井下防噴器坐封后多相流瞬態(tài)流動(dòng)規(guī)律研究

谷 磊，胡藝凡，馬蘭榮，尹慧博，李 皋

1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 朝陽(yáng) 100101

2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

引言

隨著油氣開(kāi)發(fā)的不斷深入開(kāi)展，勘探目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向深部地層，在鉆井過(guò)程中，井漏、氣侵、溢流等復(fù)雜情況多發(fā)，井控風(fēng)險(xiǎn)極大。常規(guī)鉆井過(guò)程在發(fā)生溢流、井涌后通過(guò)井口防噴器防止井噴的發(fā)生，井口防噴器坐封后井筒侵入大量高壓氣體使套壓升高，壓井難度大、周期長(zhǎng)、成本高。若能充分利用井下防噴器，將井下防噴器與鉆柱連接，在鉆進(jìn)、起下鉆過(guò)程發(fā)生溢流、井涌時(shí)，井下防噴器坐封實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)層環(huán)空封隔，并建立循環(huán)通道、提供壓井條件，相當(dāng)于將井口防噴器移至井下，能夠?qū)⒏邏簹怏w控制在源頭、減小井口壓力，有效降低井控風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。因此，井下防噴器有較大的應(yīng)用前景。

雖然井下防噴器在高壓、超深、高溫區(qū)塊具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但目前在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)仍存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）當(dāng)井下防噴器坐封后，下部井筒仍受氣侵的影響，井筒壓力持續(xù)增高，對(duì)井下防噴器的密封性能造成考驗(yàn)，甚至還有壓漏地層的風(fēng)險(xiǎn)；（2）井下防噴器坐封后地面的立壓、套壓等錄井?dāng)?shù)據(jù)不能夠真實(shí)反映防噴器下部井筒的真實(shí)流動(dòng)情況，常規(guī)的壓井理論難以適應(yīng)。

針對(duì)井下防噴器的研究工作主要涉及井下防噴器的設(shè)計(jì)與坐封功能實(shí)現(xiàn)[3-5]，密封性能與穩(wěn)定運(yùn)行分析[6-9]，應(yīng)力分析[10]，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與仿真研究[11-12]等。井下防噴器的流動(dòng)實(shí)質(zhì)上是密閉空間內(nèi)的多相流流動(dòng)，涉及井筒-儲(chǔ)層內(nèi)的物質(zhì)交換，對(duì)于井筒地層多相流的研究，已經(jīng)深入到較為復(fù)雜的研究階段[13-16]。同時(shí)，井下防噴器的流動(dòng)過(guò)程與關(guān)井過(guò)程中的井筒內(nèi)流動(dòng)也很類(lèi)似，在這方面也有許多研究[17-19]。但對(duì)于其坐封后井筒多相流瞬態(tài)流動(dòng)規(guī)律的研究較少，尚未見(jiàn)有價(jià)值的研究成果。正因如此，井下防噴器的概念提出已約40 年，仍處于地面試驗(yàn)或樣機(jī)試制階段，還未大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

目前，針對(duì)井下防噴器井筒壓力控制理論的研究近乎空白，常規(guī)鉆井井筒多相流及井筒壓力控制理論研究成果雖然能夠提供必要的理論參考，但由于井下防噴器坐封后上部井筒重新建立循環(huán)，井筒被分割為上部井筒和下部井筒，井筒多相流流動(dòng)邊界發(fā)生變化，常規(guī)鉆井井筒多相流理論無(wú)法適應(yīng)下部井筒的真實(shí)情況，常規(guī)井控理論無(wú)法適用。為此，針對(duì)井下防噴器坐封后下部井筒復(fù)雜流動(dòng)特性，建立一套防噴器坐封后下部井筒地層-井筒耦合瞬態(tài)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值求解，得出全井筒的壓力演變規(guī)律，為井下防噴器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全作業(yè)時(shí)間及井下防噴器井筒壓力控制工藝提供必要的理論依據(jù)。

