控压固井启停泵过程井口回压传递规律研究_冀梦佳.pdf

收稿日期：；修订日期：。作者简介：冀梦佳（），女，在读硕士研究生，研究方向为固井工程理论及相关技术。：。通信作者：黄志强（），教授，博士生导师，现从事钻井工程、油气井工程领域的教学与科研工作。：。文章编号：（）控压固井启停泵过程井口回压传递规律研究冀梦佳，黄志强，吴 朗（长江大学石油工程学院，湖北武汉；中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都）摘要：控压固井启停泵作业中，由井口向井底施加的回压值在井筒内的衰减是准确设计回压补偿值的重要依据。基于一维瞬态流动模型，考虑环空流体的流变模式及环空流体种类，建立了控压固井启停泵过程井口回压压力波瞬态传递模型，并利用有限差分思想对其进行求解，通过实验对模型结果进行验证，揭示了流变模式、流体稠度系数以及环空流体种类对环空压力波衰减的影响规律。结果表明：同一井况中，回压压力波在环空流体流变模式的衰减能力为幂律模式大于赫巴模式大于宾汉模式；相同流变模式下，回压压力波的衰减随着流体稠度系数的增大而增大；回压压力波在多种流体中的压力衰减能力大于在单种流体中的衰减能力，且流体种类越多，压力衰减能力越大。关键词：控压固井；启停泵；单相流体；井口回压；瞬态传递模型中图分类号：文献标识码：，（，；，）：，：；控压固井技术是解决窄压力窗口安全高效固井的重要手段，控压固井过程中启停泵作业、注替流体 年 月石 油 地 质 与 工 程 第 卷 第 期种类的转换以及压胶塞等阶段，注替排量的突变都将引起环空回压值的瞬变。环空中流体的可压缩性使得环空回压发生衰减，引发固井风险。张洁等将修正水力直径与引入有效黏度的方法相结合，构建了椭圆井眼同心环空压降计算简化模型，实现了对压降的预测；苏玉亮利用实验方法评价了不同储层条件与不同水锁程度下的压力传递规律；王佳营采用共轭梯度法深层复杂油藏流体的泡点压力值进行了预测和传递规律分析；郭希健等利用机械冲击激发压力波分析了压力波传播及衰减规律；王妍妍基于脉冲注入理论建立微破裂试井解释模型，得到了压力动态变化曲线；等利用有限体积法对压力波在管道中的传播进行研究，并提出预测压力波速的数值方法；闫铁等建立回压压力波传播模型对环空气液两相介质中的回压压力波传播规律进行分析求解，发现气体会使压力波的速度急剧减小；王兴忠等建立的控压钻井气 液两相流动中的压力衰减模型中，分析了温度、压力及空隙率对压力衰减系数的影响，在此基础上，余金海分析了气体含量、岩屑含量和钻井液密度对压力波传播速度的影响；基于动脉脉冲波传播时管道端面的波反射因素，分析了压力波在变截面厚壁黏性不可压缩流体管道中的传播；王鹏威等考虑到纳米级有机孔隙发育演化，构建了新的压力预测模型；等研究了管线渗漏引起的压力波的传播及衰减规律。综上所述，已有的研究成果主要针对的是多相流系统，对于控压固井启停泵时的压力波传递工况，主要受环空中流体流变模式及流体种类的影响，目前没有相关研究的报导。基于实际控压固井开停泵时的环空流体工况，选取环空微元段受力分析，建立了控压固井启停泵时井口回压的瞬态压力波传递模型，通过引入有限差分思想进行求解，对控压固井过程中启停泵时施加的回压压力波在固井流体中的衰减量及影响因素进行分析，为井口回压设计提供依据。瞬态压力波传递数学模型的建立根据注替流体压胶塞作业的工艺流程，固井时环空流体分为三种情况：套管中注入的前置液未进入到环空，此时环空中的流体只有钻井液（图）；套管中注入的水泥浆未进入到环空，此时环空中的流体有钻井液和前置液两种（图）；套管中的水泥浆进入到环空时，此时环空中的流体有钻井液、前置液和水泥浆三种（图）。图 环空流体工况示意图 条件假设及控制方程在建立控压固井井口回压的瞬态压力波传递模型时，做出了如下假设：压力波在环空流体中的传播被认为是非可逆绝热过程；仅考虑流体沿井筒方向的一维液相流动；选取微元体时，只考虑流体自身重力及流体与井筒壁面间的剪切力。取环空 段为微元体，对其进行分析，微元段选取如图 所示。设过水断面截面积为，密度，速度 随时间和位置变化：（，），（，）。井筒直径为，套管外径，流体从 界面流入，经 段后从 界面流出。流体初始速度为，流体的初始密度为。