井筒四相流動(dòng)理論在深水鉆完井工程與測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

孫寶江 王雪瑞 孫小輝 李 昊 王志遠(yuǎn) 高永海 盧義玉

1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 2. 重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院

0 引言

我國(guó)南海主要盆地的油氣資源量為707.8×108t，加大海洋深水油氣開發(fā)是破解我國(guó)能源安全風(fēng)險(xiǎn)難題的必然選擇之一[1-2]。隨著“深水”戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，我國(guó)深水油氣勘探開發(fā)業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展。

井筒多相流動(dòng)貫穿于鉆完井整個(gè)過程，包括鉆井、固井、完井、測(cè)試等。傳統(tǒng)的井筒兩相、三相流動(dòng)理論經(jīng)過了多年發(fā)展，能夠準(zhǔn)確模擬陸地和淺海鉆完井過程中的流動(dòng)問題[3-4]?；诰捕嘞嗔骼碚摚瑢?shí)現(xiàn)了鉆完井過程中井筒內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)模擬，為鉆完井井筒鉆井液動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度及井眼清潔、井壁穩(wěn)定等問題的水力參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，有效避免了鉆完井過程中安全事故的發(fā)生。

但是，較之于陸地和淺海，深水鉆完井卻面臨著許多新的工程難題，例如海底低溫誘發(fā)天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）生成、高溫高壓環(huán)境下存在的酸性氣體發(fā)生超臨界相態(tài)變化，以及窄安全密度窗口導(dǎo)致井涌、井漏等復(fù)雜事故。上述難題均與井筒多相流動(dòng)密切相關(guān)，若要提高井筒多相流動(dòng)的計(jì)算精度，就需要在理論研究方面取得一定突破，進(jìn)而對(duì)井筒多相流動(dòng)理論提出了更高的要求。

深水鉆完井過程中，井筒內(nèi)是氣相、液相、固相及超臨界相四相共存的復(fù)雜多相流動(dòng)過程。其中，氣相主要是產(chǎn)出的地層流體中包含的氣體，包括各種烴類與酸性氣體；液相主要是指井筒內(nèi)流動(dòng)的各類鉆完井液，包括鉆井液、完井液、水泥漿等；固相主要包括鉆井過程中產(chǎn)生的巖屑、深水環(huán)境下生成的水合物等；超臨界相主要是指地層中產(chǎn)出的酸性天然氣在高溫高壓條件下形成的超臨界態(tài)。流體在井筒中的流動(dòng)過程受溫度、壓力變化的影響，將發(fā)生氣相與超臨界相、氣相與水合物固相之間的轉(zhuǎn)換。此外，井筒流體由井底向井口的流動(dòng)過程中，在多相、多組分以及相態(tài)變化的綜合作用影響下，井筒內(nèi)多相流存在著氣泡流、彈狀流、攪動(dòng)流等多種流型之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)換。

因此，深水鉆完井過程中井筒內(nèi)流體流動(dòng)是一個(gè)多組分、存在著相變及流型轉(zhuǎn)化的復(fù)雜四相流動(dòng)過程。為了進(jìn)一步揭示深水鉆完井井筒多相流動(dòng)規(guī)律，筆者基于井筒四相流動(dòng)理論，闡述了其在深水油氣鉆完井工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展；然后，針對(duì)該理論在深水鉆完井某些特殊工況下存在的局限性，展望了井筒多相流動(dòng)理論未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以期為我國(guó)深水鉆完井工程的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 深水鉆完井井筒多相流面臨的特殊問題

深水鉆完井過程中，井筒流體在深水環(huán)境影響下呈現(xiàn)出與陸地鉆井不同的特征，從而導(dǎo)致深水鉆完井井筒多相流面臨特殊的問題。

1.1 深水鉆完井井筒交變溫度環(huán)境

深水鉆完井井筒處于海底低溫、井底高溫的交變溫度場(chǎng)環(huán)境[5]。通常，深水海底泥線處溫度較低，而泥線以下地層溫度不斷增加。深水特殊的溫度、壓力環(huán)境對(duì)鉆井過程中井筒內(nèi)鉆井液的流變性影響明顯，對(duì)固井過程中水泥漿的水化性能影響也顯著，從而影響深水鉆完井井筒多相流動(dòng)過程。

1.2 水合物相態(tài)變化

深水海床附近處于低溫、高壓環(huán)境，容易導(dǎo)致井筒內(nèi)烴類氣體與水結(jié)合生成水合物[6]。鉆井過程中，水合物的生成會(huì)顯著改變井筒內(nèi)氣體組分，從而影響井筒多相流動(dòng)特征和流動(dòng)規(guī)律。在深水氣井測(cè)試過程中，水合物的生成、沉積可能會(huì)導(dǎo)致井筒堵塞，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引發(fā)憋壓、生產(chǎn)停滯等安全事故。

