深层页岩气水平井井筒瞬态温度场研究与应用

深层页岩气水平井钻井过程井筒瞬态循环温度对旋转导向工具的选择具有重要作用。基于井筒与地层间的对流换热机理及能量守恒原理，建立了井筒瞬态温度场模型；分析了循环时间、排量、水平段长度和入口温度对井筒瞬态温度的影响；优选了页岩气水平井轨迹控制方法，提出了降低井底循环温度的工程措施。结果表明，上部井段环空钻井液循环温度随循环时间和排量的增加而增加，而下部井段环空钻井液循环温度反而降低；随着水平段长度增加，环空钻井液循环温度增加，水平段越长，循环降温效果越低；随着钻井液入口温度增加，钻井液出口温度增加，下部井段环空钻井液循环温度随入口温度的变化较小。当垂深超过4 000 m后，水平段较短时，可采用旋转导向钻井工具；水平段较长，井底循环温度高于135℃后，推荐采用螺杆配LWD测量工具。采用增加循环时间、排量及边循环边下钻的方式可降低井底循环温度，以确保旋转导向工具和LWD工具处于安全工作温度内。     

海域天然气水合物水平井钻井温度场预测

利用水平井开发海域天然气水合物具有产量高、产气快、经济效益好的特点,但井筒温度变化容易引起储层水合物分解,诱发井壁失稳坍塌等事故。因此基于井筒传热学理论和钻井工程参数,研究了海域天然气水合物水平井钻井过程中井筒热量传递过程,考虑钻柱与井壁、套管直接的摩擦生热效应,建立了海域天然气水合物水平井钻井过程的井筒温度剖面计算模型,分析了钻柱摩阻、循环时间、钻井液排量、入口温度、水平段长度等参数对对井筒温度场的影响规律。结果显示,钻柱的摩阻生热不可忽略;钻井液循环一定时间后,井筒温度剖面趋于稳定;钻井液排量对于井筒温度场的影响较大;钻井液的入口温度对于裸眼段的温度剖面影响较小,主要影响海水段的温度剖面;水平段裸眼段越长,裸眼段的温度越高;在海域天然气水合物地层钻水平井时,井周地层中的水合物不会分解。该研究成果可为中国海域天然气水合物水平井钻井设计提供借鉴。     

深水大尺寸井眼钻进钻井液双循环携岩方法

深水大尺寸井眼提高泵排量钻进时,易导致钻井液循环压耗增加、泵功率利用率低和井底压力增加等问题,提出一种通过在井筒变径处钻杆上安装分流短节,实现钻井液双循环的方法,基于钻井水力参数优化理论和数值模拟方法,研究分流短节对井筒变径处环空钻井液返速、钻井水力参数和钻杆结构安全性的影响.结果表明:安装分流短节后井筒变径段环空钻井...     

高压气井压井井筒温度场预测与影响因素分析

从反循环压井工艺特点出发,以质量守恒、动量守恒和能量守恒为理论基础,推导出反循环压井过程井筒温度场计算模型,并对压井液入口温度、压井液密度、循环时间、压井液排量、压井液导热系数、井深等对反循环压井过程中井筒温度场的影响进行分析.结果表明:随井深增加、压井液入口温度提高、压井液排量减小、循环时间缩短、压井液导热系数增大、压井液密度减小,井筒温度线向高温偏移,反之井筒温度线向低温偏移;调整压井液排量和压井液入口温度是改善井筒温度场最有效的途径.     