（图中的，（）表示为微元体两端所受压力，；为微元体圆形截面面积，）图 微元体受力分析根据质量守恒定理，流体微元段连续性方程为：石 油 地 质 与 工 程 年 第 期（）（）由动量守恒定理可以得到，流体流动的动量方程为：（）（）（）式中：为流体与井筒壁的黏性切应力，；为 环空水力直径，；为流体密度，；为流体流速，；为时间，；为距离，；为重力加速度，。（）由弹性模量的定义可以知道，流体的压力与密度有如下关系式：（）由此可得到：（）式中：为弹性模量，；为压力，；为某一时刻的压力，；为 时的流体密度，；为环空间隙，。工况钻井液、前置液和水泥浆的流速分别为、，密度分别为、，与井筒壁的黏性切应力分别为、，则钻井液、前置液和水泥浆的连续性方程及动量守恒方程为：（）（）（）|（）（）（）（）（）（）（）|（）不同流变模式的控制方程建立动量方程时需要考虑微元体受力及流体与井筒壁的黏性切应力。流体的流变模式不同，其黏性切应力表达式不同。分别针对幂律模式、宾汉模式和赫巴模式的控制方程进行分析求解，得到三种流变模式下的动量守恒方程。幂律模式动量守恒方程：（）（）|（）令流速系数为：|式中：为环空流体平均流速，；为流性指数，无因次。宾汉模式动量守恒方程：（）（）（）令流速系数为：式中：为动切力，；为塑性黏度，。赫巴模式动量守恒方程：（）（）（）（）（）令流速系数为：（）模型求解利用有限差分思想，将动量方程和连续性方程在时间和空间上分别进行离散化，通过求解不同位置深处的压力，进而找到压力衰减规律。方程离散化图 的离散网格示意图中，、分别为空间和时间坐标轴，、为同一时刻不同位置的点，、为同一位置不同时刻的点。以 点为起始点，对动量方程离散化，假定一维空间内有 个点，如果 在（，）范围内时，则该点在 时刻的速度和密度分别为：（）（）（）（）（）（）冀梦佳等 控压固井启停泵过程井口回压传递规律研究图 离散网格示意图 （）（）初始条件和边界条件（）环空中仅存在钻井液（图）（，）（）（）环空中存在钻井液与前置液（图）（，）（，）（）（）环空中存在钻井液、前置液与水泥浆（图）（，）（，）（，）|（）式中：为前置液返深，；为水泥浆返深，；为环空中初始回压值，；为 钻井液底端回压值，；为前置液底端回压值，。压力计算环空中流体段任一点压力 与该点流体密度 有以下关系式：（）式中：为某一压力 时流体的密度，；时，环空中仅存在钻井液；时，环空中存在钻井液和前置液；时，环空中流体为钻井液、前置液和水泥浆。联立式（）（）（），并代入初始和边界条件进行求解，即可得到环空中各位置处的回压值。模型验证采用钻井液和前置液作为实验流体，通过泵机将储液池中的流体由进口管泵入环形空间，流量计用于调节和控制泵入流体流量。环形空间的尺寸为内径 、外径 ，长 ，由氮气瓶加压给定初始压力作为初始回压值，在进气口附近安装的压力传感器 对进入环形空间的压力值进行监测，在流量计附近安装的压力传感器 对流出环形空间的压力值进行监测，通过比较两个压力值的差值得到压力衰减值（图）。图 实验装置示意图 采用此装置进行了不同流体工况下的压力波衰减实验。在验证钻井液中压力衰减值时，储液池内装有密度为 的钻井液，利用泵机将该钻井液泵入环形空间，开启氮气瓶进气阀给环形空间的钻井液施压 ，分别记录两压力传感器的压力值，重复实验，并绘制结果（图）。验证压力在钻井液和前置液中的压力衰减值时，记录压力在钻井液中传递时压力传感器 的值，此时将储液池内替入密度为 的前置液，调节氮气瓶阀门，使得压力传感器 处压力值为钻井液中传递时压力传感器 的值，再次记录压力传感器 处压力值，重复实验，绘制压力在两种流体下的衰减曲线图。比较该实验结果与模型计算结果发现，实验测定的压力值与模型计算值相差不大，误差在 以内，故瞬态压力波传递模型可用于计算压力衰减。石 油 地 质 与 工 程 年 第 期图 压力对比示意图 实例分析以四川省境内的某实验井为例，该井钻至 时，钻柱组合为 钻头 钻铤（内径 ）钻杆（内径 ），原钻井液密度为 ，管柱弹性模量为 ，钻井液排量为 ，安全密度窗口为 ，采用控压固井技术，注替流体过程中控制井底动当量不大于 ，实现安全固井（表）。