充气控压钻井关键工程参数研究

何 淼，柳贡慧，2，李 军，李梦博，游子卫

(1.中国石油大学，北京 102249;2.北京信息科技大学，北京 100192)

引 言

充气控压钻井技术是在常规控压钻井技术[1-2]的基础上发展起来的，将充气欠平衡钻井和常规控压钻井技术结合起来，以微欠平衡的模式进行钻井作业，有利于储层保护，同时井下随钻测量PWD的应用能有效降低井控风险[3]。国内外的学者[4-8]对充气控压钻井技术进行了一些研究，但由于计算模型均基于多相流稳态模型，无法分析实际应用中由于钻井液排量、注气量和井口回压等关键工程参数变化时引起的井底压力、环空流动参数动态变化规律。针对这一问题，对充气控压钻井中环空多相流动规律进行了研究，建立了环空多相流瞬态模型，并利用有限差分方法进行数值求解，研究结果可为充气控压钻井现场作业提供理论依据。

1 充气控压物理模型

充气控压钻井技术按气体注入方式分类，有钻杆注入和环空注入2种，其中环空注入又包括寄生管注气和同心管注气。相比钻杆注入方式，环空注入的优点为:首先避免了钻杆内出现气液两相流动，解决了钻杆内两相流动不稳定、脱气严重的问题;其次，由于钻杆内流体为单相，充气控压钻井过程中可以使用泥浆脉冲实时传输型PWD，同时在定向钻井作业中可以使用泥浆脉冲MWD。由于环空注气的优点，选取环空注气方式作为本文中的物理模型，据此进行环空多相流动规律分析。

2 充气控压多相流模型

井筒环空中气液两相流动的过程可分为2个阶段:阶段1，气体由井底逐渐运移到环空井口的过程，在这一阶段，随着气体向上运移，井底压力以及气相速度、液相速度、截面含气率等环空流动参数也随之发生变化，是瞬态过程;阶段2，气体运移到环空井口之后，在这一阶段，井筒压力和环空流动参数趋于稳定，是拟稳态过程。

2.1 多相流控制方程

气相连续性方程:

液相连续性方程:

气液两相动量守恒方程:

式中:ρ为密度，kg/m3;v为速度，m/s;αg为截面含气率;α1为持液率;p为压力，Pa;f为范宁摩阻系数;dh为环空当量直径，mm;下标中，l为液相，g为气相，m为气液混相。

2.2 流型判别方法

Caetano[9]、Hasan 和 Kabir[10]以及 Lage[11]针对气液两相流开展了大量实验研究，将气液两相流流型划分为泡状流、分散泡状流、段塞流、搅动流和环状流。

泡状流与段塞流的转变:

泡状流或段塞流与分散泡状流的转变:

分散泡状流与段塞流的转变:

段塞流与搅动流的转变:

搅动流与环状流的转变:

式中:vsg为气相表观速度，m/s;vsl为液相表观速度，m/s;v∞为单个气泡极限上升速度，m/s;σ为气液相界面张力，Pa;dep为等边缘直径，m;g为重力加速度，取9.81 m/s2;;u1为液相运动黏度，mPa·s。

图1 1 768 m处井底压力随时间的变化

为了进一步组成封闭方程组，还需要考虑不同流型下的截面含气率、气相速度以及环空压耗方程，见Perez-Tellez C的论文①Perez-Tellez C.Improved bottomhole pressure control for underbalanced drilling operations[D].Baton Rouge:Louisiana State University，2003:23-32.。泡状流和分散泡状流模型见Ansari模型，段塞流模型分为发展中的段塞流和发达的段塞流模型，见perez模型，环状流模型采用Taitel和Barnea建立的简化环状流流动模型。通过四点差分格式法对控制方程进行离散化处理，逐时逐步求得空间域上各节点的解，直至覆盖整个时间域。该差分格式具有二阶精度，可以满足模拟计算要求。

3 模型验证

Lopes②Lopes C A.Feasibility study on the reduction of hydrostatic pressure in a deep water riser using a gas-lift method[D].Baton Rouge:Louisiana State University，1997:64-83.在路易斯安那大学进行了全尺寸实验井的实验。实验井井深为1 793 m，采取寄生管注氮气的方式模拟环空井筒两相流流动。在1 768 m和1 186 m处安装压力传感器，实时测量压力，测得的压力分别为17.61、11.81 MPa。

图1、2分别为由模型计算的1 768、1 186 m处井底压力随时间的变化曲线，模拟气体由井底逐渐向上运移直至运移到井口后由瞬态转变为拟稳态的过程。由图1、2可知，在井深为1 768 m和1 186 m时，前沿气体分别经过1 860、1 020 s运移到井口，至此瞬态变化过程结束，井筒环空两相流体逐渐趋于稳定。1 768 m处井底压力最终趋于17.65 MPa，而1 186 m处井底压力最终趋于12.0 MPa，与实验测量值非常接近，由此验证了本文瞬态模型的稳定性和精度。

图2 1 186 m处井底压力随时间的变化

4 关键工程参数分析

以新疆某井为例，在井深3 000 m时采取注氮气控压方式钻进，进尺100 m，套管外径为244.5 mm，内径为222.5 mm，钻杆外径为127 mm，内径为108 mm，钻杆长度为2 890 m，钻铤外径为158 mm，内径为78 mm，钻铤长度为210 m，钻井液密度为1 120 kg/m3，钻井液黏度为24 mPa·s，排量为30 L/s，井口温度为24℃，地温梯度为0.03℃/m，地层压力为33.2 MPa。