1.3 酸性氣體超臨界相態(tài)變化

我國(guó)南海深水鉆井過程中，侵入井筒的流體通常高含H2S、CO2等酸性氣體[7]。在井底高溫高壓環(huán)境下酸性氣體常處于超臨界狀態(tài)。隨著氣體向上運(yùn)移，井筒溫度、壓力逐漸降低，處于超臨界態(tài)的酸性氣體逐漸轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。酸性氣體超臨界相態(tài)變化導(dǎo)致深水油氣井井筒多相流動(dòng)呈現(xiàn)更為復(fù)雜的流動(dòng)規(guī)律，充分考慮超臨界相態(tài)的影響是深水鉆完井井筒多相流動(dòng)精確模擬的前提。

1.4 深水地層窄安全密度窗口

將海域深水儲(chǔ)層上覆巖層用海水替代，在如此低的上覆巖層壓力下考慮地層被壓實(shí)，導(dǎo)致地層破裂壓力較低，孔隙壓力與破裂壓力之間的窗口較窄，容易誘發(fā)井涌、井漏等復(fù)雜事故[8]，從而對(duì)深水鉆完井井筒流動(dòng)壓力精細(xì)控制提出了更高要求。

2 井筒四相流動(dòng)模型

基于傳統(tǒng)的井筒兩相、三相流動(dòng)理論，結(jié)合深水鉆井過程中井筒內(nèi)多相流動(dòng)具體特征，孫寶江等[9]、王志遠(yuǎn)等[10-12]豐富并發(fā)展了適應(yīng)于深水鉆完井的井筒氣相、液相、固相以及超臨界相四相流動(dòng)模型，建立了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及相關(guān)輔助方程。

2.1 連續(xù)性方程

結(jié)合深水鉆井期間井筒內(nèi)流體組分特征，分別建立了超臨界相、氣相、液相（鉆井液、產(chǎn)出水、產(chǎn)出油）和固相（巖屑、水合物）流動(dòng)過程的連續(xù)性方程[9-10]。

2.1.1 超臨界相

式中t表示時(shí)間，s；A表示井筒環(huán)空截面積，m2；ρ表示流體密度，kg/m3；f表示密度函數(shù)；p表示壓力，MPa；T表示溫度，℃；M表示分子量；S表示超臨界因子，無(wú)因次；s表示沿流動(dòng)方向坐標(biāo)，m；v表示流速，m/s；E表示體積分?jǐn)?shù)；q表示產(chǎn)出量，kg/(s·m)；q′表示酸性氣體組分的溶解量，kg/(s·m)；下標(biāo)sc表示超臨界相；下標(biāo)i表示各酸性氣體。

2.1.2 氣相

式中Rs表示原油溶解油氣比，m3/m3；ρgs表示標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣相密度，kg/m3；Bo表示原油體積系數(shù)；xg表示水合物中天然氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無(wú)量綱；rH表示水合物的生成/分解量，kg/(s·m)；下標(biāo)g表示天然氣相；下標(biāo)o表示油相。

2.1.3 液相

鉆井液連續(xù)性方程為：

式中下標(biāo)m表示鉆井液相。

產(chǎn)出油連續(xù)性方程為：

產(chǎn)出地層水連續(xù)性方程為：

式中下標(biāo)w表示產(chǎn)出水相。

2.1.4 固相

巖屑相連續(xù)性方程為：

式中下標(biāo)c表示巖屑。

水合物相連續(xù)性方程為：

式中下標(biāo)H表示水合物相。

各組分含量需要滿足式（8），即

2.2 動(dòng)量方程

根據(jù)井筒多相流動(dòng)特征，井筒多相流動(dòng)量守恒方程為[11-12]：

式中v表示流體流速，m/s；g表示重力加速度，m/s2；α表示井斜角，（°）；i取值為1、2、3、4，分別表示酸性氣體超臨界相、氣相、液相及固相；n表示不同相態(tài)中的組分?jǐn)?shù)；下標(biāo)j表示多相流中各組分。

2.3 能量方程

在深水鉆完井特殊環(huán)境影響下，井筒內(nèi)流體的流動(dòng)通常伴隨有水合物相變，水合物生成會(huì)吸收熱量，分解會(huì)釋放部分熱量。因此，構(gòu)建深水井筒多相流能量方程需要考慮水合物相變焓的影響。此外，深水環(huán)境下井筒溫度在地層段與海水段具有不同的分布特征，需要分別進(jìn)行構(gòu)建[3-4]。

