专利名称：欠平衡钻井参数预测方法
技术领域：
本发明涉及油气井探测控制技术，尤其设计欠平衡钻井控制技术。
技术背景在上世纪80年代末90年代初，能承受高压的旋转防喷器开始在油田应用，经过了多 年探索和实践的欠平衡钻井也积累了一定的经验，开始了欠平衡钻井技术的系统研究。由 美国能源部Morgan研究所为协调单位，组织规划的工程项目DCS计划，大大促进了欠平 衡钻井技术的发展。美、加多个公司竞相进行充氮气欠平衡钻井方面的实验研究，终于在 1994年出现了膜分离现场制氮设备和密闭地面循环系统，欠平衡钻井技术基本形成。实施 欠平衡钻井可以提高钻速4至IO倍，钻头寿命可延长l倍以上，可大大减少卡钻、井漏 等钻井事故的发生，减少地层损害，可提高单井产量，欠平衡钻水平井，可使油井增产3 至10倍。在实施欠平衡压力钻井过程中，在裸眼井段形成欠平衡压力状态，常要求从地 面向井内注入气体来降低井底压力；所钻地层的油、气、水会渗流到井筒，钻进的岩屑进入环空、上返；常要求在井口施加一定的回压来控制井内压力；井内流体处于气、液、固多相流动状态。由于欠平衡钻井中多相流动过程的气相滑脱、混合体系多相、流型变化复 杂等原因，使得控制过程比较困难。与本发明最接近的现有技术是中国石油大学开发的"欠 平衡钻井水力计算软件系统"，该系统采用的理论模型是统计平均和漂移多相流动模型， 考虑了油层产出油、气、水、注入泥浆、气体、钻屑、产出油的相变等七相介质的流动， 主要用于计算最优循环速率及预测井下流动参数。但是该系统的计算运用理论模型很复 杂，计算量大，要求输入的数据多，有些数据难于获取，并且计算结果常会出现较大误差。 发明内容本发明针对现有技术的上述缺陷，设计一种气、液欠平衡钻井参数预测方法。本发明 解决上述技术问题的技术方案是，钻柱内和环空流动按混合气相和混合液相处理，建立按混合均相处理的物理模型描述井底通过钻头喷嘴的流动；根据物理模型运用多相流动理论 建立包括偏微分方程的数学力学模型；采用有限体积离散方法求解欠平衡钻井参数。所建立的物理模型根据地面注入的气/液两相在钻柱内的向下流动，环空向上流动即考 虑地面注入气/液相、来自裸眼井段环空的地层流体(油、气或水)、钻屑等多相组成的混 合体系，把其分为由钻井液、地层油、地层水、钻屑等四相组成的混合液相和由注入气、 地层进气组成的混合气相；数学力学模型按漂移流动物理模型，建立包括环空一维多相流动控制方程、钻柱内一维多相流动控制方程，根据气液两相流动均流理论建立通过钻头喷 嘴的气液两相流动压力降方程；在任意时刻"按环空和钻柱内将井内空间划分成许多有 限小体积单元，算法模块调用数学力学模型的方程与常规补充方程联立，沿空间域逐单元 计算各有限小体积单元内的解，获得井内压力、含气率、混合液密度、流速沿井深的分布。 根据上述模型建立方程并对相关参数进行求解，对欠平衡钻井过程的井内压力、含气率、 混合液密度、流速等参数沿井深的分布做出预测。其主要步骤包括
① 获取混合气相、混合液相循环流动流量、密度数据和地面环境数据；
② 记录井眼、钻柱、钻头等尺寸参数； (D按有限体积离散方法对钻柱内和环空流道作离散处理；
④ 建立数学力学模型，根据模型对每一离散单元进行数值求解。
⑤ 输出井内压力、含气率、混合液密度、流速等参数沿井深的分布，根据上述参数的 分布情况即可预测欠平衡钻井的井内多相流动参数。
本发明具有以下显著效果运用本发明所述的方法进行参数预测，所得的环空和钻柱 内含气率沿井深变化曲线平滑，保持了随井深增加而降低的变化规律，环空和钻柱内多相 流体密度沿井深变化曲线平滑，保持了随井深增加而增大的变化规律，无奇异点，更符合 该多相流动的物理变化过程。计算精度高，误差小，提高了欠平衡钻井预测的准确性和规 律性。
说明书附图
图1本发明欠平衡钻井参数预测方法流程图
图2本发明欠平衡钻井参数设计流程图(预测方法的应用实例之一)
图3A和图3B是全井内有限体积单元划分示意图(钻柱内单元划分和环空单元划分)
具体实施例方式
本发明根据地面注入混合气/液两相在钻柱内的向下流动、环空向上流动，建立漂移流 动物理模型分析描述多相流动过程，(认为在垂直井的气液两相流动中，气相由于密度低 而有自行向上漂移运动，气相与液相具有不同的流动速度)，按混合均相处理的物理模型 描述井底通过钻头喷嘴的流动(认为通过喷嘴的气液两相流动中，由于是高速紊流，气液 两相充分混合，气相与液相具有相同的流动速度)；根据物理模型运用多相流动理论建立 数学力学模型；采用有限体积离散方法求解欠平衡钻井井下参数。根据地面注入的气/液
