基于电磁检测机理的井下环空流量测量方法研究

复杂油气藏的开采面临严重的溢流、漏失等钻井事故风险,实时监测近钻头环空流量信息可以在事故早期发现工况异常,有效降低井控风险。对钻井过程中的环空流量电磁测量方法进行了研究,首先对基于法拉第电磁感应定律的井下环空流量电磁测量方法的测量原理进行了研究;其次分析了井下环空流量电磁测量系统设计思路,详细推导了其虚电流密度分布及其机械结构力学模型;然后,通过有限元仿真软件进行励磁线圈结构优化及主体力学分析得到测量系统的最优结构;最后,搭建井下环空流量电磁测量地面原理样机并进行实验测试验证。实验结果表明,电磁测量原理样机测量精度在1%左右且安全系数大于9,可以满足井下环空流量测量的需要。本文完成的井下环空电磁测量方法,对于后续井下环空流量测量方法的实现以达到早期井控的目的,继而降低钻井风险具有指导意义。

气侵对井下环空流量电磁测量系统的影响研究

井下环空流量电磁测量系统可以实时获取井下环空流量信息,但环空流道侵入的气体会对其测量结果产生影响,导致测量系统无法准确对钻井过程中出现的溢流和井喷问题进行预警。针对环空流量电磁测量系统受气侵影响的问题,研究首先通过建立气侵对环空流量电磁测量系统影响的理论模型,获得了环空流量电磁测量系统虚电流密度函数;其次,采用有限元仿真软件对侵入气体的不同存在状态进行动态模拟,分析环空流量电磁测量系统的虚电流分布规律;最后,搭建模拟实验平台进行不同两相混合流量下的含气率影响实验。实验结果表明,随着环空流道内两相混合流体含气率在0%~5%范围内增加,不同两相混合流量下的环空流量电磁测量系统输出电压均呈现下降趋势,采用二次函数拟合不同两相混合流量下环空流量电磁测量系统输出电压与含气率关系,可决系数R~2在0.98以上,拟合残差e小于0.011;最终通过归一化的输出电压与含气率关系式校正环空测量流量。研究成果可用于降低气侵对测量结果的影响,提高井下环空流量电磁测量系统的测量精度。

单对电极的井下环空电磁流量测量系统的优化方法

随着石油资源的不断钻采,尤其是在窄安全密度窗口地区钻井时,由于对井下流量信息的缺失,导致溢流和井喷问题。采用井下微流量控制钻井技术可以有效解决窄安全密度窗口钻井中出现的溢流和井喷问题,而使用井下环空流量测量技术实时获取井下的环空流量信息是实现井下微流量控制钻井技术的最核心部分及保证。近年来快速发展的电磁流量计研究为井下环空流量测量提供了机遇,作者基于数字优化技术对井下环空流量测量系统进行了优化研究。首先,提出钻井过程中单对电极的井下环空流量电磁测量基础理论模型和优化原理,并基于Bevir的矢量权重函数理论实现环空流道电磁流量测量系统虚电流电势和虚电流密度求解。权函数值与磁感应强度和虚电流密度有关,当电极的尺寸和结构固定时,即虚电流密度为定值,通过优化励磁结构来使权函数值接近常数。其次,为了实现井下环空电磁流量系统的最优设计,作者基于多耦合场软件COMSOL仿真模型对建立的环空电磁流量测量系统的关键结构尺寸因素进行了仿真,通过对单对线圈励磁结构COMSOL仿真数据进行分析,结合矢量权重函数的评价指标进行综合权衡,得出最优励磁结构参数。再根据不同的边界条件实现环空流道电磁流量测量系统虚电流电势和虚电流密度求解,掌握了虚电流密度分布规律。经过建立理论模型、仿真优化、分析评价指标,最终得出单对电极的井下环空电磁测量系统的最优励磁结构参数,该参数有利于提高系统的测量精度。

气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量变化规律研究

为了准确掌握气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量的变化规律,基于井筒气液两相流动理论,建立了考虑密度突变的气液两相流模型,分析了气侵条件下环空出口流量的变化,并探讨了不同因素变化对环空出口流量变化率的影响。研究发现:气体前沿到达分离器位置时,环空出口流量变化率明显突增;分离器位于泥线以下时,环空出口流量发生突增的时间要早于隔水管底端见气时间,有利于更早地识别气侵;低密度/高密度钻井液密度差、气侵量、排量、分离器位置、井深和井口回压等因素对环空出口流量变化率的影响程度依次降低。研究结果表明,考虑密度突变的气液两相流模型,可以准确预测气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量的变化情况,并为新型双梯度钻井早期溢流监测提供理论依据。

不同流变模式钻井液环空层流压耗通用算法

针对钻井工程中常用环空层流压耗计算方法精度低、不适用于复杂流变模式的问题,提出了适用于不同流变模式钻井液的环空层流压耗通用算法,与传统算法进行了对比,并采用已发表文献中实验数据进行了验证。基于环空槽流模型,将圆管流量方程推广应用于环空中推导出环空流量方程,利用环空流量方程和流体流变方程建立环空流量与管壁剪切应力的关系式,再由已知流量求得管壁剪切应力,进而求得环空压耗。通过与传统算法的对比分析发现:提出的通用算法适用于所有流变模式的钻井液环空层流,普适性好、建模过程简单、计算精度高。基于已发表文献中实验数据的算法验证结果表明:不论是在低排量还是在高排量条件下,采用通用算法求得的不同流变模式环空压耗与实测结果都能较好地吻合,弥补了传统算法的误差。

井下微流量控制方法

近几年,国外在常规钻井和欠平衡钻井技术的基础上发展出了一种被称为控压钻井(MPD)的新技术,该技术主要用于解决窄钻井液密度窗口地层的安全钻井问题,其核心是要求精确控制井眼环空压力剖面。但作为一种新的钻井技术,控压钻井现有的方法理论和硬件系统尚存在一定的不足,有待于完善。文中介绍的井下微流量控制方法属于控压钻井技术中的一种,是对现有地面微流量控制方法的改进,能够随钻监测井下环空流量的变化,及早发现溢流或井漏等井下复杂情况,与地面返出环空流量监测相配合,进而调节井口回压阀的开度,通过改变井底压力来控制溢流或井漏的大小,从而实现对环空流量的精确控制。该方法能够显著提高系统的控制精度和可靠性,从而提高钻井的安全性并降低钻井成本。