充气钻井井筒压力分布规律模型适用性研究

２０１５年第４４卷第７期第４页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜　２０１５，４４（７）：４１０文章编号：１００１３４８２（２０１５）０７０００４０７充气钻井井筒压力分布规律模型适用性研究闫　铁１，刘珊珊１，毕雪亮１，张越男２（１．东北石油大学油气钻井技术国家工程实验室，黑龙江大庆１６３３１８；２．大庆油田有限责任公司钻探集团钻井工程技术研究院，黑龙江大庆１６３３１８）摘要：欠平衡充气钻井技术是为了适应低压钻井的需要而发展起来的一项技术，具有携岩能力强、降低漏失、大幅度提高机械钻速和保护低压油气储层、地层损害小等优点。通过对比Ｇｕｏ模型和ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型２种充气钻井气液两相流的理论模型，分析了各自的优缺点。以多相流理论和欠平衡钻井基本原理为基础，根据实际钻井过程中岩屑对井底负压的影响，通过考虑岩屑来提高该流动模型的计算精度及合理性，对ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型进行了改进。结合现场资料，应用ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型对现场的充气钻井实例进行了模拟计算，分析了井筒流动规律，并对其变化情况进行了解释，将计算结果和现场实测结果对比分析，验证了模型的适用性。关键词：充气钻井；气液两相流；井底压力；岩屑中图分类号：ＴＥ９２９　　　文献标识码：Ａ　　　犱狅犻：１０．３９６９／ｊ檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪．ｉｓｓｎ．１００１３４８２．２０１５．０７．００２于ＦＯＸ螺纹的接触长度；随着轴向拉载荷的增加，ＢＧＴ１螺纹密封点的位置不变，ＦＯＸ螺纹密封点发生改变。３）　随着轴向拉载荷增加，ＢＧＴ１螺纹和ＦＯＸ螺纹的气密封性能变差；在同一拉载荷作用下，ＦＯＸ螺纹的气密封性能优于ＢＧＴ１螺纹；相比于ＢＧＴ１螺纹，ＦＯＸ螺纹的气密封性受轴向拉载荷影响相对较小。参考文献：［１］　窦益华，于洋，曹银萍，等．动载作用下特殊螺纹油管接头密封性对比分析［Ｊ］．石油机械，２０１４（２）：６３６５．［２］　杜现飞，王海文，王帅，等．深井压裂井下管柱力学分析及其应用［Ｊ］．石油矿场机械，２００８，３７（８）：２８３３．［３］　黄翠英，张宏，段庆全．地下储气库特殊螺纹套管接头密封性分析［Ｊ］．石油机械，２０１０（５）：４９５１．［４］　ＡｓｓａｎｅｌｌＡＰ，ＤｖｏｒｋｉｎＥＮ．ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆＯＣＴＧｔｈｒｅａｄｅｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９３，４７（４）：７２３７３４．［５］　ＨｉｌｂｅｒｔＬＢＪｒ，ＫａｌｉｌＩＡ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｍｉｕｍｔｈｒｅａｄｅｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆｕｌｌｓｃａｌｅｔｅｓｔｉｎｇ［Ｇ］．ＩＡＤＣ／ＳＰＥ２３９０４，１９９２：５６３５８０．［６］　王定峰，林勇，巨满成．长北气田优质油井管螺纹类型及其应用［Ｊ］．石油矿场机械，２００９，３８（１１）：８５８７．［７］　ＫａｗａｓｈｉｍａＨ，ＭｏｒｉｔａＹ，ＴｓｈｉｈａｒａＫ·Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｒｅｍｉｕｍｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＳｕｍｉｔｏｍｏＳｅａｒｃｈ，１９８６（３３）：９６１０８．［８］　石晓兵，陈平，聂荣国，等．高压对气井套管接头螺纹接触应力的影响研究［Ｊ］．石油机械，２００６（６）：３２３４．［９］　ＧａｂｒｉｅｌＣａｒｃａｇｎｏ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｕｂｉｎｇａｎｄｃａｓｉｎｇｐｒｅｍｉｕｍｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｆｏｒＨＴＨＰｗｅｌｌｓ［Ｍ］．ＳＰＥｗｏｒｋｓｈｏｐｉｎｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅ／ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｕｒｄｅｓｉｇｎ．ＴＸ，Ｕ．Ｓ．Ａ，２００５：１７１９．［１０］　周海凌．动载作用下特殊螺纹油管接头连接强度及密封性分析［Ｄ］．西安：西安石油大学，２０１３．［１１］　王定峰，林勇，巨满成．长北气田优质油井管螺纹类型及其应用［Ｊ］．石油矿场机械，２００９，３７（１１）：８５８７．