深水变梯度钻井井筒压力预测模型的研究

为了提升注空心球变梯度控压钻井中井下分离器的分离效率,并准确掌握井筒压力的分布规律,研制了以球形过滤塞和金属过滤网为核心结构的新型井下过滤分离器,对其总体结构和工作原理进行了阐述;以多孔介质模型对过滤结构进行模拟,并引入欧拉多相流模型对钻井液和空心球混合流体的流动过程进行数值模拟研究,分析了不同注入速度或空心球体积分数对过滤分离器分离效率的影响规律;基于自主研制的变梯度控压钻井室内模拟试验系统,开展了过滤分离器分离效率的敏感性试验,研究了泵排量、空心球体积分数、密度和直径对分离效率的影响;依据数值模拟和室内试验研究所得分离效率,并考虑井筒与地层间能量交换、井筒温度和压力对流体物性参数的影响,建立了深水变梯度控压钻井单相流条件下瞬态井筒温压耦合模型。利用有限差分和高斯赛德尔迭代方法分别对模型进行离散和求解,对不同变梯度参数(如分离器位置、数量、空心球体积分数或密度等)条件下的井筒压力分布规律进行了敏感性分析。研究结果表明:过滤分离器可以显著提升分离效率,最高可以达到98.5%;环空压力在过滤分离器位置处存在明显的拐点,总体呈折线形分布且拐点位置、数量与分离器的位置和数量同步变化;井筒压力与分离器数量、分离器距离井口的深度以及空心球体积分数呈负相关,与空心球密度和排量呈正相关。该研究可以为深水变梯度控压钻井方法的进一步发展提供一定的理论参考。

气侵条件下深水变梯度控压钻井泥浆池增量变化规律

泥浆池增量是钻井过程中现场工程师重点关注的参数之一,可以用来辅助判断井涌类型、井涌量等相关参数。为准确了解深水变梯度控压钻井泥浆池增量变化规律,采用井筒气液两相变质量流动模型,分析了使用不同气侵监测方法时,基于井底恒压的井筒压力控制过程中泥浆池增量的变化,并探讨了不同因素对泥浆池增量的影响。研究发现,气侵初期的泥浆池增量增长较为缓慢,使用气侵监测新方法可以在泥浆池增量达到预警值之前发现气侵,新方法要优于泥浆池增量法。越早发现气侵,越有利于缩短泥浆池增量快速增长的时间,最终的泥浆池增量越小。其他条件不变时,分离器与钻头间距越小、轻/重质钻井液密度差越大、地层压力越大、循环排量越小,气体完全被排出井筒后的泥浆池增量越大。

变压力梯度下钻井环空压力预测

为准确掌握变压力梯度钻井环空温度和压力分布特性,基于井筒流体流动与传热理论,充分考虑分离器位置处流体"变质量"传热传质与循环流体物性参数随温度和压力的变化,建立了变压力梯度下钻井环空温度和压力预测模型,并应用双循环迭代算法对模型进行求解,开展了环空温度和压力分布数值模拟研究。研究结果表明:相比于常规钻井,变压力梯度钻井环空温度和压力分布曲线上均存在一个明显拐点,且拐点位置与分离器位置一致;由于具有低导热系数空心球的注入,变压力梯度钻井环空流体温度要低于常规钻井;分离器位置、分离效率、空心球注入体积分数和空心球密度等参数均对变压力梯度钻井环空压力分布有较大影响。

变梯度控压钻井井控过程中井口回压变化规律

为了准确掌握变梯度控压钻井井控过程中井口回压的变化规律,采用考虑密度突变的井筒气液两相变质量流动模型,分析了基于井底恒压的变梯度控压钻井井控过程中井口回压的变化,探讨了不同因素变化对井口回压的影响,并开展了最大井口回压影响因素敏感性分析。研究发现:变梯度控压钻井在控制井底压力恒定时井口回压的调节受气体膨胀、分离器位置处液相密度突变、套管鞋及海底泥线处环空变径等多个因素综合影响,其变化规律更加复杂;其他条件不变时,分离器与钻头间距越小、轻/重质钻井液密度差越大、地层压力越大、循环排量越小,循环排气过程中的井口回压越大;对于最大井口回压而言,地层压力、轻/重质钻井液密度差、分离器与钻头间距、循环排量的比变异系数值依次减小,敏感性程度也随之降低。研究结果可为变梯度控压钻井井控过程中的井口回压准确预测和井筒压力精细控制提供理论支撑。