地層段環(huán)空多相流能量方程為：

其中

式中C表示流體比熱容，J/(kg·℃)；Tei表示環(huán)境溫度，℃；Ta表示環(huán)空流體溫度，℃；TDP表示鉆桿內(nèi)溫度，℃；ΔHH表示水合物的相變焓，J/mol；MH表示水合物分子量；ke表示地層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；rco、rti分別表示套管外徑以及鉆桿的內(nèi)徑，m；Ua表示環(huán)空流體與地層的總傳熱系數(shù)，W/(m·℃)；TD表示瞬態(tài)傳熱函數(shù)；Ut表示鉆柱流體與環(huán)空的總傳熱系數(shù)，W/(m·℃)。

海水段環(huán)空多相流能量方程與式（10）相同，但由于井筒周圍與海水發(fā)生熱量交換，A'的表達(dá)式不同，有

鉆桿內(nèi)多相流能量方程為：

式中下標(biāo)DP表示鉆桿。

2.4 輔助方程

2.4.1 水合物相平衡條件

水合物相平衡條件可根據(jù)熱力學(xué)平衡理論獲得[13]，即

其中

若加入抑制劑，則有

式中Δμ0表示水在完全空的水合物晶格與參考狀態(tài)下純水之間的化學(xué)位差，J/mol；R表示氣體常數(shù)，取值為8.314 J/(mol·K)；TH表示水合物生成溫度，K；T0表示標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，取值為273.15 K；ΔH0表示水在完全空的水合物晶格與純水相之間的摩爾比焓差，J/kg；ΔCK表示水在完全空的水合物晶格與純水相之間的比熱容差，J/(kg·K)；pH表示水合物生成壓力，Pa；p0標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，Pa；ΔV表示水在完全空的水合物晶格與純水相之間的摩爾體積差，m3/kg；fw表示溶液中水的逸度，Pa；fwr表示參考狀態(tài)（TH，pH）下水的逸度，Pa；l表示水合物種類數(shù)量；Mk表示k型空穴數(shù)與水合物相中水分子數(shù)的比值；L表示氣體種類數(shù)量；θkm表示k型空穴被m類氣體分子占據(jù)的概率；xw表示水的摩爾濃度，無(wú)量綱；yw表示溶液中水的活度系數(shù)，無(wú)量綱。

2.4.2 酸性氣體溶解度方程

借助氣液相平衡可以獲取氣體在液體中的溶解度，根據(jù)狀態(tài)方程可以得到相平衡方程[14-15]，即

3 井筒四相流動(dòng)理論在深水油氣鉆完井工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

深水鉆完井面臨著水合物生成、酸性氣體超臨界相變等工程難題采用深水鉆完井井筒四相流動(dòng)模型能夠解決深水鉆完井工程計(jì)算精度要求高的難題?；诰菜南嗔鲃?dòng)理論模型，利用自主研發(fā)的深水鉆井井筒水力學(xué)動(dòng)態(tài)模擬軟件，分別圍繞深水鉆完井井筒溫度/壓力、深水精細(xì)控壓鉆井、深水壓井、深水氣井測(cè)試等領(lǐng)域開展數(shù)值模擬，揭示了深水鉆完井在不同工況下的井筒流動(dòng)特征，為深水鉆完井工程提供理論依據(jù)。

3.1 深水鉆完井井筒溫度、壓力精確預(yù)測(cè)技術(shù)

為了預(yù)防井涌、井漏風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生，井筒溫度/壓力的精確計(jì)算是水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提條件。早期研究一直將井筒溫度、壓力作為兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)展出了Ramey[16]、Willihite[17]、Hasan等[3-4]經(jīng)典預(yù)測(cè)模型。但是，在深水鉆井過程中，井筒內(nèi)鉆井液流變性受大溫差、壓差環(huán)境的影響明顯。因此，精確預(yù)測(cè)深水鉆井過程中井筒內(nèi)溫度、壓力，應(yīng)該充分考慮鉆井液流變性沿井筒的變化，需要將井筒溫度、壓力的計(jì)算耦合起來(lái)?；诰层@井液流變性研究，已逐漸形成了完善的深水鉆完井井筒溫度、壓力耦合預(yù)測(cè)模型[18]。圖1為深水鉆井井筒內(nèi)溫度、壓力剖面，根據(jù)模擬結(jié)果，井筒深部具有較高的溫度，而井筒淺部在海水低溫環(huán)境影響下溫度較低；相比于陸地鉆井，由于受到海水段靜液柱壓力的作用，該井筒壓力明顯較高。該模擬井所處水深為1 260 m，井深為4 360 m，排量為60 L/s，鉆井液密度為1.40 g/cm3，地溫梯度為4 ℃/100 m。溫壓流變性對(duì)井筒壓力精確預(yù)測(cè)的影響不可忽略。

