控压钻井多相流温度场预测_技术研究

摘要

控压钻井钻遇储层产生气侵时，会使井筒内气液两相流在不同井深、温度条件下呈现出不同的流态，从而影响环空的压力分布。

摘要 控压钻井钻遇储层产生气侵时，会使井筒内气液两相流在不同井深、温度条件下呈现出不同的流态，从而影响环空的压力分布。为此，基于井筒传热方程和能量方程，建立起了控压钻井井筒多相流温度场计算模型，并利用循环迭代法和数值分析法求解钻柱内和环空流体温度剖面。用实例分析其随循环时间、钻井液密度及钻井液排量增加而减小的规律；计算结果与PWD实测数据误差小于2.87％，能够满足控压钻井数据计算及现场施工需要。

关键词 MPD钻井多相流温度场压力控制数学预测模型

控压钻井技术(MPD)的核心是精确控制井筒压力，维持井底压力在安全密度窗口之内^[1-3]。在钻遇储层过程中，当监测到气侵后不一定采用压井等井控措施，而是充分利用现有的工艺技术和设备，采用正常循环排除的方式，控制井底压力，阻止地层流体进一步侵入井筒^[4]。然而，井筒中温度的分布是影响环空多相流井底压力的重要因素：由于地层气体侵入，井筒内气液两相流在不同井深、温度条件下呈现出不同的流态，而流态的不同直接影响井筒内压力分布口^[5-6]。因此，建立合理正确的控压钻井多相流温度场模型预测环空温度场对于控制环空压力分布、实现安全钻进十分必要。

1 数学预测模型的建立及求解

1．1数学模型建立

首先假设如下：①流体在井筒内的流动为一维稳态流动，且同一截面上各点的温度、压力相等；②井筒中钻柱到水泥环外缘间的传热为径向稳态传热，井筒周围地层中的传热为非稳态传热；③井筒及地层中的热损失是径向的，不考虑沿井深方向的纵向传热。

在井筒上取长为dz的微元体，如图1所示。

根据能量守恒定律：dz上流体损失的热量为：

在单位时间内，所取微元段内由井筒内壁向水泥环外缘传递的热量可近似地表达为：

从水泥环外缘向周围地层的径向传热为非稳态导热，地层中瞬态传热函数的精确求解过程比较复杂，这里作简化处理，采用无因次地层导热时间函数，f(t)：

f(t)是反映地层热阻的无因次时间函数，K．chiu等人给出了经验表达式^[7]：

方程(9)即为控压钻井井筒多相流温度分布方程。

1．2模型求解方法

将温度场计算模型嵌入井筒多相流流动分析模型中(多相流流动分析模型考虑井斜角)，通过循环迭代法和数值分析法对温度场模型进行求解，计算步骤如下(图2)：

①对全井筒进行离散处理；②确定初始节点温度T_i°，假设离散单元体温度增量；③假设单元体压降；④在平均温度、压力下计算单元体气液物性参数；⑤利用井筒多相流流动分析模型计算离散单元压降；⑥判断计算的压降和假设压降是否满足精度要求，不满足就返回第③步重新计算，否则进行下一步；⑦应用井筒传热方程及能量方程计算离散单元节点温度；⑧判断计算的离散单元温度和假设温度是否满足精度要求，不满足就返回第②步重新计算，否则进行下一步；⑨增加步长到计算井深，输出结果。

2应用实例及效果分析

2．1基本参数

某井钻至井深5452 m(垂深4807 m)，井眼直径ø152.4 mm，钻柱外径øl27 mm，内径øl08．6 mm，地表温度9℃，地温梯度2.3℃／l00 m。钻井液密度1.05 cm³，排量12 L／s，流性指数0.88，稠度系数0．18Pa·Sⁿ，钻井液人口温度35℃，钻井液比热容l680 J／(kg·K)；岩石密度2.6 g／cm³，岩石比热容837.3 J／(kg·K)，地层导热率2.248 w／(m·s·K)，钻柱内液体换热系数310 J／(m²·S·K)，环空液体换热系数83.4 J／(m²·s·K)。