两相在钻柱内的向下流动，地面注入气/液相，来自裸眼井段环空的地层流体(油、气或 水)，钻屑等多相组成的混合体系，在环空的向上流动建立物理模型。多相组成的混合体系包括由钻井液、地层油、地层水、钻屑等四种物质组成的混合液相和由注入气、地层进 气组成的混合气相；建立包括环空一维多相流动控制方程、钻柱内一维多相流动控制方程， 建立通过钻头喷嘴的气液两相流动压力降计算方程；结合补充方程，运用有限体积离散方 法对环空和钻柱内进行离散求解；预测欠平衡钻井的井内压力、含气率、混合液密度、流 速等井内多相流动参数。
下面针对附图，对本发明的实施方案进行具体描述。
如图1所示为本发明欠平衡钻井参数预测方法流程，主要包括如下步骤
1、 获取钻井出口的气/液参数
通过安装在钻井循环设备上的流量计、密度计采集和记录出口处的气体/液体的相关参 数，主要包括出口气相/液相流量&巧、气相/液相密度Ps， P"由钻头钻速及地面返出的 岩屑分析得出钻屑相关的参数，根据常规计算方式，在地面由注入气相种类、流量和返出 气相流量可计算出混合气相密度，对返出混合液相的流量及密度由流量计、密度计采集和 记录，不细分混合液相中的各相，在参数的预测计算过程中只用混合液相的数据。
根据地面注入的气/液两相在钻柱内的向下流动，考虑由钻井液、地层油、地层水、钻 屑等四相组成的混合液相和由注入气、地层进气组成的混合气相的向上流动建立的物理模 型。
2、 按漂移流动物理模型建立数学力学方程，建立包括环空一维多相流动控制方程、钻 柱内一维多相流动控制方程，根据气液两相流动均流理论建立通过钻头喷嘴的气液两相流 动压力降方程。
以下具体描述数学力学模型方程和气液两相流动压力降方程的建立过程和求解过程。 建立数学力学模型方程
(l)针对钻井环空一维多相流动，算法模块调用相关参数如沿环空上返过程中侵入 油相单位体积的出气率nw，沿流道长度z，井斜角a，建立如下环空一维多相流动控制方
程，确定环空的气相和液相的密度&，A、气相和液相的含气(液)率&，A、气相和液相
.的速度"g，"'、摩擦压降(环空流动动量方程中等式左边的第2项)、重力压降(环空流动动 量方程中等式左边的第3项)、加速度压降(环空流动动量方程中等式右边的项)。
① 建立环空流动的气相连续方程。
② 建立环空流动的液相连续方程<formula>formula see original document page 6</formula>
③建立环空流动的动量方禾]
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(2)对钻柱内一维多相流动，算法模块调用相关参数，建立如下钻柱内一维多相流动
控制方程，确定钻柱内的气相和液相的密度^'A、气相和液相的含气(液)率^，A、气
相和液相的速度"s'"'、摩擦压降(钻柱内流动动量方程中等式左边的第2项)、重力压降(钻 柱内流动动量方程中等式左边的第3项)、加速度压降(环空流动动量方程中等式右边的 项)。
① 建立钻柱内流动的气相连续方程
② 建立钻柱内流动的液相连续方程
③ 建立钻柱内流动的动量方程
一 ra》一 肌w
井内气相和液相运动还满足以下常规关系式，算法模块调用以下相关参数建立如下方
程。相关参数包括液压力p， H处温度Th，地表温度T。，地温梯度AT，垂直井深H,考 虑速度分布的系数c。，通常取c。为1. 2;混合物流速um，气泡或Taylor泡上升速度uT ，流
道截面积A，反映气相云集作用的量^"，通常取云集指数n为0.5;流动摩阻力F，混合 物流动摩阻系数f;，混合物密度P-，混合物流速Um，钻柱内径、外径及井径di、 d。、 db， 得到如下7个常规补充方程 气相密度Ps=(|) (p， Th)
液相密度P,t:P:(表明液相不可压縮，密度不变)含气/液率关系&+^=1 井下温度Th = r (T。， AT， H)
气相漂移流动对环空向上流动气相的速度Vg-"Vm+"T。A"，对钻柱内向下流动气
相的速度"g =^"m_"T^l
W+口、ir-1齒始『牧 =F(/m，An,"m,《，d。,db) 两相流动摩擦压降<^