圖1 深水鉆井井筒溫度、壓力剖面圖

精確預(yù)測(cè)固井井筒溫度壓力場(chǎng)是固井工藝及水泥漿性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提條件。當(dāng)前工業(yè)界最常用的預(yù)測(cè)固井井筒溫度場(chǎng)的方法是美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）提出的半經(jīng)驗(yàn)方法[19]，但該方法是基于鄰井資料的一種估算方法，相對(duì)誤差較大。Davies等[20]、Bittleston[21]、Guillot等[22]分別建立了熱傳導(dǎo)物理模型來(lái)提高固井井筒溫度預(yù)測(cè)的精度。針對(duì)固井井筒壓力場(chǎng)的研究，Carter等[23]首先發(fā)現(xiàn)了候凝期間壓力降低的現(xiàn)象；在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究，形成了相關(guān)理論及壓力預(yù)測(cè)公式[24-26]。

在深水固井過程中，井筒內(nèi)水泥漿的水化性能對(duì)溫度和壓力非常敏感，低溫低壓環(huán)境會(huì)降低水泥漿的水化速率，進(jìn)而導(dǎo)致水泥漿水化度、膠凝強(qiáng)度等水化性能隨時(shí)間、空間發(fā)生變化[27-28]。同時(shí)，水泥漿水化熱的釋放會(huì)使水泥溫度升高，在熱膨脹作用下誘發(fā)水泥環(huán)內(nèi)熱應(yīng)力增大，進(jìn)而導(dǎo)致水泥環(huán)內(nèi)微裂縫的形成[29]；水泥漿水化過程的“失重現(xiàn)象”導(dǎo)致水泥環(huán)內(nèi)部壓力隨時(shí)間不斷下降，也會(huì)誘發(fā)固井時(shí)氣竄風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生[30-31]?；谒酀{水化動(dòng)力學(xué)理論，王雪瑞等[32]充分考慮水泥漿水化反應(yīng)、溫度、壓力三者的相互作用，構(gòu)建了深水固井井筒溫度壓力耦合預(yù)測(cè)模型。圖2為深水固井井筒內(nèi)水泥漿瞬態(tài)溫度、壓力剖面，該模擬井所處水深為1 260 m，井深為2 560 m，水泥漿密度為1.80 g/cm3，地溫梯度為4℃/100 m，井眼尺寸為660 mm。為了預(yù)防固井氣竄風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，精確的溫度/壓力預(yù)測(cè)是進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提條件。

3.2 深水鉆井井涌動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)

深水鉆井井涌發(fā)生后，地層流體侵入到井筒內(nèi)，此時(shí)井筒內(nèi)流體流動(dòng)由穩(wěn)態(tài)的液固兩相流轉(zhuǎn)化為非穩(wěn)態(tài)的氣、液、固、超臨界相四相流動(dòng)。基于井筒四相流動(dòng)理論，可以對(duì)井涌后井筒內(nèi)多相流動(dòng)過程進(jìn)行模擬，并且對(duì)井涌過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，為工程師識(shí)別井涌特征，進(jìn)而消除氣侵流體提供理論指導(dǎo)[33-34]。

圖2 深水固井水泥漿瞬態(tài)溫度、壓力剖面圖

3.2.1 水合物相變影響下的井筒氣侵特征

當(dāng)侵入井筒的烴類氣體運(yùn)移到井筒中低溫高壓位置附近時(shí)，烴類氣體容易與井筒內(nèi)水相結(jié)合生成固態(tài)的水合物。借助井筒四相流動(dòng)理論，獲取井筒溫度、壓力曲線，再結(jié)合水合物相平衡曲線，兩者形成的閉合區(qū)域所對(duì)應(yīng)的深度范圍即為水合物的生成區(qū)域（圖3-a），在水合物生成區(qū)域內(nèi)，相同深度的水合物相平衡溫度與井筒溫度的差值即為水合物生成的過冷度，該區(qū)域橫向?qū)挾仍酱髣t過冷度越大，水合物生成速率則越高。通常在海床附近，由于井筒內(nèi)處于低溫高壓環(huán)境，容易生成水合物。如圖3-b所示，水合物生成會(huì)耗掉一部分氣體，但伴隨著流體在環(huán)空內(nèi)繼續(xù)上移，固相水合物會(huì)再次分解生成水和烴類氣體，水合物相態(tài)變化明顯影響著井筒氣體體積分?jǐn)?shù)的分布特征[12]。該模擬井所處水深為1 500 m，井深為4 000 m，鉆井液密度為1.10 g/cm3，地溫梯度為2.7 ℃/100 m，排量為30 L/s，地層壓力為45.6 MPa，氣相滲透率為550 mD，產(chǎn)層厚度為15 m。

