[发明专利]控压钻井气液两相流动模拟计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，具体地，涉及一种控压钻井气液两相流动模拟计算方法。

背景技术

目前，对于钻井井筒进气后流动参数的模拟计算方法主要有连续气柱理论和气液两相流理论。气液两相流理论通过划分不同的流型，建立气液两相连续性方程、动量方程来模拟流动状态。石油钻井工程中气液两相模拟方法主要用来模拟常规钻井中发生气侵或井喷时井筒气液两相流分布及井底压力变化，主要表现为井口为恒定大气压作为边界条件，井底为恒定的进气量模拟。而实际上控压钻井过程中井口回压并不是一个恒定值，井口回压会根据工况的变化而改变，尤其在井筒进气后，要改变井口回压从而控制井底压力的变化。同时，井底进气量也不是恒定不变的，根据井筒进气方式不同，分为重力置换气侵和欠平衡气侵，重力置换气侵井底进气量恒定不变，而欠平衡气侵井底进气量随井底压力而变化。而现有的钻井井筒气液两相流模拟计算方法并没有考虑到井口回压和井底进气量的变化，因此采用现有技术中的计算方法所计算的结果不能精确模拟实际的钻井井筒中的流动状态，不能正确反映钻井中的实际情况，造成井喷事故不仅带来了巨大的经济损失，更造成了惨重的人员伤亡和重大的社会影响，存在一定的安全隐患。

例如，现有的流动模拟软件主要有Fluent，OLGA等有限元计算软件，Fluent软件无法模拟钻井中井深和井筒直径比值过大情况下钻井液的流动，OLGA软件主要用来模拟井筒发生气侵或井喷时井筒气液两相流动参数。再如，中国专利授权公告号：CN102943620A，提出了一种“基于钻井环空井筒多相流动计算的控压钻井方法”包括下列步骤：(1)获取钻井井筒多相流动计算的基本参数；(2)确定井筒环空内流体的种类；(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；(4)结合控制压力钻井不同工况下的工艺过程，建立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网格划分；(6)将多相流动控制方程进行数值化离散；(7)求解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。

但是现有技术中，尚未存在模拟控压钻井过程中井筒压力时刻改变情况下井筒流动特性的计算方法或软件。而实际上，控压钻井过程中，井口回压对井筒气液两相流分布影响较大，尤其当井筒气体运移到井口时，井口回压对气液两相含气率产生较大影响，进而影响井底压力的变化，因此控压过程中不能忽略井口回压的改变对井筒气液两相流动参数及井底压力变化的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种控压钻井气液两相流动模拟计算方法，该方法包括：

(1)获取控压钻井气液两相流动基本参数，其中所述控压钻井气液两相流动基本参数包括：井身结构、钻具组合、井深、套管下深、钻头及套管尺寸、钻井液密度、钻井液粘度、钻井液稠度系数、钻井液流变性选择、井口回压、地层温度和压力、钻井液及套管传热系数、地层气体组分、地层气体偏差因子；

(2)建立控压钻井气液两相流动方程，所述控压钻井气液两相流动方程包括：液体连续性方程、气体连续性方程、以及气液两相动量方程；

(3)将气液两相流动计算的时间域和空间域进行网格划分，以使井筒结构由多个节点构成；

(4)根据控压钻井气液两相流动初始条件和边界条件计算气液两相流动控制参数，其中所述气液两相流动控制参数至少包括：井底压力、节点压力、节点气体速度、节点含气率、节点液体速度；

该方法还包括：

(5)在改变井口回压的时刻j-1，根据该时刻j-1的井底压力、井口回压的改变量、以及井口回压压缩气体增加的静液柱压力计算下一时刻j的气液两相流动控制参数。

优选地，根据以下公式计算下一时刻j的气液两相流动控制参数：

P(j，i)＝P(j-1，i)+ΔP

P(j，0)＝P(j-1，0)+ΔP；ΔP＝ΔPa+Δρgh  公式(1)

P(j，i)*v_sg(j，i)＝P(j-1，i)*v_sg(j-1，i)  公式(2)

v_g(j，i)＝C_gv_mix+v₀  公式(3)