［１２］　郭建华，马发明．四川盆地高含硫气井油管螺纹气密封性能评价与应用———以龙岗气田为例［Ｊ］．天然气工业，２０１３（１）：１２８１３１．　收稿日期：２０１５０１１２　基金项目：国家自然科学基金重大项目“页岩油气高效开发基础理论研究”（５１４９０６５０）；国家自然科学基金资助项目“基于热质流耦合的深层欠平衡钻井井筒温度场和压力场分布规律研究”（５１３７４０７７）　作者简介：闫　铁（１９５６），男，黑龙江肇州人，教授，博导，主要从事油气井工艺理论与技术研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。犛狋狌犱狔狅狀狋犺犲犕狅犱犲犾犃狆狆犾犻犮犪犫犻犾犻狋狔狅犳犠犲犾犾犫狅狉犲犘狉犲狊狊狌狉犲犇犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀犚狌犾犲犻狀犃犲狉犪狋犻狅狀犇狉犻犾犾犻狀犵ＹＡＮＴｉｅ１，ＬＩＵＳｈａｎｓｈａｎ１，ＢＩＸｕｅｌｉａｎｇ１，ＺＨＡＮＧＹｕｅｎａｎ２（１．犖犪狋犻狅狀犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犗犻犾犪狀犱犌犪狊犇狉犻犾犾犻狀犵犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犖狅狉狋犺犲犪狊狋犘犲狋狉狅犾犲狌犿犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犇犪狇犻狀犵１６３３１８，犆犺犻狀犪；２．犇狉犻犾犾犻狀犵犌狉狅狌狆犇狉犻犾犾犻狀犵犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犇犪狇犻狀犵犗犻犾犳犻犲犾犱犔犻犿犻狋犲犱犔犻犪犫犻犾犻狋狔犆狅犿狆犪狀狔犇犪狇犻狀犵１６３３１８，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅａｄａｐｔｅｄｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｉｌｌｉｎｇ，ａｅｒａｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｔｈａｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｃａｒｒｙｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｓ，ｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｌｅａｋａｇｅ，ｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｏｉｌａｎｄｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒ，ａｎｄｌｉｔｔｌｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄａｍａｇｅ，ｅｔｃ．ＧｕｏｍｏｄｅｌａｎｄＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈａｒｅｇａｓｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｉｎａｅｒａｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｏｆａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｆｌｏｗａｎｄｕｎｄｅｒｂａｌａｎｃｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｅｆｆｅｃｔｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｏｎｄｏｗｎｈｏｌｅｎｅｇａｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｈｅａｃｔｕａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌｍｏｄｅｌｉｓｍｏｄｉｆｉｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｆｌｏｗｍｏｄｅｌｂｙｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｓ．Ｗｈａｔ’ｓｍｏｒｅ，ａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｉｎｕｓｅｏｆｔｈｅｆｉｅｌｄｄａｔａｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｌａｗｏｆｔｈｅｆｌｏｗｉｎｔｈｅｓｈａｆｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｏｇｉｖｅｓｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｆｏｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａ，ｓｈｏｗｔｈａｔＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌｍｏｄｅｌｉｓａｐｐｌｉｃａｂｌｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ａｅｒａｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｇａｓｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗ；ｂｏｔｔｏｍｈｏｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｓ　　充气钻井技术已经广泛应用于油气钻井工程，然而，随着特殊油气藏勘探开发难度加大，以及现场对充气钻井压力的预测及控制精度的需求进一步提高，现有的多相流理论模型不能很好地揭示充气钻井过程中流体流动规律，需进一步发展和完善。在应用模型的过程中，对于在充气钻井过程中存在的问题、钻井过程中井底压力的控制、气液两相流动的问题俱无可避免地被涉及到。所以，对于两相流动规律问题的求解，展示钻井中各个工艺过程中的气液两相流动的参数分布规律，可加大充气钻井技术在国内的应用范围，使井控技术提高到一个全新的高度。为此，本文通过对充气钻井过程中多相流动的规律展开深入研究，考虑岩屑对井底压力的影响，对ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型进行了改进；以ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型为例对现场的充气钻井实例进行了模拟计算，分析了井筒流动规律，并将计算结果和现场实测结果对比分析，验证了模型的适用性。１　充气钻井气液两相流模型目前，国内外研究充气钻井气液两相流稳定流动模型概括起来有３大类：第１类是ＧｕｏＢｏｙｕｎ模型（简称Ｇｕｏ），该模型忽略了气液流速差异即滑脱效应，把井筒内充气钻井液看成是均匀混合物的稳定流动状态；第２类是稳定流计算模型，在利用经验公式的同时考虑了气液流速差异和流型分类，包括ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型（简称ＢＢ）、韩洪升和陈家琅模型（简称韩陈）、Ｏｒｋｉｓｚｅｗｓｋｉ模型（简称Ｏｒｋ）；第３类是稳定流动计算模型，根据力学模型考虑钻井液相间滑脱和预测流型，包括修正的ＨａｓａｎＫａｂｉｒ模型（简称ＨＢ）和Ａｎｓａｒｉ模型（简称Ａｎｓ）［１２］。在这些模型中影响最大的主是由ＧｕｏＢｏｙｕｎ等提出的Ｇｕｏ模型以及Ｂｅｇｇｓ和Ｂｒｉｌｌ提出的ＢＢ模型。１．１　犌狌狅模型流型预测研究是气液两相流研究的中心课题，流型预测的目的是要根据流型流动特征建立起适用于该流型的压降模型。Ｇｕｏ模型将充气钻井液视为气、液、固三相均匀的混合物，并基于泡状流这一假设，建立了基于力学能量方程、真实气体定律和质量分量平均密度的欠平衡钻井压降预测模型，该模型可以预测在给定的井眼几何尺寸和钻井液流速下保持最小井底压力所需的气相注入速度［３］。１．２　犅犅模型ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ是根据在小尺寸试验管道上模拟多·５·　第４４卷　第７期　　　　　闫　铁，等：充气钻井井筒压力分布规律模型适用性研究相流体流动所获得的试验数据基础上总结出的经验公式，给出了独立的多相流体流型判断模型以及持液率、压降计算关系式。该模型将钻井液流动形态划分为分离流、过渡流、间歇流和分散流，并且给出相应每种流型的持液率计算方法，同时考虑了加速度压降对总压降的影响，多用于工程多相流管路工艺计算［４５］。１．３　模型对比分析根据文献［６７］的数据资料，比较Ｇｕｏ模型和ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型预测数据与实测数据，计算两者的误差，如表１所示。表１　犌狌狅模型和犅犲犵犵狊犅狉犻犾犾模型对比数据井深／ｍＭｕｓｐａｃ５３井ＬＳＵ试验井２６０５２６１４１７６８１１８６１７６８压力测量值／ＭＰａ２３．２８２２．２１１７．６２１１．８２１８．３９Ｇｕｏ模型计算值／ＭＰａ１６．５６１５．４３１２．１７８．３６１７．０９绝对误差／ＭＰａ６．７２６．７８５．４５３．４６１．３０相对误差／％２８．９０３０．５０３０．９０２９．３０７．００ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型计算值／ＭＰａ１９．２６１８．２３１４．２９９．１９１５．９７绝对误差／ＭＰａ４．０２３．９８３．３３２．６３２．４２相对误差／％１７．３０１７．９０１８．９０２２．２０１３．２０２　犅犅模型的改进由于ＢｅｇｇｓＢｒｉｌｌ模型是基于室内试验得出的经验