深水鉆井井涌過程中，井筒內(nèi)水合物的生成將改變井筒內(nèi)的氣侵特征，若有大量水合物生成甚至?xí)?dǎo)致井筒被堵塞，增加了深水鉆井井控難度。目前，主要有3種深水鉆井井筒水合物控制方法：①基于井筒四相流動(dòng)模型，精確模擬井筒中流體的流動(dòng)，明確受水合物相變影響下的井筒氣侵特征，進(jìn)而提高井涌早期檢測(cè)的準(zhǔn)確性；②基于井筒四相流動(dòng)模型，優(yōu)化深水鉆井排量、鉆井液密度等水力參數(shù)，使井筒內(nèi)水合物生成區(qū)域范圍減?。虎巯蚓矁?nèi)注入水合物抑制劑，并且基于井筒四相流動(dòng)模型確定合理的抑制劑注入量，以避免井筒內(nèi)水合物的生成。

3.2.2 高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵特征

當(dāng)侵入井筒的酸性氣體處于井底高溫高壓環(huán)境，并且溫度、壓力大于該酸性氣體的臨界溫度、壓力（CO2臨界溫度為31.05 ℃、臨界壓力為7.38 MPa；H2S臨界溫度為100.45 ℃、臨界壓力為9.00 MPa）時(shí)，酸性氣體會(huì)處于超臨界態(tài)。借助井筒四相流動(dòng)理論，獲取井筒溫度、壓力曲線，再結(jié)合酸性氣體臨界溫度、壓力條件，則可以確定酸性氣體超臨界相態(tài)在井筒內(nèi)的穩(wěn)定分布區(qū)域。

基于井筒多相流動(dòng)理論，結(jié)合酸性氣體溶解度方程，可以獲取含酸性氣體氣侵過程中的井筒內(nèi)溶解度分布。H2S及CO2溶解度遠(yuǎn)大于CH4，前兩者溶解度分別為CH4溶解度的162倍和11倍。因此，隨著混合氣體中酸性組分含量的增加，氣體溶解度也隨之升高。但在井筒淺部，由于溫度壓力降低，氣體溶解度明顯降低（圖4-a）。

基于井筒多相流動(dòng)理論，綜合考慮酸性氣體超臨界特性及酸性氣體的溶解，研究高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵特征。酸性氣體在井底為超臨界態(tài)，密度較高，大量溶解，并且酸性氣體含量越高，氣體體積分?jǐn)?shù)越小。當(dāng)酸性氣體運(yùn)移至井口附近時(shí)，由于溫度、壓力的降低，酸性氣體發(fā)生相變，由超臨界態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，氣體急劇膨脹，并且酸性氣體含量越高，氣體膨脹程度越大；同時(shí)，在井口附近由于酸性氣體溶解度迅速降低使酸性氣體大量溢出，酸性氣體含量高的氣體體積分?jǐn)?shù)明顯高于酸性氣體含量低的氣體體積分?jǐn)?shù)（圖4-b），該模擬井所處水深為1 000 m，井深為4 000 m，鉆井液密度為1.13 g/cm3，地溫梯度為2.7 ℃/100 m，排量為30 L/s，地層壓力系數(shù)為1.17 MPa/100 m。因此，高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵具有隱蔽性強(qiáng)的特征[9]，從而對(duì)深水鉆完井安全會(huì)造成嚴(yán)重的威脅。

圖3 水合物相變影響下的井筒氣侵特征曲線圖

圖4 高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵特征曲線圖

由于高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵隱蔽性強(qiáng)，增加了深水鉆井井控難度。目前，應(yīng)對(duì)高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵難題主要有3種方法：①基于井筒四相流動(dòng)模型，精確模擬井筒中流體的流動(dòng)，明確受高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵特征，進(jìn)而提高井涌早期檢測(cè)的準(zhǔn)確性；②基于井筒四相流動(dòng)模型，優(yōu)化深水鉆井水力參數(shù)，抑制酸性氣體在井筒內(nèi)的膨脹，如通過增加井口回壓，來(lái)防止酸性氣體在井口快速膨脹；③向井筒內(nèi)注入酸性氣體抑制劑，基于井筒四相流動(dòng)模型來(lái)確定抑制劑合理注入量，如圖5所示，隨著抑制劑注入量的增加，酸性氣體被不斷消耗，使泥漿池增量降低。