1 井下防噴器坐封后流體動(dòng)力學(xué)分析

1.1 井下防噴器工作過(guò)程

井下防噴器最早的提出源于海洋鉆井。海洋鉆井過(guò)程中由于地層結(jié)構(gòu)脆弱，采用重漿壓井可能會(huì)破壞儲(chǔ)層，導(dǎo)致事故頻發(fā)，為此，開(kāi)始研制井下防噴器。井下防噴器是一種井下的井控工具，主要功能是在溢流或者井噴的時(shí)候能夠坐封切斷環(huán)空體積內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)移，同時(shí)，在解封之后能夠繼續(xù)保持物質(zhì)運(yùn)移。常用的井下防噴器包括旋塞閥式防噴器、插板閥式防噴器以及提升閥式防噴器。

本文所述的井下防噴器與鉆柱連接，當(dāng)鉆進(jìn)、起下鉆過(guò)程中溢流、井涌出現(xiàn)時(shí)，井下防噴器坐封實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)層環(huán)空封隔。封隔后下部井筒存在一定的體積，會(huì)持續(xù)受到氣侵的影響，地層中的流體會(huì)繼續(xù)進(jìn)入到井筒內(nèi)直到地層與井底的壓力平衡。井筒壓力升高時(shí)，在防噴器下氣柱壓力不高于膠筒最大承壓能力的時(shí)間區(qū)間內(nèi)都可進(jìn)行壓井作業(yè)循環(huán)。在此時(shí)間內(nèi)，循環(huán)壓井使井下壓力平衡，井下防噴器解封繼續(xù)正常鉆進(jìn)，其工作過(guò)程如圖1 所示。

圖1 井下防噴器示意圖Fig.1 Schematic diagram of down-hole BOP

1.2 防噴器坐封后多相流瞬態(tài)流動(dòng)模型

1.2.1 井筒多相流流動(dòng)基本模型

當(dāng)井底發(fā)生氣侵或者溢漏同存時(shí)，井下防噴器進(jìn)行坐封。此時(shí)防噴器下部流動(dòng)空間包含氣液兩相，采用氣液兩相漂移流模型，控制方程組包含兩個(gè)連續(xù)方程和一個(gè)混合動(dòng)量方程

為了進(jìn)一步使方程組封閉，需要引入相關(guān)的輔助方程，主要包括以下方程。

體積分?jǐn)?shù)歸一化方程

重力源項(xiàng)方程

摩擦阻力源項(xiàng)方程

液體狀態(tài)方程

氣體狀態(tài)方程

滑脫關(guān)系采用Zuber 漂移關(guān)系式

1.2.2 井筒流動(dòng)階段模型

（1）井筒續(xù)流效應(yīng)階段

在井下防噴器關(guān)閉后，由于防噴器下部到井底的管柱存在體積空間，而氣體和液體都具有可壓縮性，所以地層中的氣體還會(huì)持續(xù)進(jìn)入到井筒改變流動(dòng)動(dòng)態(tài)。結(jié)合質(zhì)量守恒定律與空間體積關(guān)系，井筒內(nèi)體積流入之差等于氣體膨脹、液體壓縮與井筒膨脹3 部分體積改變之和[20]

如果為單純氣侵，防噴器坐封初期的井底壓力小于地層壓力，井筒內(nèi)流體不會(huì)滲透到地層中，Qgout=0。如果為漏噴同存，Qgout則為漏失流量。由于井筒的彈性相比鉆井液和氣體壓縮性小，可忽略。

（2）氣體滑脫上升效應(yīng)階段

在重力差異的作用下，氣液兩相發(fā)生分離，氣體滑脫上升。氣體在上部受到的壓力較小，發(fā)生膨脹，防噴器下部壓力會(huì)增加。當(dāng)氣體滑脫上升時(shí)，氣體因膨脹增大的體積等于鉆井液因受壓減少與鉆井液濾失減少的體積之和，則有

