陳　陽，付建紅張瑞典

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都610500；2.中石油浙江油田頁巖氣勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，四川宜賓644000）

無隔水管鉆井液回收鉆井系統(tǒng)井筒壓力分析

陳陽*1，付建紅1張瑞典2

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都610500；2.中石油浙江油田頁巖氣勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，四川宜賓644000）

基于Beggs&Brill兩相流計(jì)算模型，結(jié)合無隔水管鉆井液回收鉆井系統(tǒng)（RMR）鉆井技術(shù)特點(diǎn)，建立了適用于RMR淺表層鉆井的環(huán)空壓力計(jì)算模型。該模型考慮了：巖屑對(duì)鉆井液密度的影響；氣體膨脹、井筒溫度、井筒壓力對(duì)兩相流持液率和氣體密度的影響；泥線處的定壓邊界條件。分別討論了鉆井液排量、機(jī)械鉆速、氣侵量等因素對(duì)環(huán)空壓力的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著鉆井液排量和機(jī)械鉆速的增加，環(huán)空壓力增加；隨著氣侵量的增加，環(huán)空壓力減小，其中氣侵量對(duì)環(huán)空壓力的影響較大。

無隔水管鉆井液回收鉆井系統(tǒng)；兩相流；井筒壓力；環(huán)空ECD；氣侵量；機(jī)械鉆速

無隔水管鉆井液回收鉆井技術(shù)是一種新興的深水鉆井技術(shù)，該技術(shù)運(yùn)用于淺表層鉆井時(shí)，摒棄了隔水管，將鉆桿直接暴露于海水，從井筒中返排的鉆井液通過海底泵泵抽至鉆井平臺(tái)［1］。與DKD鉆井不同之處在于，RMR鉆井中，鉆井液是返回到鉆臺(tái)面的，而DKD鉆井中，鉆井液只返回到海底。由于地質(zhì)構(gòu)造的原因，泥線附近地層鉆井液安全密度窗口很窄［2］且伴隨淺層氣侵。為防止淺層氣侵便需要精確控制環(huán)空壓力。因此本文致力于建立RMR鉆井環(huán)空壓力分布計(jì)算模型。

1　基本假設(shè)

模型所做假設(shè)如下：（1）氣液兩相流的摩擦損失用Beggs&Brill模型［3］計(jì)算，忽略井壁粗糙度的影響，鉆井液的密度只受其中巖屑重量的影響，氣體密度滿足理想氣體狀態(tài)方程。（2）巖屑充滿整個(gè)井筒，分布均勻。（3）井口壓力恒定不變，始終為上部海水的靜液柱壓力。（4）忽略井筒中液體流動(dòng)特征對(duì)井筒溫度的影響，認(rèn)為井筒溫度梯度是不變的，大致取0.02k/m。（5）不考慮鉆井液粘度隨剪切速率的變化，認(rèn)為氣體粘度不變。

2RMR鉆井環(huán)空壓力計(jì)算

2.1數(shù)學(xué)模型

氣液混合物既未對(duì)外做功，也未受外界功，忽略動(dòng)能壓耗，則垂向z方向的能量守恒方程［4］為：

式中：Vm——?dú)庖后w混合平均速度，m/s；

g——重力加速度，取9.8m/s2；

L——環(huán)空水力直徑，m；

ρn——混合流體密度，kg/m3；

ρL——液體密度，kg/m3；

ρg——?dú)怏w密度，kg/m3；

f——摩擦因子；

HL——持液率。

從（1）式可以看出，兩相流壓降由兩部分組成，分別是等式右邊第一項(xiàng)所代表的氣液兩相流摩擦壓降和等式右邊第二項(xiàng)所代表的兩相流重力引起的壓降。