表 控压固井施工工艺流程操作内容密度（）排量（）环空控压值 环空控制当量（）装胶塞停泵开泵 泵注前隔离液 泵注冲洗性隔离液 泵注前冲洗液 试配水泥浆车注缓凝水泥浆 车注中凝水泥浆 车注快干水泥浆 开挡销、倒闸门 流变模式分析根据控压固井井口回压的瞬态压力波传递计算模型，对前面实例井在井深 进行控压固井，得出不同工况下井下回压衰减值与流变模式、流体稠度系数以及流体种类的关系。流体流变模式不同，对井筒壁面的剪切力不同。用前面实例井参数分析流体流变模式对回压压力波衰减的影响，图 为回压衰减值与流变模式的关系。从图中可见，在钻井液正常作业排量的条件下，升压到 时，宾汉模式下的回压衰减值最先达到设计回压值；从 降到 时，幂律模式最下的回压衰减值最先达到设计回压值，回压压力波在流体流变模式中的衰减为幂律模式大于赫巴模式大于宾汉模式。图 各流变模式下的回压衰减曲线 流体稠度系数分析流体稠度系数是影响回压压力波衰减的因素之一。在注替流体流变模式的条件下，随着稠度系数的增大，回压压力波衰减越多，达到设计回压值所需的时间也越长，这主要是因为稠度系数增加引起摩擦压耗增加，使得回压值衰减程度增大（图）。图 各稠度系数下的回压衰减曲线冀梦佳等 控压固井启停泵过程井口回压传递规律研究 流体种类的影响控压固井作业中，环空中流体随固井流程发生变化，根据环空中流体种类数分别计算其对回压值的影响。根据实例井中的注替流程及环空流体不同时刻的浆柱结构，对回压值在多流体中的衰减进行分析。当环空中仅存在钻井液时到达设计回压值的时间要早于在两种流体和三种流体，设计回压值从 降到 时，可以发现钻井液中传递的压力到达设计回压值的时间滞后于两种流体和三种流体，且在钻井液、前置液和水泥浆中传递的压力到达设计回压值的时间最快（图）。由此可知，回压压力波在多类型流体中的衰减能力大于单种流体中的衰减能力。图 环空中不同流体的回压衰减曲线 结论（）以一维瞬态流动模型为基础，结合控压固井中环空流体的实际浆柱结构，建立了控压固井启停泵时井口回压的压力波瞬态传递模型，并利用有限差分思想进行求解，计算得到井下任意位置的压力值。（）通过与实验数据对比，验证了控压固井井口回压中压力波瞬态传递模型的可行性。启停泵时的回压压力波在环空流体流变模式中的衰减能力为幂律模式大于赫巴模式大于宾汉模式，且在相同流变模式下发现，回压压力波的衰减随着流体稠度系数的增大而增大。根据固井过程中环空流体浆柱结构发现回压压力波在多类型流体中的衰减值大于在单种流体中的衰减值，且流体种类越多，回压压力波的衰减能力越大。参考文献 李红涛 复杂流体介质条件下井筒压力波传播规律研究 成都：西南石油大学，张洁，汤明，蒋振新，等 椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律研究及压降计算简化模型 特种油气藏，（）：苏玉亮，庄新宇，李蕾，等 致密砂岩气藏长岩心压力损失及渗透率损害评价实验 特种油气藏，（）：王佳营，赵仁保，李姝璇，等 一种新型泡点压力预测模型的建立和应用 以塔里木油区为例 油气藏评价与开发，（）：郭希健，曹峥，宣炳蔚，等 泄漏管道中的压力波传播规律研究 水利水电技术（中英文），（）：王妍妍，王卫红，胡小虎，等 基于脉冲注入理论的页岩储层微破裂试井解释技术及应用 石油与天然气地质，（）：，闫铁，屈俊波，孙晓峰，等 控压钻井回压压力波在井筒中传播的速度和时间规律 天然气工业，（）：王兴忠，孔祥伟，王梅，等 控压钻井气 钻井液两相压力衰减影响因素分析 应用力学学报，（）：余金海，孙宁，刘健 精细控压钻井控压响应时间浅析 石油钻采工艺，（）：，（）：王鹏威，陈筱，刘忠宝，等 海相富有机质页岩储层压力预测方法 以涪陵页岩气田上奥陶统五峰组 下志留统龙马溪组页岩为例 石油与天然气地质，（）：，樊洪海 实用钻井流体力学 北京：石油工业出版社，林建忠，阮晓东，陈邦国，等 流体力学 北京：清华大学出版社，刘永辉，曹玉峰，王朗，罗程程，王旭，鲁光亮，叶长青，杨建英 水平气井气 水 油三相流动压降模型断块油气田，（）：张更，李军，柳贡慧，杨宏伟，王江帅，安锦涛 考虑钻井液流动阻力与钻柱旋转的井筒瞬态传热新模型 断块油气田，（）：，（）：卢芳云 一维不定常流体动力学教程 北京：科学出版出版社，王瑞 低渗透油藏油水两相流动压裂井产能研究 油气藏评价与开发，（）：（编辑 赵川喜）石 油 地 质 与 工 程 年 第 期