[发明专利]基于钻井环空井筒多相流动计算的控压钻井方法

说明书

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及油气钻探井筒压力控制，特别是一种控制压力钻井方法。 

背景技术

随着油气勘探范围的不断扩大，钻井所遇到的地层条件越来越复杂，钻井工程中的井漏、卡钻、井壁坍塌井下复杂情况频繁发生，尤其是对于破裂压力和孔隙压力窗口较窄甚至漏喷同存的地层，井下事故的频繁发生使非生产时间大大增加，推高了钻井作业的成本。同时，三低(低电阻、低孔隙、低渗透)复杂油气藏成为资源接替的重要部分，这些油气藏低阻、低孔、低渗的特征使该类油气藏具有难于发现和评价的特点。因而，如何预防复杂地层中井漏、卡钻、井壁坍塌复杂情况的产生，安全高效的钻穿窄密度窗口的复杂地层，同时有效减小钻井过程中钻井液对储层的伤害，已经成为当今钻井行业的技术热点和提高经济效益的关键。另外，对于高含H₂S、CO₂气体的酸性气体地层，如何保证钻井安全一直是困扰钻井界的技术难题。高含H₂S、CO₂的酸性气体在井筒中有特殊的相变规律和流动规律，酸性气体在井底深处处于超临界态，且在水基钻井液中具有很高的溶解度，使得酸性气体的侵入具有隐蔽性；但当酸性气体上升至井筒上部时，酸性气体会相变为气态，溶解在钻井液中的气体也会重新释放，高含酸性气体天然气的体积会出现剧烈膨胀，气体膨胀具有突发性。酸性气体气侵时的隐蔽性和突发性给井筒压力控制带来巨大的危害，而控制压力钻井通过实时施加井口回压可抑制酸性气体的突发膨胀，且控压钻井封闭的循环系统可以确保H₂S有毒气体不会扩散到大气之中。 

控制压力钻井由于能够很好的满足复杂油气藏钻探的要求，得到了世界范围的大力发展和推广。目前控制压力钻井技术依赖于APWD(Annular Pressure  While drilling)/PWD(Pressure While drilling)井底测量仪器来实时获取井底压力数值，根据此数值实时调整井口回压，达到控制压力钻井的目的。但APWD/PWD井下测量仪器的信号多依靠泥浆脉冲，在钻井液中混有气体时信号无法正常传至地面，控压钻进则无法正常进行。同时，APWD/PWD井下测压仪器大都被少数技术服务公司垄断，只提供高价位服务不出售产品，在一定程度上制约了控制压力钻井技术的发展。 

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法；通过钻井井筒多相流动计算方法来实时计算得到井底压力和所需井口回压来实现控制压力钻井，不依赖于APWD/PWD井底测量仪器来实时获取井底压力数值。 

为实现上述目的，本发明所采用下述技术方案： 

一种基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法，其特征在于： 

(1)、获取钻井井筒多相流动计算的基本参数。根据钻井设计参数及实时的控压钻井钻进参数，获取计算所需的基本数据，其中钻井设计参数包括：井身结构、钻具组合、地层数据、钻井液中的气相和液相排量、钻井液密度、钻井液粘度、井深、井斜角、方位角；实时的控压钻井钻进参数包括：当前钻头深度、当前时刻井口回压。 

(2)、确定井筒环空内流体的种类。根据注入钻井液中液相或气相，储层内产出流体油、烃类气体、水、酸性气体，确定井筒环空内流体组分的种类。 

(3)、考虑多相多组分复杂流动因素，建立井筒环空内的多相流动控制方程组。针对环空内流动介质的不同，分别建立注入气、液，地层产出油、水、烃类气体、酸性气体的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程；为了使控制方程封闭还需建立辅助方程，主要包括：流体的状态方程、酸性气体的溶解度方程、流体超临界态判断方程、沿程摩阻损失方程、地层温度场方程、气相及 固相的滑脱方程、流型判断方程、环空流道的几何方程。 

(4)结合控制压力钻井不同工况下的工艺过程，得到环空多相流动控制方程组的定解条件。 

(5)将多相流动计算的时间和空间域进行有限差分网格划分。其中，空间域为整个井筒环空，时间域为实施控压钻井的整个过程；本发明根据气体上升速度动态选用空间网格长度，网格在井的下部长，上部短。 

(6)将多相流动控制方程进行数值化离散。本发明采用四点差分格式进行离散，离散的方程主要包括：各相的连续性方程、动量方程以及能量方程。 

(7)求解控制压力钻井所需的井口回压。运用有限差分算法对多相流动控制方程组进行数值求解，得到控制压力钻井所需的井口回压。 

(8)基于计算的井口回压值，调节井口节流阀，实现控压钻进。