（1）確定流態(tài)。

①計(jì)算Froude數(shù)NFr：

式中：Vm——?dú)庖后w混合平均速度，m/s；

g——重力加速度，取9.8m/s2；

L——環(huán)空水力直徑，m。

②計(jì)算無滑脫持液率，λL：

式中：VSL——液體表觀速度，m/s；

VSG——?dú)怏w表觀速度，m/s；

D——井筒直徑，m；

d——鉆桿或鉆鋌外徑，m；

QL——鉆井液體積流量，m3/s；

Pi——計(jì)算單元段頂部壓力，Pa；

Pw——泥線處壓力即上部海水靜液柱壓力，Pa；

Ti——計(jì)算單元段頂部溫度，K；

Tw——泥線處溫度，K。

③確定流型界限：

式中：X=ln（λL）

④確定流型。流型的判斷如表1所示：

表1　流型判斷表

（2）確定真實(shí)持液率：

根據(jù)流型，a，b，c從表2中獲得。

表2　Beggs&Brill模型持液率參數(shù)經(jīng)驗(yàn)表

角度修正系數(shù)C定義如下：

式中NLV為無因次液相速度，計(jì)算公式為：

式中：ρL——鉆井液密度，kg/m3；

σ——?dú)庖罕砻鎻埩Γ琋/m。

在C≥0的限制條件下，不同流態(tài)下的e，f，g，h如下表所示：

表3　Beggs&Brill模型系數(shù)C計(jì)算相關(guān)參數(shù)表

在高壓條件下，Beggs&Brill模型計(jì)算出來的持液率往往偏大，如若超過1，則將持液率值取為1。

（3）確定摩擦因子：

①計(jì)算氣液混合流體密度：

②計(jì)算氣液混合流體粘度：

式中：μn——混合流體粘度，Pa·s；

μL——液體粘度，Pa·s；

μG——?dú)怏w粘度，Pa·s。

③計(jì)算雷諾數(shù)NRe：

④計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化摩擦因子fn：

⑤計(jì)算摩擦因子f：

如果1＜y＜1.2，s=ln（2.2y-1.2）。

（4）環(huán)空壓力梯度計(jì)算。將（1）～（3）計(jì)算所得參數(shù)代入公式（1），即可求得環(huán)空壓力梯度。

2.2邊界條件

泥線處的壓力恒為上部海水靜液柱壓力：式中：Pwh——泥線處壓力，Pa；hw——海水深度，m；ρw——海水密度，kg/m3。

2.3輔助條件

井筒溫度分布采用靜止溫度梯度［1-2］：

式中：Twh——泥線處的溫度，K；

GT——溫度梯度，K/m；

h——泥線以下任意一點(diǎn)井筒深度，m；

T——井筒中任意一點(diǎn)處的溫度，K。

氣體密度滿足理想氣體狀態(tài)方程：

式中：P——井筒中任意一點(diǎn)處壓力，Pa；

M——?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，取8.314 J/mol·k；

T——井筒中任意一點(diǎn)溫度，K。

液體的密度因鉆屑的進(jìn)入而被加重：

式中：ρmd——鉆井液密度，kg/m3；

Δρs——巖屑進(jìn)入而引起的液體密度增量，kg/m3。

假定巖屑均勻分布于井筒之中，則Δρs用下式計(jì)算：

式中：db——鉆頭直徑，m；

ρs——巖屑密度，kg/m3；

V機(jī)——機(jī)械鉆速，m/s；

V井筒——井筒總體積，m3；

QL——鉆井液排量，m3/s。

由（21）式可得：在鉆頭尺寸，巖屑密度一定的情況下，巖屑引起的液體密度增量主要取決于機(jī)械鉆速和鉆井液排量。

計(jì)算出環(huán)空等效壓力后，環(huán)空ECD用下式計(jì)算：

式中：P——泥線以下某點(diǎn)的環(huán)空等效壓力，Pa；

h——泥線以下某點(diǎn)到泥線處的距離，m；

ECD——環(huán)空當(dāng)量循環(huán)密度，g/cm3。

3　算例

3.1輸入?yún)?shù)

水深：1000m；井深：2000m；導(dǎo)管：?914.4mm；導(dǎo)管長(zhǎng)度：60m；鉆具組合：?444.5mmBIT+?228.6mmDC+ ?203.2mmDC+?177.8mmDC+?139.7mmDP；鉆鋌長(zhǎng)度：200m；鉆井液密度：1200kg/m3，塑性粘度：15mPa·s，動(dòng)切力：9.8Pa；侵入氣體粘度：0.000008Pa· s；計(jì)算微元段長(zhǎng)度：20m；；井口溫度：277K；井筒溫度梯度：0.02K/m；泥線處氣體流量：0.03 m3/s，0.05m3/s，0.07 m3/s，0.09 m3/s，0.11 m3/s；鉆井液流量分別?。?0L/s，55L/s，60L/s，65L/s，70L/s；機(jī)械鉆速分別取：5m/h、10m/h、15m/h、20m/h、25m/h、30m/h。算例模型如圖1所示。

