超临界流体对环空压力的影响

王朋飞

(1.中原石油工程公司 西南钻井分公司，河南 濮阳 457000；2.西南石油大学，四川 成都 610500)

超临界流体对环空压力的影响

王朋飞1，2

(1.中原石油工程公司 西南钻井分公司，河南 濮阳 457000；2.西南石油大学，四川 成都 610500)

针对川东北罗家寨、普光和元坝等区块CO2、H2S含量高，井底处于超临界状态。从气侵后井筒环空气液两相流动压降计算模型出发，对地层中超临界流体在环空中运移和相态变化进行分析。基于元坝区块某井实际混合气体气侵后的视临界压力为5.11 MPa，视临界温度为-53.82 ℃，研究了气体在环空中运移的压缩因子比值、压力和温度比值变化，给出了体积比值的变化曲线和气体在环空空间上的分布规律，为海相高酸酸性气田勘探开发提高理论基础。

超临界流体；元坝区块；临界参数；相态

含酸性油气藏在钻井过程中，发生气侵后，超临界流体侵入井底，在上升运移过程中，随着环空压力和温度的不断减小，当低于临界点时瞬间发生相态变化，侵入流体成为气体。这将造成体积在井口处膨胀，极易诱发井喷。而不同区块流体存在差异性，地层压力系数和地温系数变化大，这就需要具体分析和计算。在实际施工过程中，首先要充分认识到环空气侵后的流态分布，超临界流体相态变化过程中对井筒环空压力的影响，根据井筒监测的气体组分和井筒条件进行临界参数计算，依据实际气体状态方程求出侵入流体的体积变化比。现场根据体积变化比值可直观的看出井筒流体状态分布，通过环空压力来控制体积膨胀变化。

1 井筒环空循环压力模型

1.1气侵井筒环空流态分布

实际钻井气侵发生后，环空中存在的两相流包括泡状流、分散泡状流、段塞流、环状流、分层流五种流型。根据单位时间内气侵量的不同可分为以下情况。1)微小气侵量，整个井眼均为泡状流，钻井液池内有气泡。2)小气侵量，井眼中、下部均为泡状流，上部为段塞流，井口可以看到呈喷状的干气。3)中气侵量，井底为泡状流，中上部为段塞流，井口为环状流，井口出现连续的喷势。4)大气侵量，对于高裂缝溶洞性和高产气藏，进入井眼的气体流量大，井眼底部会出现段塞流，中上部将出现环状流，地面易形成强烈的井喷。

1.2压降计算模型

2 含超临界流体对井筒压力的影响

2.1超临界流体特性

超临界态流体是指处于临界温度和临界压力以上的流体。其密度约为液体的1/3，为气体的数百倍，且具有类似液体的溶解能力。对于元坝区块气井来说，组分以甲烷和乙烷为主，其酸性气体以硫化氢和二氧化碳为主。其临界条件和物性见表1。

表1 常见烃类和非烃类气体的物性常数表

超临界态流体具有特殊的相态特征(见表2)，既具有气体的特性，也具有液体的特性。其扩散系数、粘度接近于气体，而其又具有粘度小、扩散系数大、密度大、流动性好、良好的溶解性。

表2 不同状态的性质比较

2.2溢流期间环空相态变化

高含硫气井发生溢流后，侵入流体一般有甲烷、二氧化碳、硫化氢、乙烷等。气侵发生时，超临界流体以微小气泡吸附在钻井液中颗粒的表面，随着钻井液的循环上升。超临界流体在上升的过程中，随着压力和温度的不断减小，环空流体将会发生不同的相态变化。下面就从元坝区块不同的气体组分的饱和蒸汽压曲线与井筒环空条件对比来说明其环空相态变化。

从图1可以看出，通过井筒环空边界条件绘制出井筒压力与温度对应关系曲线，某流体的饱和蒸汽压曲线与其未相交并在左侧，说明环空流体在井筒运移过程中随着压力和温度的降低，当井筒压力低于流体临界压力时，流体从超临界状态转变为气态，在临界点附近满足实际气体的状态方程，相变过程中体积会有所膨胀，但不会出现剧烈膨胀的现象。某流体的饱和蒸汽压曲线与井筒压力与温度对应关系曲线相交，说明环空流体在上升运移中压力和温度都降低，当井筒温度低于流体临界温度时，流体先转变到液态，继续上移当井筒压力低于流体临界压力时，流体再从液态转变为气态，体积将会在临界点附近发生剧变。

当溢流发生后，在敞井情况下，超临界流体侵入井底，随着滑脱上升运移，压力和温度下降。当温度低于硫化氢的临界温度，硫化氢将由超临界态转变为液体，继续上升运移，当压力降低至二氧化碳和甲烷的临界压力后，两种流体将由超临界态转变为气体，体积会出现膨胀，当压力接近至硫化氢饱和蒸汽压线附近时，硫化氢将由液体转变为气态，体积将发生剧烈的膨胀。在气体的剧烈膨胀中，过多的钻井液将会排出井筒，造成环空液柱压力下降，井底压力不平衡，引起再一次的溢流发生。

3 实际超临界流体对井筒环空压力影响

描述流体的状态方程的数学式为，对于低压情况，天然气可视为理想气体采用PV=nRT。而对于高温高压下的天然气，就需要应用天然气压缩型状态方程，PV=ZnRT，其中Z为压缩因子，，其值可通过压缩因子图版查得。