几何边界A^F (di， d。， db， H) a= (H)
将上述数学力学模型方程与常规关系联立，采用有限体积离散方法进行求解，计算井 内压力、含气率、混合液密度、流速等参数沿井深的分布。
所得结果更符合该多相流动物理变化过程规律、无奇异点、计算精度高、误差小、提 高欠平衡钻井井下参数预测的准确性和规律性。
釆用有限体积离散方法进行求解，首先，对第Z'个有限小体积单元，运用上述流动方
程与相关物理参数计算方程组成封闭的方程组，逐单元(每个体积单元)作数值计算求解， 在^时刻沿空间域(环空，钻柱内)求出各有限小体积单元中的解，从而求出问题的全部
数值解。
所计算得到的数值解可以以井深为计算位置，数表形式输出沿井深的井内压力、含气 率、混合液密度、流速等参数。也可根据数表做出多条曲线图，描述各计算参数沿井深的 变化规律。随时间推移各计算参数或曲线形状随时间发生变化，实现欠平衡钻井的井下参 数预测。
3、 全井体积单元划分
对任意时刻,，把井内空间按钻柱内体积单元和环空体积单元划分成许多有限小体 积单元，如图3A和图3B所示为全井内体积单元划分示意图，以Az (依据计算精度要求确 定，通常取Az二10 50米)为单元高度，对钻柱内和环空进行离散单元划分，把全部计算 域划分为n个计算单元。对第/单元按流动型式划分(垂直管多相流动的流动型式划分方 法可采用常规的几种方法进行划分)。
4、 算法模块调用数学力学模型方程组对环空第i个单元进行求解，环空向上流动主要 考虑地面注入气、液相，来自地层的流体(油、气或水)，钻屑等，在对该混合体系流动 的分析中，把其分为由钻井液、地层油、地层水、钻屑等4相组成的混合液相和由注入气、地层进气组成的混合气相，按气液两相流动问题研究该混合体系流动过程。按有限体积离 散方法，调用数学力学模型方程组，对第/个有限小体积单元中的"g，",等相关参数进行
计算。展开环空一维多相流动方程进行求解，环空向上流动过程根据环空截面积j。、取有
限小体积单元长度cfe进行微分，得有限小体积单元^v = 4必。
展开环空一维多相流动控制方程，得到如下离散形式方程 气相连续方程—= m。gl4Az
液相连续方程 [(AA"/):^ — =—附。gi」。Az
-(《1/ —《V K —《—+顺"^ Azg COS "
动量方程 2 2 2 2
=): 。 -
上述方程与7个补充方程联立求解，求出环空第i个单元内的伊g， ，",、摩擦压降(环
空流动动量方程中等式左边的第2项)、重力压降(环空流动动量方程中等式左边的第3 领)、加速度压降(环空流动动量方程中等式右边的项)。直到计算达井底，结束环空域的 计算。
5、 钻头压降fo-pj的计算
把通过钻头喷嘴的气液两相流动过程按均流模型处理，在流体进入喷嘴前(入口)取截 面1，流体流过喷嘴后(出口)取截面2，把截面1到截面2的流动过程看成实际流体的缓 变流过程，运用流道的伯努利方程建立钻头压力降计算方程，用于求解钻头压力降。所建 立的钻头压力降方程如下
x々 ^2c:々
式中^质量含气率；J;^质量含液率，&~~混合液流量，cz~—喷嘴流量系 数，A^喷嘴截面积，《、《^气体偏差因子。
6、 求解钻柱内第i个单元的相关参数。
钻柱内向下流动主要考虑地面注入气、液相，按气液两相流动问题研究该混合体系流 动过程。算法模块调用前面建立的数学力学模型方法求解，采用数值计算方法分别对钻柱 内划分的所有单元进行计算，按有限体积离散方法计算第i个单元的相关参数，对第Z个 有限小体积单元，展开钻柱内一维多相流动方程，钻柱内向下流动过程取有限小体积单元:^ = 4^，4为钻柱内流道截面积，^为有限小体积单元长度。展开钻柱内一维多相流
动控制方程如下
气相连续方程[(/^g"g)^ = o
液相连续方程
4=0
一(/Ci/ —户,"」/)4 — △《"+ A外)『4&gcos"
动量方程2 2 2 2
=+顺"'): ' +顺"'):)^'
与7个补充方程联立求解，求出钻柱内第i个单元内的&，^,M,、摩擦压降、重力压
降、加速度压降。直到计算达井口，结束钻柱内域的计算。
7、全井计算结果输出，得到井内压力、含气率、混合液密度、流速等参数沿井深的分 布预测。
如图2所示为本发明预测方法应用于欠平衡钻井参数设计实例的流程图，简要技术说
明如下