圖1　算例模型

3.2環(huán)空壓力分布計(jì)算結(jié)果

（1）鉆井液排量對(duì)環(huán)空壓力的影響。機(jī)械鉆速為30m/h，泥線處氣體流量為50L/s時(shí)不同鉆井液排量下環(huán)空ECD隨井深變化曲線如圖2所示。此處的井深是鉆井過程中鉆頭處的深度。

從圖2可以看出，隨著鉆井液排量的增大，環(huán)空ECD增大，這主要是由于排量增大導(dǎo)致環(huán)空壓耗增大所致。但不同排量之間ECD變化幅度很小。排量70L/s與排量50L/s在2000m處ECD差值僅為0.012g/cm3，說明排量的影響較小，主要原因是井筒直徑較大，環(huán)空返速較低。

（2）機(jī)械鉆速對(duì)環(huán)空壓力的影響。鉆井液排量為50L/s，泥線處氣體流量為50L/s時(shí)不同機(jī)械鉆速下ECD隨井深的變化關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2　不同鉆井液排量下環(huán)空ECD隨井深變化

圖3　不同機(jī)械鉆速下環(huán)空ECD隨井深變化

從圖3可以看出，隨著機(jī)械鉆速的增大，環(huán)空ECD增大，這是由于機(jī)械鉆速增大導(dǎo)致環(huán)空中巖屑重量增大，氣液固混合密度增加所致。不同機(jī)械鉆速之間ECD變化幅度較不同鉆井液排量條件下有了明顯增大。鉆速5m/h與鉆速30m/h在2000m處ECD差值達(dá)到0.04g/cm3。

（3）氣侵量對(duì)環(huán)空壓力的影響。鉆井液排量為50L/s，機(jī)械鉆速為30m/h條件時(shí)不同泥線處氣體流量條件下ECD隨井深的變化關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4　不同泥線處氣體流量下ECD隨井深變化

從圖4可以看出，隨著泥線處氣體流量的增大，環(huán)空ECD明顯減小，這是由于泥線處氣體流量增大，氣侵量增大，井筒中固液氣混合密度明顯降低所致。當(dāng)泥線處氣體流量達(dá)到110L/s時(shí)，ECD甚至小于海水密度。泥線處氣體流量30L/s與110L/s在2000m處ECD差值達(dá)到0.164g/cm3。由此可得淺層氣氣侵量對(duì)RMR鉆井環(huán)空壓力的影響較大。

4　結(jié)論

（1）RMR鉆井技術(shù)用于淺表層鉆井時(shí)，鉆井液排量、機(jī)械鉆速、氣侵量均會(huì)影響環(huán)空壓力分布。隨著鉆井液排量和機(jī)械鉆速的增加，環(huán)空壓力增加；隨著氣侵量增加，環(huán)空壓力減小。環(huán)空壓力主要受機(jī)械鉆速和氣侵量的影響較大，而鉆井液排量的影響相對(duì)較小。

（2）RMR鉆井過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣侵量，在氣侵量較大情況下，井筒壓力梯度降低較大，需要適時(shí)調(diào)整鉆井液密度，也可以通過控制機(jī)械鉆速微調(diào)環(huán)空壓力。

（3）RMR鉆井過程中，鉆遇淺層氣發(fā)生較大氣侵時(shí)，會(huì)使環(huán)空壓力降低較大，這會(huì)給無隔水管鉆井帶來較大的井控風(fēng)險(xiǎn)。

［1］劉杰.無隔水管泥漿返回鉆井系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算及吸入模塊設(shè)計(jì)［D］.中國石油大學(xué)，2010.

［2］楊小剛.雙梯度鉆井井控中的多相流動(dòng)計(jì)算［D］.中國石油大學(xué)，2009.

［3］ Beggs H，Brill J P.A Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes［C］//SPE，Society of Petroleum Engineers，1973.

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TE2

A

1004-5716（2016）03-0044-04

2015-11-11

2015-11-27

本文受到了國家重大專項(xiàng)子課題“深水鉆完井及其救援井應(yīng)用技術(shù)研究”（編號(hào)：2011ZX05026-001-04）項(xiàng)目的資助。

陳陽（1991-），男（漢族），江蘇揚(yáng)州人，西南石油大學(xué)在讀研究生，研究方向：油氣井工程設(shè)計(jì)。