4.1 截面含气率随井深变化

利用模型模拟计算了截面含气率随井深的变化趋势(图 3、4)。

图3为井口回压为0.1 MPa时，不同注气量下截面含气率随井深的变化曲线。由图3可知，随着注气量的增加，同一井深的截面含气率也随之变大，并且距离井口越近，不同注气量条件下的截面含气率差值也越大。图4为注气量为8 m3/min时，不同井口回压下截面含气率随井深的变化曲线。由图4可知，随着井口回压的增加，同一井深的截面含气率随之减小。比较图3和图4可知，近井口段截面含气率对井口回压的变化比较敏感。当井口回压为0.1 MPa时，井口截面含气率为0.93，此时近井口段流型已发展为环状流，易导致携岩效率大幅度降低以及井口压力控制困难。而当井口回压增加至0.4 MPa时，井口截面含气率却仅为0.35，并且随着井口回压的继续增加(0.5～1.5 MPa)，近井口流型逐渐由段塞流向泡状流发展，这说明带压1～2 MPa钻进可以大幅改善近井口处两相流流型，进而保证安全高效作业。

图3 不同注气量截面含气率随井深的变化

图4 不同井口回压截面含气率随井深的变化

4.2 井底压力随时间的变化

利用模型计算了井底压力随时间的变化趋势(图5～8)。

图5 不同注气量井底压力随时间变化

图6 不同排量井底压力随时间变化

图5为井口回压为1 MPa时，不同注气量下井底压力随时间变化曲线。由图5可知，随着注气量的增加，在气体滑脱上升的过程中井底压力的下降速率也随之加快，并且达到稳态后井底压力的值也越小。注气量越大，环空由瞬态发展到拟稳态所需的时间越短，这是因为气相速度相对加快，前沿气体运移到井口的时间也就相对缩短。选取注气量为15～30 m3/min时进行带压1 MPa钻井作业，此时井底欠压值为0～2 MPa，可以确保微欠平衡钻进模式。

图6为井口回压为1 MPa和注气量为15 m3/min时，不同排量下井底压力随时间变化曲线。由图6可知，随着排量的增加，在气体向上运移的过程中，井底压力的下降速率也随之减缓，并且达到稳态后井底压力的值也越大，这是因为环空压耗随着排量的增加而增大的缘故。排量越大，环空由瞬态发展到拟稳态所需的时间越短，这是因为同一井深的摩阻压耗增加，截面含气率减小，导致气相速度增加，最终前沿气体运移到井口的时间相对减少。

图7 不同井口回压井底压力随时间变化

图8 注气量、排量、井口回压调整时井底压力随时间变化

图7为注气量为15 m3/min时，不同井口回压下井底压力随时间变化曲线。由图7可知，随着井口回压的增加，在气体向上运移的过程中，井底压力的下降速率近似不变，而达到稳态后井底压力的值随之增加。其次，随着井口回压的增加，环空由瞬态发展到拟稳态所需的时间基本不变，这说明实际气相速度对井口回压的变化不敏感。

充气控压钻井中可控工程参数包括注气量、排量、井口回压等，必要时需要快速准确地调节这3类工程参数，以有效控制井筒压力。由图8可知，400 s之前环空井筒两相流体处于拟稳态流动，井底压力维持在32.84 MPa不变，相较地层压力(33.2 MPa)，井底处于微欠平衡状态。注气量、排量和井口回压3类工程参数分别调整后，重新达到压力平衡的井底压力均略大于地层压力0.0～0.5 MPa，钻井作业由微欠平衡模式顺利转换为微过平衡模式。在400 s时，注气量由15 m3/min减小到10 m3/min，井底压力随着时间的增加而增大，且增加速率逐渐加快，直至2 200 s左右井底压力趋于稳定，这是因为此时10 m3/min的气体在井筒内循环一周，井筒流体恢复拟稳态;排量由30 L/s增大到38 L/s，受排量突变引起的压力波动的影响，井底压力先升高0.4 MPa，随后逐渐增加，直到1 300 s左右井底压力才再度稳定;而井口回压增大0.5 MPa，经过5 s左右压力波传递至井底，井底压力增加约0.6 MPa并迅速稳定。

以上分析表明，在井筒压力控制对应的工程参数中，调整井口回压的时效性最高，排量其次，注气量最差。采取减小注气量和增大排量的措施来增加井底压力存在一定的时间滞后性，二者对于溢流严重或钻遇含H2S压敏性地层时是不可取的，而采用增加井口回压来增加井底压力基本不存在滞后性，可以更快速精确地调节井底压力。

5 结论

(1)建立了充气控压钻井井筒多相流瞬态模型，将计算值与实验测量值比较，验证了本文瞬态模型的稳定性和精度，可运用于充气控压钻井中实时预测井底压力，指导钻井作业。

(2)环空近井口段截面含气率对井口回压的变化相当敏感。带压1～2 MPa钻进可以大幅改善环空近井口处两相流流型，保证充气控压钻井的安全高效作业。

(3)在井筒压力控制对应的工程参数中，调整井口回压的时效性最高，排量其次，注气量最差。相较改变注气量和排量，改变井口回压可以更快速精确地调节井底压力。

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