(1) 确定建立数学力学模型方程的相关基本参数 由设计井资料获取地层压力、岩层密度、地面环境数据；由井身结构设计和钻柱设计
结果获取井眼、钻柱、钻头等尺寸参数。
(2) 选择欠平衡钻井的循环流动介质种类，确定注入气液流量、密度。
(3) 运用上述预测方法计算预测环空钻井参数，得到井内压力、含气率、混合液密度、 流速等参数沿井深的分布。
(4) 计算环空携岩要求，判断关键参数是否满足环空携岩要求。
① 对于气体钻井设计标准，据环空最小气相动能应大于携岩要求的最低环空气相动能 来确定最小注气流量(源于美国空气钻井矿场实践建立的最小动能标准)。
② 对于充气液钻井标准，据环空最小混合液返速(根据多项流的基础计算，由前面计 算的&，^,",参数可求出)，应大于携岩要求的最低环空混合液返速(=岩屑运移速度+沉降
速度)，考虑预设的井底流动压力大小(工程设计要求井底流动压力小于钻进的地层压力)， 合理确定注入气、液流量。
③ 关于泡沫液钻井标准，据环空最小泡沫液返速(可调用多项流的基础计算，由计算 的&,^,w,参数可求出环空最小泡沫液返速)，应大于泡沫液的携岩要求最低环空泡沫液返
速(=岩屑运移速度+沉降速度)，合理确定注入泡沫液流量。(5)对满足环空携岩要求的设计计算数据，作为设计结果输出。.对不满足环空携岩要 求的设计计算结果，重复第(2)到第(5)步过程。
权利要求
1.一种欠平衡钻井参数预测方法，其特征在于，根据地面注入气/液两相在钻柱内的向下流动，环空向上流动，建立漂移流动物理模型描述多相流动过程，通过钻头喷嘴的气液两相流动过程按均流处理，按混合均相处理建立物理模型描述井底通过钻头喷嘴的流动；根据物理模型建立包括偏微分方程的数学力学模型；在任意时刻，按环空和钻柱内将井内空间划分成许多有限小体积单元；采用有限体积离散方法调用数学力学模型求解各有限小体积单元内的解，得到钻井参数沿井深的分布，预测欠平衡钻井井下参数。
2. 根据权利要求l所述的欠平衡钻井参数预测方法，其特征在于，所述漂移流动为， 在垂直井的气液两相流动中，气相与液相具有不同的流动速度。
3. 根据权利要求1所述的欠平衡钻井参数预测方法，其特征在于，所述混合均相处 理为，通过喷嘴的气液两相流动中，气相与液相具有相同的流动速度。
4. 根据权利要求1所述的欠平衡钻井参数预测方法，其特征在于，所述数学力学模 型包括环空一维多相流动控制方程、钻柱内一维多相流动控制方程，通过钻头喷嘴的气液 两相流动压力降计算方程。
5. 根据权利要求1所述的欠平衡钻井参数预测方法，其特征在于，所述有限体积离 散方法包括，算法模块调用数学力学模型的方程与常规补充方程联立，沿空间域对各有限 小体积单元逐单元计算井内压力、含气率、混合液密度、流速沿井深的分布。
6. 根据权利要求4所述的欠平衡钻井参数预测方法，其特征在于，所述建立的环空 一维多相流动控制方程包括环空流动气相连续方程、环空流动液相连续方程、环空流动 动量方程，钻柱内一维多相流动控制方程钻柱内流动气相连续方程、钻柱内流动液相连 续方程、钻柱内流动动量方程。
7. 根据权利要求4所述的欠平衡钻井参数预测方法，其特征在于，根据钻头喷嘴的气液两相流动压力降，运用流道的伯努利方程建立钻头压力降计算方程，求解钻头压力降。
8. 根据权利要求1-7其中之一所述的欠平衡钻井参数预测方法，其特征在于，所述 气相指由注入气、地层进气组成的混合气相；所述液相指由钻井液、地层油、地层水、钻 屑等四相组成的混合液相；所述空间域指从钻柱内一钻头一环空。
全文摘要
本发明请求保护一种欠平衡钻井参数预测方法，涉及油气井探测控制技术，本发明的方法根据地面注入气/液两相在钻柱内的向下流动，环空向上流动，按漂移流动物理模型分析，建立流动系统的数学力学模型；按混合均相处理的物理模型描述井底通过钻头喷嘴的流动，建立通过钻头喷嘴的气/液两相流动压力降方程；算法模块调用上述模型和方程，运用有限体积离散方法计算欠平衡钻井井下参数。本发明的计算符合含气率和液体密度随井深的变化规律，无奇异点，更符合该多相流动的物理变化过程。计算精度高，误差小，提高了欠平衡钻井参数预测的准确性和规律性，可广泛用于欠平衡钻井。
文档编号E21B47/00GK101319609SQ200810069999
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者刘继林, 龙芝辉 申请人:重庆科技学院