考虑井筒温度场与压力场的深井井涌风险控制

深井、超深井井筒内温度场、压力场变化幅度较大。温度场及压力场的大幅度变化影响到了钻井液密度场,进而对井控安全产生影响。建立了井筒当量密度场分布模型,利用该模型计算了钻井液循环和静止时钻井液当量密度场分布情况,并探讨了井筒温度场压力场对井控过程的影响。研究表明:深井、超深井钻井井控过程中,应该考虑井筒温度场、压力场变化对钻井液物性参数的影响;钻井液循环和静止时,实际钻井液井底当量循环密度和当量静止密度低于将钻井液作为地面常数时的当量密度,井控时应该注意适当增大钻井液密度以平衡地层孔隙压力。采取相应的措施预防环空井底压力的减小带来的溢流、井涌甚至井喷。进行井身结构设计时,可以不考虑温度场与压力场的影响;另外井控事故预防控制需要技术及管理措施相结合。     

页岩气钻井岩屑运移规律仿真分析

页岩气水平井钻井过程中岩屑在重力作用下极易在斜井段及水平段中沉积形成岩屑床,清洁难度大,进而导致井底高摩阻、高扭矩和阻卡,严重时造成卡钻、钻具断落井下安全事故。基于液固两相流理论,建立了三维井眼环空岩屑运移模型,通过控制变量法分别分析了钻杆转速、排量、岩屑粒径、偏心度、井斜角度等因素变化对环空井筒岩屑体积分数及运移轴向速度的影响规律。研究结果表明：随着转速和钻偏心度增大,岩屑体积分数降低及轴向速度增大;随着岩屑粒径增大,岩屑体积分数增加及轴向速度降低;随着井斜角降低,岩屑体积分数降低及轴向速度增加。可见提高转速、钻井液排量和控制钻头破坏岩屑粒径大小有利于提高井眼清洁,降低井下安全事故。     

超临界二氧化碳压裂井筒温压及相态控制研究

超临界二氧化碳压裂液对温度、压力较为敏感,准确地预测注入过程中的井筒温压及相态直接影响着最终的压裂效果。因此,建立了考虑轴向导热、焦汤效应、膨胀(压缩)做功、摩擦生热热量分配的超临界二氧化碳压裂井筒瞬态温压模型,模拟分析了注入温度、施工排量、降阻效果、油管尺寸对井筒温压及相态的影响。研究结果表明,井筒温度降低导致的二氧化碳密度增加、流速降低,使得井口压力随井底温度同步降低。注入温度越高、施工排量越小、降阻率越高、油管尺寸越大,井底温度越高、井口压力越低。其中,井口温度增加10℃,井底温度增加约为7℃;降阻率提高20%,井口压力降低约7MPa。提高注入温度及流动通道的横截面积、降排量的同时使用稠化剂(降阻剂)可促使二氧化碳在井底达到超临界态。研究成果对超临界二氧化碳压裂的优化设计及现场应用具有较强的指导意义。     

钻井井喷关井期间井筒压力变化特征

针对目前钻井井喷关井期间井筒压力计算值与实际关井压力差别较大的问题,将关井期间井筒压力变化分为两部分:关井初期地层流体继续侵入井筒的续流部分和气液密度差导致气体滑脱上升部分,从渗流理论和试井理论出发,考虑关井期间井筒内气体和钻井液的压缩性以及井筒的弹性,建立关井期间井筒续流模型;从气液两相流理论出发,考虑关井气体滑脱上升期间气体的膨胀、气体和钻井液压缩性、井筒弹性以及钻井液滤失等因素,建立关井期间气体滑脱模型;然后考虑关井期间井筒续流和气体滑脱综合影响,建立关井期间井筒压力计算模型,并给出基于本模型的气侵关井井筒压力读取方法。结果表明:关井初期井底压力呈指数增加,井底压力大于地层压力之后井底压力呈线性增加;关井初期井筒续流起主导作用,井底压力大于地层压力之后气体滑脱效应起主导作用。     