圖5 不同抑制劑濃度下泥漿池增量變化曲線圖

3.3 壓井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

井涌、氣侵發(fā)生后，需要借助壓井來(lái)排出侵入井筒的流體，進(jìn)而重新建立井筒內(nèi)壓力平衡以防止溢流的進(jìn)一步發(fā)生[35-36]。在壓井液的驅(qū)動(dòng)下，侵入井筒的流體從井底運(yùn)移到井口再排出井筒，井筒內(nèi)為一個(gè)組分復(fù)雜的四相流動(dòng)過程，同時(shí)還會(huì)發(fā)生復(fù)雜的多相流型轉(zhuǎn)化。借助井筒四相流動(dòng)理論，通過模擬壓井過程中井筒內(nèi)流動(dòng)過程，為壓井水力參數(shù)設(shè)計(jì)提供支撐。

壓井井筒內(nèi)的多相流動(dòng)模擬需要考慮多種因素的影響，包括不同氣體在鉆井液內(nèi)的溶解度、在溫度/壓力作用下氣體沿井筒的膨脹過程、超臨界流體的相態(tài)變化、井筒內(nèi)不同流型間的相互轉(zhuǎn)化等。此外，由于在壓井過程中逐漸采用加重鉆井液來(lái)替換原鉆井液，使得壓井井筒內(nèi)多相流動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜的瞬態(tài)變化過程?；诰菜南嗔鲃?dòng)理論，動(dòng)態(tài)模擬壓井過程中井筒內(nèi)的壓力瞬態(tài)變化，進(jìn)而為壓井時(shí)壓井液密度、壓井排量、立壓、套壓等水力參數(shù)設(shè)計(jì)提供支撐。圖6展示了壓井過程中立壓、套壓的模擬曲線，該模擬井所處水深為600 m，井深為3 000 m，原鉆井液密度為1.15 g/cm3，加重鉆井液密度為1.42 g/cm3，地溫梯度為3.3 ℃/100 m，壓井排量為30 L/s，地層壓力為39.6 MPa，產(chǎn)出氣速率為100 L/s。

如圖6所示，司鉆法壓井過程中井口立壓的變化可以劃分為3個(gè)階段：在階段Ⅰ，使用原鉆井液驅(qū)替井筒內(nèi)的溢流氣體，該階段立壓無(wú)明顯變化；在階段Ⅱ，加重鉆井液進(jìn)入鉆桿，該階段立壓下降明顯；在階段Ⅲ，加重鉆井液充滿鉆桿后進(jìn)入環(huán)空，立壓維持不變。井口套壓的變化可以分為4個(gè)階段：在階段Ⅰ，溢流氣體在原鉆井液的驅(qū)動(dòng)下向井口運(yùn)移，由于受到酸性氣體膨脹作用的影響，該階段井口套壓不斷增加；在階段Ⅱ，溢流氣體運(yùn)移到井口再逐漸從井口排出，該階段井口套壓逐漸下降；在階段Ⅲ，環(huán)空內(nèi)氣體已經(jīng)全部排空，該階段井口套壓無(wú)明顯變化；在階段Ⅳ，由于加重鉆井液進(jìn)入環(huán)空，該階段井口套壓又逐漸下降，然后重新建立井筒內(nèi)壓力平衡。

圖6 壓井過程中立壓、套壓模擬曲線圖

3.4 深水氣井測(cè)試流動(dòng)保障技術(shù)

在深水氣井測(cè)試過程中，水合物的生成可能會(huì)導(dǎo)致井筒堵塞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)憋壓、生產(chǎn)停滯等安全事故[37-38]。當(dāng)前常用的水合物防治方法是向測(cè)試管柱內(nèi)注入大量熱力學(xué)抑制劑（甲醇、乙二醇等），從而使整個(gè)井筒中無(wú)水合物生成區(qū)域。該方法雖然能較有效地預(yù)防水合物生成，但仍面臨諸多問題。如水合物抑制劑的注入量會(huì)隨著氣產(chǎn)量和含水率增大而大幅上升，進(jìn)而極大增加了水合物預(yù)防成本；對(duì)于深水高壓氣井而言，由于水合物抑制劑注入壓力顯著升高，明顯增加了水合物抑制劑注入的難度；當(dāng)前，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)要求高，而一旦發(fā)生水合物抑制劑泄露，很容易引發(fā)海洋污染。