1.2.3 模型求解

應(yīng)用上述模型可以計(jì)算出井下防噴器坐封后井筒復(fù)雜多相流瞬態(tài)流動(dòng)規(guī)律，其計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 計(jì)算流程圖Fig.2 Calculation flow chart

通過(guò)計(jì)算，可以得到井下防噴器作業(yè)后不同管段的壓力動(dòng)態(tài)分布以及瞬態(tài)演變規(guī)律，從而獲得井口壓井循環(huán)的安全作業(yè)時(shí)間。

2 防噴器坐封井下瞬態(tài)流動(dòng)數(shù)值模擬

通過(guò)計(jì)算不同參數(shù)下井下防噴器坐封后壓力演變情況從而得出壓力分布規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，可為井下防噴器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全作業(yè)時(shí)間及井下防噴器井筒壓力控制工藝提供必要的理論依據(jù)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析如下。

2.1 防噴器坐封期間井筒多相流變化特征

在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)鉆遇儲(chǔ)層時(shí)，地層流體在壓差的作用下進(jìn)入到井筒，井筒內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，井底的壓力也發(fā)生改變。在地面決定井下防噴器坐封時(shí)，井筒內(nèi)實(shí)際上已經(jīng)侵入了流體，為此需要結(jié)合其他輔助手段判斷氣體流入的情況，然后分析防噴器坐封的時(shí)刻和坐封后的受力狀態(tài)。在模擬過(guò)程中，可設(shè)定氣體侵入的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，改變時(shí)間節(jié)點(diǎn)，瞬態(tài)的流動(dòng)過(guò)程會(huì)相應(yīng)改變。

2.1.1 基本參數(shù)

井深：7 000 m；裸眼直徑：114.3 mm；技術(shù)套管直徑：168.28 mm；鉆桿直徑：139.7 mm；技術(shù)套管下深：2 900 m；鉆井液密度：1 210 kg/m3；鉆井液排量：12 L/s；井口回壓：0.1 MPa。鉆遇92.4 MPa 高壓地層、防噴器坐封，防噴器分別下深6 000，5 000 和4 000 m。

模擬工況條件：在50 s 內(nèi)，液體不循環(huán)，50～150 s 內(nèi)，液體開(kāi)始循環(huán)，150 s 時(shí)，氣體開(kāi)始侵入，在500 s 時(shí)，防噴器坐封。

地層性質(zhì)：孔隙度為13%；滲透率為0.5 mD。

2.1.2 壓力分布分析

圖3、圖4 和圖5 分別為防噴器下深6 000，5 000和4 000 m 時(shí)的壓力分布圖。

圖3 防噴器下深6 000 m 時(shí)壓力分布圖Fig.3 Pressure distribution of down-hole at depth of 6 000 m

圖4 防噴器下深5 000 m 時(shí)壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution of down-hole at depth of 5 000 m

從圖3～圖5 可以看出，防噴器不同下深情況井筒壓力演變規(guī)律基本相同：隨著氣侵量的增加，井底壓力急劇增加后逐漸趨于穩(wěn)定，最終井底壓力與地層壓力基本平衡；防噴器下部壓力先上升后逐漸平穩(wěn)。防噴器下深6 000，5 000 及4 000 m 時(shí)，壓力穩(wěn)定時(shí)間分別為坐封后626，735 和851 s，防噴器下的壓力分別穩(wěn)定在85.2，75.3 和64.4 MPa。

圖5 防噴器下深4 000 m 時(shí)壓力分布圖Fig.5 Pressure distribution of down-hole at depth of 4 000 m

2.2 井底壓力影響因素分析

計(jì)算不同影響因素下井下防噴器坐封后井底壓力，得到其演變情況，進(jìn)而分析井下防噴器坐封后井底壓力的影響因素。

2.2.1 基本參數(shù)