羽状水平井欠平衡钻井环空流动特性研究

羽状水平井欠平衡钻井技术是近几年来国内外煤层气开发中普遍采用的一项减少储层伤害、提高低渗储层煤层气采收率的新技术。针对该技术的技术特征,建立了物理模型和数学模型,结合现场井例分析了井筒环空内各流动特性参数的变化规律。结果表明:井底压力随泥浆排量的增加单调递增,同一泥浆排量条件下,环空注气量越大,井底压力值越低;羽状井自注气点至井口的井筒环空内,水平段由于静液压力占主导,空隙率、混相流体流速增长幅度较小,混相流体密度少许降低,压降损失也较少;竖直井筒环空内空隙率及混相流体流速自井底沿井筒向上初始缓慢增大,当环空压力降低到一定程度后,由于气液滑脱效应,而急剧增大,环空内混相流体密度变化规律与之相反,环空压力自井底沿井筒向上呈线性减小。     

深水钻探井筒温度场的计算与分析

通过对海水温度数据回归分析,得到了南海海水温度场随深度的分布.以传热学基本理论为基础,通过理论推导,得到了循环及停止循环条件下的深水钻探井筒温度场理论计算公式.计算结果表明,循环钻进期间,要维持隔水管内的温度,应保证隔水管的保温层完好,并在满足钻井施工条件下尽量增大循环排量;停止循环时,随着关井时间的增加,井筒内流体温度逐渐接近外界环境温度,为避免在井筒及防喷器处生成大量水合物,关井时间要尽量短.     

气体钻水平井钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响

气体钻水平井段,由于自身重力,钻杆倾向于下井壁,形成偏心环空,使得下环空岩屑运移困难,通过研究偏心环空正常携岩和岩屑床岩屑的运移规律对气体钻水平井井眼净化具有重要意义。针对钻杆偏心对气体钻水平井环空岩屑运移规律的影响问题,基于气固两相流理论,利用可视化实验并结合计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对其进行了研究。从环空气体速度分布、岩屑速度分布和岩屑相对体积分数分布等方面分析了正常循环和下井壁沉积20 mm岩屑床两种工况,钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响。实验现象和数值模拟结果表明:正常循环时,随着偏心度不断增大,下环空气体和岩屑速度逐渐减小,气体携带岩屑的能力降低;当下井壁沉积20 mm岩屑床时,随着偏心度的增大,气流对岩屑床的扰动能力降低,使得下环空岩屑相对体积分数明显增大,岩屑床的最高剩余厚度逐渐增大。     

热孔弹塑性完全耦合作用下的井底岩石应力分布

井底待破碎岩石所处的应力状态作为影响其破碎的关键因素而直接影响着钻井效率,建立综合考虑上覆岩层压力、水平地应力、液柱压力以及孔隙压力和地层温差完全耦合作用下井底岩石的三维物理模型,借助有限元软件进行求解,研究在不同液柱压力、不同井深、不同温差以及不同渗透系数作用下井底岩石应力分布的数值解。结果表明:液柱压力、井深以及温差越大,井底表面岩石最大主应力越大;渗透系数减小,井底表面最大主应力先增大后减小;在井眼轴向方向,在距离井底表面以下一定距离之后,液柱压力和井深越大,岩石最大主应力越小;温差对岩石最大主应力没有影响。     

地下储气库注采井温度压力耦合分析

地下储气库进行循环注气、采气作业,引起注采井筒温度、压力分布的交替变化,准确预测井筒温度、压力分布是优化设计管柱的基础。基于气体质量、动量、能量平衡方程和地层-流体径向非稳态传热模型,考虑气体的焦耳-汤姆逊效应,得到了井筒气体温度、压力、密度和流速的耦合微分方程组,采用四阶龙格-库塔方法数值求解。通过实例分析了注采工况下井筒的温度、压力分布特征及影响因素,并与Well Cat软件计算结果相比较,结果表明注气井口温度、注气压力、注采流量和作业时间影响井筒的温度压力分布。注气中,注入压力对井底压力的影响最大,对井底温度的影响很小;采气中,井口温度随流量的增加而增大,井口压力随流量的增大而减小;作业早期温度、压力随时间变化较大。     