3.1实际混合气体临界参数计算方法

实际混合气体与理想气体符合对应状态原理，针对多组合烃类混合物的天然气将引出视临界参数，也就是临界压力、临界温度、临界密度。混合气体组分的临界参数的计算方法如下:

PPC=ΣyiPci；TPC=ΣyiTci

式中:yi为组分i的摩尔分数;PPC、TPC分别为混合物的拟临界压力和拟临界温度;Pci、Tci分别为组分i的临界压力和临界温度。

针对含有二氧化碳和硫化氢的混合气体，引入以浓度为函数的视临界温度的校正系数，然后再校正视临界压力和视临界温度。

由实际气体状态方程PV=ZnRT，可得出气侵后井筒环空气体体积计算公式：

p(d)、T(d)、V(d)为已知井底气体的压力、温度和体积；p(h)、T(h)、V(h)为环空某井深气体的压力、温度和体积。

3.2实例分析

川东北元坝气田某井二叠系飞仙关组气层深度7 330.70 m，钻井液密度1.70 g/cm3，井底温度140 ℃，出口温度57.4 ℃。混合气体组分：甲烷86.72%，乙烷0.04%，二氧化碳6.35%，硫化氢6.61%，氮气0.28%，相对密度0.658 5。

通过混合气体各组分临界温度和压力与组分含量乘积进行求和得到混合气体的临界温度和压力，因为含有硫化氢和和二氧化碳酸性气体，根据其摩尔分数求出校正系数进行校正，得出视临界温度和压力。经计算混合气体组分的视临界压力5.11 MPa，视临界温度-53.82 ℃。气侵井筒流体参数变化见图2，从图2中可看出，环空流体在上升中相态变化与甲烷相态变化相符。当气侵发生后，超临界流体随着钻井液上升，流体温度和压力曲线逐渐减小，到达一定深度后由超临界状态转换到气态，相态变化远离流体临界点，不具备临界点附近发生体积剧变，不会出现剧烈膨胀的现象。

根据实际气体状态方程可知，环空某井深与井底气体体积比值与温度比值和压缩因子比值成正比，与压力比值成反比。随着流体侵入井筒并随钻井液向上运移，根据环空温度变化求出环空所求点温度与井底温度之比和钻井液密度求出井底压力与所求点压力之比，根据压力温度和混合气体视临界参数，查表求出Z值，作出环空所求点的压缩因子与井底压缩因子之比。综合三个比值便可求出环空所求点混合气体的体积与井底气侵体积的比值。通过计算可得到环空环空某井深与井底气体体积比值如图3。

从图3中可看出温度比值基本呈线性关系下降，压缩因子比值在井深1 000 m出现拐点变化，两者变化幅度均不大。压力比值曲线分井段变化明显，在1 500～7 300 m 井段曲线平缓上升，变化值较小；在1 500～500 m井段压力比值曲线变化迅速，基本保持成倍的增长；在500 m至井口段压力比值曲线变化发生大幅变化。

影响环空混合气体积比变化的主要因素为压力比值大小，由于压缩因子的影响，环空所求的体积与井底气侵体积的比值曲线突变要比压力比值曲线稍微延迟，在井深1 000 m出现明显上升，接近井口300 m的范围内，压力比值有较明显的膨胀特征，会由几倍直接变化到几十倍，极易造成钻井液溢出转盘面。但流体在井筒运移过程中，不会出现在超临界点附近处特有的瞬时体积剧烈膨胀几百几千倍的现象。

4 结论

1)元坝区块超临界流体发生气侵后，随着温度压力的下降，二氧化碳和甲烷仅从超临态至气态，发生一次相变过程，而硫化氢将由超临态至液态再到气态，发生两次相变过程。

2)元坝区块实际流体在井筒环空中上升运移至井深1 000 m会出现体积上升，接近井口300 m的范围内，压力比值会由几倍直接变化到几十倍，不会造成恶性井喷事故。

3)含有高组分的二氧化碳和硫化氢混合气体视临界参数，必须引入以浓度为函数的视临界温度的校正系数进行修正。

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InfluenceofSupercriticalFluidinAnnulusPressure

WANG Peng-fei1，2

(1.Southwest Drilling Company of Zhongyuan Pertroleum Engineering Co., Ltd,Sinopec, Puyang 457000, Henan, China;2.Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,Sichuan, China)

The gas fluid of the bottom of well maintains the supercritical condition，when the content of the CO2and H2S is high in northeast gas fields in Sichuan, including Luojiazhai, Puguang and Yuanba area. This paper analyzed supercritical fluid migration and phase exchange to research the calculation model of the air-liquid two-phase flow pressure drop in the well annulus. Depending on the critical pressure 5.11 MPa and the critical temperature -53.82 ℃ after the gas incursion in the well of Yuanba area，we have calculated the volume ratio change curve and the law of the gas distribution in the annulus to study the change of the ratio of compressibility factor, pressure and temperature variations during the gas transport. It will improve the theoretical basis in the high acid reservoir exploration and development of southern marine strata.

supercritical fluid; Yuanba area; critical parameters; phase state

TE311

A

1008-9446(2017)04-0019-05

Hasan-Kabir模型，分析垂直圆管中气液两相流动形态转变的机理，给出了圆管中流动型态的判别准则及各种流动型态下的压降计算方法。

2016-11-10

王朋飞(1979-)，男， 陕西渭南人，工程师,在职研究生，主要从事现场钻井和固井技术研究和实践工作,E-mail：xnzjwpf@163.com。