為分析防噴器坐封期間井筒壓力變化特征，采用基本參數(shù)：井深3 000 m；地層壓力50 MPa；滲透率10 mD；鉆井液密度1 200 kg/m3；鉆井液排量20 L/s；鉆井液黏度20 mPa·s。

2.2.2 初始井底壓力

為了分析相同地層壓力條件下不同初始井底壓力的壓力動(dòng)態(tài)變化，分別設(shè)置井底壓力為42，45 和48 MPa，計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

從圖6 中可以看出，隨著時(shí)間的增加，井底壓力都呈指數(shù)增加，并最終接近地層壓力。初始井底壓力越小，則進(jìn)入到井筒的流量越大，井筒內(nèi)的氣液和液體都會(huì)受到明顯壓縮，壓力傳遞更為迅速，所以壓力梯度更大。

圖6 不同初始井底壓力下的井底壓力演變規(guī)律Fig.6 Variation of bottom-hole pressure at different initial bottom hole pressures

2.2.3 地層滲透率

為了分析滲透率對(duì)井底壓力的影響，分別設(shè)置地層滲透率為0.01，0.03 和0.05 D，井底壓力隨著時(shí)間的變化曲線如圖7 所示?？梢钥闯觯貙訚B透率越大，井底壓力變化的速度也就越快，到達(dá)地層壓力的時(shí)間也就越短。根據(jù)前面建立的模型可以看出，隨著地層滲透率的增加，地層流體進(jìn)入到井筒的通道也就越大，單位時(shí)間流入到井筒的流量也就越大，更大的侵入氣體體積使得氣液兩相的壓縮體積也就越大，壓力也會(huì)迅速增加。

圖7 不同地層滲透率下的井底壓力演變規(guī)律Fig.7 Variation of bottom-hole pressure at different formation permeability

2.2.4 防噴器下深

為了分析防噴器下深對(duì)井底壓力的影響，分別設(shè)置防噴器距井底2 000，2 500 與3 000 m，井底壓力的影響如圖8 所示?？梢钥闯?，防噴器坐封期間，對(duì)于不同的防噴器下深位置，到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間不一樣。對(duì)于不同的防噴器下深，儲(chǔ)存氣液兩相的空間不同，防噴器下深越深，則儲(chǔ)存空間越小，續(xù)流效應(yīng)和滑脫效應(yīng)帶來(lái)的壓縮效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致壓力變化更為迅速。防噴器下深位置越深，壓力穩(wěn)定越迅速，其下部承受的壓力迅速增大，需要考慮防噴器本身的抗壓能力，避免其在井口采取相應(yīng)措施之前被刺穿，導(dǎo)致坐封失效。

圖8 井下防噴器距離不同井底位置時(shí)井底壓力演變情況Fig.8 Variation of bottom-hole pressure at different down-hole BOP positions from the bottom

3 結(jié)論

（1）針對(duì)井下防噴器坐封后的復(fù)雜流動(dòng)特性，建立了一套防噴器坐封后下部地層-井筒耦合瞬態(tài)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下井下防噴器的壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

（2）防噴器在不同下深情況井筒壓力演變規(guī)律基本相同：隨著氣侵量的增加，井底壓力急劇增加后逐漸趨于穩(wěn)定，最終井底壓力與地層壓力基本平衡；防噴器下部壓力先上升后逐漸平穩(wěn)。

（3）地層滲透率越大，單位時(shí)間流入到井筒的流量也就越大，更大的侵入氣體體積使得氣液兩相的壓縮體積也就越大，井底壓力達(dá)到地層壓力的時(shí)間越短。

（4）對(duì)于不同的防噴器下深位置，壓力到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間不一樣，防噴器下深位置越深，壓力穩(wěn)定越迅速，但防噴器底部承受壓力迅速增大，需要考慮防噴器的承壓能力，避免防噴器失效。