（t，0）=Pf+Pe

式中：Eim、Eiq分別表示調整回壓后與調整回壓前環空各相在某一截面的體積分數，無量綱;v表示環空各相在某一截面的速度，m/s;i表示環空內的氣相、鉆井液相;j為示環空中的各個節點;Pf為地層壓力，Pa;Pe為為帶壓排出溢流過程中附加壓力，Pa。

1.3 方程組的求解

其步驟為：（1）初步估算井底壓力。（2）假設j+1處n+1時刻的壓力值，結合給定的井口回壓值以及出口溫度，由狀態方程確定節點處的物理參數等狀態。（3）由連續性方程、動量方程求解新的j+1節點處n+1時刻的壓力。將兩個壓力相比較，如果不滿足計算精度，則繼續迭代。（4）往后以此類推，直到井口為止，看已求得的井口處的壓力與給定的井口回壓值是否在精度范圍以內，若不滿足計算精度，否則返回步驟（1）重新估算，直至條件成立。

2? 帶壓排出溢流技術敏感參數分析

利用建立的井筒氣液兩相流方程，模擬不同施工參數的變化對井口壓力變化規律，以便對現場實施帶壓排出溢流技術處理溢流提供一定的參考。具體模擬井的基本數據如下：井深4320m，?244mm套管，?127mm的鉆具平均內徑為110mm，?215.9mm的鉆頭，?159mm鉆鋌162.12m，鉆井液密度1.6g/cm3，鉆井液排量26L/s，塑性粘度0.03Pa.s，井口溫度25℃，地溫梯度3℃/100m，地層壓力71MPa。

2.1 不同溢流量對井口回壓的影響

溢流發現越晚，帶壓排出溢流過程中的最大井口回壓也在不斷增大。但是一般現場應用的旋轉控制頭（RCH）一旦連續超過5MPa時就轉入壓井程序，這也從另一個角度看出帶壓排出溢流受控壓裝備的影響，其控制能力是有限的。

2.2 不同鉆井排量對井口回壓的影響

需要注意的是，一旦鉆井排量改變，井內環空摩阻也將發生改變，為了使3種井況條件一致（井底恒壓），需對鉆井液密度進行相應的改變， 不同鉆井液排量下，在帶壓排出相同溢流量（1m3）過程中，最大井口回壓值卻越小。這是因為排量越大，井內環空摩阻也越大，為保持井底壓力恒定，因此排量較大時井口施加的回壓卻越小。但是從井口回壓的變化幅度來看，由于環空摩阻不是改變井底壓力的主要因素，所以鉆井液排量對帶壓排出過程中井口回壓的峰值影響有限。

2.3 不同井深對井口回壓的影響

為使初始模擬條件三者一致，需保持初始井底壓差相同，不同井深下，在帶壓排出相同溢流量（1m3）過程中，井越深，最大井口回壓值卻越大。這主要是因為井越深，井底溫度和壓力越高，氣體膨脹上升對井底壓力的影響也越大，造成井口的回壓峰值也隨之增大。但是從井口回壓的變化幅度來看，由于井口的工作回壓對氣體溢流控制有很好的積極作用，所以鉆井液排量對帶壓排出過程中井口回壓的峰值影響有限。