隨著對(duì)井筒多相流動(dòng)理論的研究逐步深入，針對(duì)深水氣井測(cè)試過程中水合物的防治也形成了新的方法。由于部分水合物顆粒會(huì)隨氣相一起流動(dòng)，生成的水合物并不都會(huì)沉積在管壁上，而且，發(fā)生水合物沉積也并不意味著井筒就會(huì)被堵塞。如圖7-a所示，隨著測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)，測(cè)試管柱內(nèi)壁上的水合物沉積層逐漸增厚，并且測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，水合物沉積層厚度的分布越不均勻，最厚的位置則是發(fā)生水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)概率最高的地方。若測(cè)試管柱中的最大水合物沉積層厚度超過臨界值，就意味著管柱中已存在水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)[39]。在此基礎(chǔ)上，提出了一種拓展安全作業(yè)窗口的水合物堵塞防治方法[40]。如圖7-b所示，在不同的乙二醇濃度條件下，隨著測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)，最大無(wú)因次厚度逐漸增大。設(shè)置臨界厚度為0.5，針對(duì)不同測(cè)試時(shí)間則可以進(jìn)行水合物抑制劑濃度的優(yōu)選，進(jìn)而減少水合物抑制劑的大量盲目使用，從而降低深水氣井測(cè)試期間的水合物防治成本。圖6涉及的模擬井水深為1 530 m，井深為3 450 m，地層壓力為37.6 MPa，地溫梯度為3 ℃/100 m，井底溫度為90.5 ℃，測(cè)試管柱內(nèi)徑為85.6 mm，天然氣產(chǎn)量為45×104m3/d，天然氣相對(duì)密度為0.631，液體產(chǎn)量為20 m3/d。

圖7 井筒中水合物流動(dòng)障礙演化規(guī)律變化曲線圖

另外，針對(duì)水合物堵塞的防治，還提出了一種合理調(diào)整測(cè)試制度的方法。該方法通過高測(cè)試產(chǎn)量下的溫度升高來(lái)分解在低測(cè)試產(chǎn)量下生成、沉積在管壁上的水合物，進(jìn)而減輕管柱中水合物的堵塞程度，可以避開水合物抑制劑的使用，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)有明顯優(yōu)勢(shì)[41]。

4 深水鉆井井筒多相流動(dòng)理論發(fā)展趨勢(shì)展望

目前，井筒多相流動(dòng)理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于深水鉆完井工程的各個(gè)領(lǐng)域，所取得的研究成果為深水鉆完井安全高效施工提供了技術(shù)支撐。但是，在深水鉆完井某些特殊工況下，當(dāng)前的井筒多相流動(dòng)理論在應(yīng)用時(shí)還存在一定的局限性。

4.1 井筒與深水特殊地層耦合作用機(jī)制

對(duì)于一些深水特殊地層，受井筒多相流動(dòng)的擾動(dòng)影響顯著，易發(fā)生惡性漏失。目前，井筒多相流動(dòng)理論對(duì)于該類特殊地層中井筒與地層流體耦合作用機(jī)制考慮不足，具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

4.1.1 縫洞型儲(chǔ)層

縫洞型儲(chǔ)層孔、洞、裂縫發(fā)育，鉆遇該類地層則容易發(fā)生惡性漏失，如何精確預(yù)測(cè)惡性漏失對(duì)井筒多相流動(dòng)的影響，并且通過精確控制井筒壓力、優(yōu)化工作液體系，結(jié)合其他堵漏技術(shù)來(lái)處理該類特殊地層鉆井的復(fù)雜問題，仍有待研究。

4.1.2 大段鹽膏層

大段鹽膏層容易發(fā)生蠕變流動(dòng)和塑性變形，鹽膏層的溶解會(huì)引起工作液污染、井壁垮塌、沉沙卡鉆、結(jié)晶堵塞等問題。針對(duì)該類特殊地層，需要進(jìn)一步研究鹽膏層溶解對(duì)井筒流體流動(dòng)的影響機(jī)制，完善考慮鹽膏層溶解影響下的井筒多相流動(dòng)理論，以及應(yīng)對(duì)該復(fù)雜工況的鉆井液與固井水泥漿體系。

