精细控压钻井中环空不稳定流动时间响应分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2014年11月第36卷第11期JournalofOilandGasTechnology(J．JPI)Nov．2014Vo1．36No．11精细控压钻井中环空不稳定流动时间响应分析‘吕振虎，陈平与大寿一(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都610500)[摘要]精细控压钻井是井底恒压控压钻井的一种类型，主要通过施加井口回压实时控制井底压力。井口回压的改变会导致钻井液循环经历稳定一不稳定一稳定的过渡，过渡期的响应时间是评价精细控压钻井的一个重要指标。较短的过渡时间可以使井底压力快速恢复平衡，从

2、而提高控压钻井的控压精度。以回压改变后环空钻井液的不稳定流动时间为研究对象，建立了控压响应时间的计算模型。分析了气体体积分数、岩屑体积分数、环空间隙及回压大小等因素对过渡时间的影响规律，分析表明气体体积分数、岩屑体积分数的增大，控压响应时问相应增加；环空间隙、回压的增大，控压响应时间相应减小，其中气体体积分数是影响控压响应时间的主要因素，同时对比分析了弹性控压响应时间计算模型与本文模型之阊的差异，得出了在浅井、勘探井的控压钻井中为计算简便而采用的刚性计算模型不仅可以满足计算精度的要求，同时也具有较强的操作性。[关键词]控压钻井；井口回压；不稳定流动；响应时间[中图分类号]TE249[

3、文献标志码]A[文章编号]1000—9752(2014)11—0120—06控压钻井技术是近几十年来发展起来的一种有效解决窄安全密度窗口、漏失、溢流等井下复杂事故的新型钻井技术ll]，其类型主要有动态环空压力钻井技术(DAPC)、井底恒压钻井技术(CBHP)、泥浆帽钻井技术(PMCD)、双梯度钻井技术(DGD)等“]。目前井底恒压钻井技术在塔里木、冀东油田等地区均已成功应用，并取得了显著的效果。井底恒压控压钻井中一次完整的压力控制周期主要经历：PWD(随钻压力测量)脉冲信号传输时间¨5；地面检测控制系统分析判断井下信号；节流阀和回压泵动作响应时间；回压调节不稳定流动时间；井底压力的动

4、态平衡恢复时间5个过程。不同回压的施加瞬间，将会导致井内压力的波动，压力波从井口传播到井底后，井内将会经历一段不稳定到稳定的过渡状态l_6]。在过渡期间井内各点的压力、流速、流量都存在差异，因而会增加压力控制的复杂性和难度系数。较短的过渡时间有利于提高控压钻井的控压精度，降低井下复杂及事故发生口]。综合考虑，以回压改变过程中的响应时间为研究对象，利用刚性水击理论建立了回压响应时间的数学模型，并研究其主要影响因素，为控压钻井精度控制及气侵监测提供了理论依据。l非稳态时间响应模型的建立1．1基本假设井筒纵横比较大，可将环空内的流动视为一维平板流动，为简化模型忽略了流体的可压缩性和钻柱的弹

5、性变形，仅考虑流速变化引起的水力不稳定过程]。1．2物理模型钻井液在井筒中的流动可视为沿“U”型流道的流动：钻杆内钻井液向下流动，环空内钻井液向上流动。假定在钻井过程中需要增加井口回压，环空压力的分布使管内的流速由。到。。发生过渡变化，[收稿日期]2014～o5—13[基金项目]国家科技重大专项(2008ZX05002—005一o05HZ)。[作者简介]吕振虎(1990一)，男，2012年西南石油大学毕业，硕士生，现从事井下控制与测量研究工作。学兔兔www.xuetutu.com第36卷第11期吕振虎等：精细控压钻井中环空不稳定流动时间响应分析在环空流动方向上任取一段微元体进行受力平

6、衡分析，微元体模型如图1所示。由力学平衡方程可得：象一一gdp3z一(；一)d2P㈩⋯式中：．D为钻井液密度，kg／m。；d为钻杆外径，m；d为钻头直径，m；为环空返速，m／s；定义几何参数c一，C与钻杆和钻头的尺寸有关，对确定的井筒尺寸，其值为常数；为管壁对钻井液的平均摩擦应力，Pa。在实际钻井过程中，钻井液由于受岩屑及地层流体侵入的作用，环空中钻井液是一个充斥着气、液、固三相的混合流体。假设岩屑颗粒在井眼环空中均匀图1井筒流道微元模型分布，气体以游离状的气泡均匀分布[g]，则钻井液的密度可写成如下形式；lD一(1一一仇)pm+P+仇Pg(2)式中：lD为环空中三相混合钻井液的密度

7、，kg／m。；lD为钻井混合液的密度，kg／m。；、仇分别为固相和气相的体积分数，；P。、P分别为固相和气相的密度，kg／m。。在不稳定流动过程中，精确的确定摩擦应力是比较困难的，为简化分析，假设不稳定流动过程中摩阻系数保持不变]，并使其等于稳定流动时的值。根据流体力学知识，得到稳定流动时力的平衡条件如下：r一(3)o式中：厂为摩擦因数，1。结合式(1)与式(3)，平衡方程可简化为：Cf0一一———一一(r一一一一——v(4)、‘±，dtpa。2从井底至井