页岩气水平井井壁稳定影响因素与技术对策

国内绝大多数页岩气水平井在页岩层段钻井过程都发生过坍塌,严重影响了钻井周期及后续压裂施工。由于页岩气井水平段一般较长,普遍在1000m以上,而且页岩地层层理发育,产状多变,岩石性质硬脆,水敏性矿物含量高,很容易发生井漏坍塌等问题。本文通过分析认为影响页岩气水平井井壁失稳的因素主要包括页岩的综合特性,地质力学因素,钻井液的综合性质及其他工程因素。解决页岩气水平井井壁失稳的首要途径是认识层理页岩的特殊力学特性,重点研究不同钻井液体系对其力学特性的影响程度及影响规律（也是钻井液优选的重要依据之一）;再次需要对地应力场进行综合研究;最后通过采用合理的井壁稳定力学模型获得控制井壁失稳的钻井液密度范围,配合使用快速高效钻具,才能最大程度确保井壁稳定。     

温度对气层气体钻井井壁稳定的影响

气体钻井过程中气体经过钻头喷嘴后产生焦耳-汤姆逊冷却效应,导致井底温度远小于地层温度。当气层被钻开后井壁围岩温度、孔隙压力和应力分布发生改变,容易引起井下复杂事故。为此,分析了井底低温对致密砂岩气藏气体钻井井壁稳定的影响。研究表明,井眼钻开后井底低温产生拉热应力,使近井壁有效应力减小,有利于防止岩石剪切失稳,但增加了岩石产生拉伸破坏的可能。气层气体产出使近井壁地层孔隙度和渗透率减小,不考虑井底低温时减小程度偏大。气体钻井近井壁可能存在塑性区,低温使塑性区向地层延伸更容易导致井壁失稳。塑性区的形成不仅取决于水平地应力,而且与垂向地应力有关。通常致密砂岩气藏埋藏较深,垂向应力影响大,其弹塑性分析需考虑三维主应力的影响。     

页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑运移机理研究

针对页岩气开采成本高,以及清水钻井在垂直井段具有成本低和机械钻速快的优点,且页岩气清水钻井岩屑运移规律尚认识不清。基于流体力学基本控制方程和湍流输运方程,建立了三维井眼环空岩屑运移模型。使用全隐式多网格耦合求解技术进行数值计算。利用该模型开展清水钻水平井段岩屑运移可行性研究,以及钻井液排量、岩屑床高度、岩屑粒径、清水黏度和钻柱转速对岩屑运移规律的影响研究。研究表明,在水平井段清水钻井液携岩是可行的,数值计算结果对比,得出钻井液排量、岩屑床高度和岩屑粒径是影响清水携岩能力的敏感参数。建议钻井过程岩屑床厚度不要超过井眼直径的10%,岩屑颗粒直径为5 mm左右,根据钻井需要选用合适的钻井液排量、钻井液黏度和钻柱转速。清水钻井岩屑运移机理研究可为页岩气安全高效开采提供技术支撑,同时将加快页岩气工程的开发进程。     

边界元法在深部地层井眼稳定中的应用

 为解决石油天然气钻井、地热钻井中深部地层井眼稳定问题,基于连续介质弹性力学建立深部地层井眼稳定平面应变问题的基本微分方程,采用边界元理论推导了井周应力和位移的边界元求解方法;通过建立井眼稳定物理模型、划分边界单元,将求解出的井周应力结果与解析解进行对比;分析了四川某油田深部地层井眼的稳定性情况。结果表明:BEM 求解应力分布与解析解吻合较好,其误差小于0.82%;实例井2500~3500 m 井段井眼稳定性分析结果与实际情况基本一致,实际钻井液密度低于坍塌压力当量密度,导致井眼扩大率普遍达到20%以上,适当提高钻井液密度能够维持井眼稳定,进一步验证了BEM 方法的准确性。该方法为井眼稳定分析提供了一种新的手段和方法。