4.1.3 深水淺層流、淺層氣

深水淺層流、淺層氣普遍發(fā)育在我國(guó)南海海域，由于其所處的層位淺、體積小、壓力高，預(yù)測(cè)難度大，一旦發(fā)生井涌井噴，危險(xiǎn)系數(shù)大。針對(duì)該類特殊地層，需要完善高壓、大氣量氣侵情況下的井筒多相流動(dòng)模型，如何及時(shí)有效地消除其影響也需要開展深入的研究。

4.2 深海天然氣水合物鉆井井筒多相流動(dòng)理論

深海天然氣水合物是重要的海洋能源之一，其儲(chǔ)量大、埋藏淺、能量密度高并且分布范圍廣。在水合物的鉆采過程中井筒內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層會(huì)產(chǎn)生明顯擾動(dòng)，導(dǎo)致水合物層發(fā)生相態(tài)變化，進(jìn)而破壞其穩(wěn)定性。目前，針對(duì)深海天然氣水合物的開發(fā)，還有很多工作仍處于探索階段，其中水合物層鉆井井筒多相流動(dòng)理論尚需要進(jìn)一步發(fā)展。

4.2.1 水合物層鉆井對(duì)儲(chǔ)層擾動(dòng)機(jī)理研究

在深海天然氣水合物層鉆井過程中，由于受到井筒內(nèi)鉆井液流動(dòng)的影響，井筒與水合物層之間發(fā)生熱量交換，從而打破水合物相平衡，導(dǎo)致近井地帶水合物層過早分解，從而降低水合物層正式開采后的天然氣采出量。為此，有必要開展水合物層鉆井過程中井筒多相流與儲(chǔ)層的相互作用機(jī)制。

4.2.2 水合物層鉆井井壁穩(wěn)定性研究

水合物層鉆井對(duì)儲(chǔ)層的擾動(dòng)作用會(huì)導(dǎo)致井筒周邊水合物層分解，弱化儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而在井筒流體流動(dòng)作用下容易誘發(fā)井壁失穩(wěn)、坍塌等事故發(fā)生。因此，有必要考慮井筒多相流動(dòng)、水合物層相平衡及近井地帶應(yīng)力場(chǎng)的綜合影響，開展水合物層鉆井井壁穩(wěn)定性的研究。

4.2.3 水合物層固井井筒氣竄機(jī)理研究

在水合物層固井過程中，水泥漿發(fā)生水化反應(yīng)將釋放出大量的熱，進(jìn)而誘發(fā)井筒附近水合物分解，導(dǎo)致水泥環(huán)與儲(chǔ)層交界面力學(xué)特性的弱化，極易破壞該交界面的封固完整性，使水合物層分解氣和水沿破裂的水泥環(huán)與儲(chǔ)層交界面發(fā)生竄流，嚴(yán)重威脅井筒安全性。因此，有必要開展水合物層固井井筒氣竄機(jī)理研究。

4.3 支撐深水鉆井新技術(shù)的井筒多相流動(dòng)理論

近幾年國(guó)外出現(xiàn)了許多深水鉆井新技術(shù)，如深水無(wú)隔水管鉆井、深水泥漿帽鉆井、深水雙梯度鉆井等。雖然這些新技術(shù)還未在我國(guó)得到應(yīng)用，但伴隨我國(guó)油氣勘探開發(fā)向深水邁進(jìn)，這些新技術(shù)極有可能應(yīng)用于我國(guó)南海，因而針對(duì)這些鉆井新技術(shù)的具體工藝，還需要進(jìn)一步完善井筒多相流動(dòng)理論來(lái)支撐。

5 結(jié)論

1）基于深水鉆完井井筒四相流動(dòng)理論，能夠充分考慮深水井筒中的各種物理化學(xué)現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)井筒瞬態(tài)溫度、壓力的精確刻畫，為深水鉆完井水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2）深水鉆井井涌發(fā)生后，在泥線低溫高壓環(huán)境作用下，井筒內(nèi)氣相易發(fā)生水合物相變，從而改變井筒氣體體積分?jǐn)?shù)的分布特征，基于井筒四相流動(dòng)理論能夠進(jìn)一步揭示含水合物相變的井涌氣侵特征。

3）在井底高溫高壓作用下，井筒酸性氣氣體存在超臨界相變，導(dǎo)致高含酸性氣體的氣侵具有“隱蔽性”，基于井筒四相流動(dòng)理論能夠揭示酸性氣體氣侵機(jī)理，為井涌早期監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

4）深水氣井測(cè)試過程中，井筒四相流動(dòng)理論能夠準(zhǔn)確刻畫井筒內(nèi)水合物沉積、堵塞全過程，為深水氣井測(cè)試過程中水合物的防治提供理論依據(jù)。