超临界流体诱发井喷机理与井控技术研究

部分三高气井硫化氢、二氧化碳在井底处于超临界态，即既有气态特征又有液体特征，超临界态硫化氢、二氧化碳的相态转变很可能发生爆炸性膨胀，诱发或加速井喷。本项目拟借助高温高压硫化氢、二氧化碳相变特征试验装置，开展硫化氢、二氧化碳及其混合体系超临界状态下相态转变特性实验研究，研究适合于描述超临界态硫化氢、二氧化碳相态特征的数学模型和天然气在钻井液中的溶解度计算模型，建立考虑气体溶解度、地层渗流特性、临界和超临界条件下三高气井地层- - 井筒环空- - 井口系统的多相流动力学模型，模拟溢流、井涌、井喷、关井、压井期间环空套压、井底流压随时间的变化规律，研究溢流发生和演变成井涌及井喷的过程，研究钻头不在井底、套管的抗内压强度不够造成的不能施加所需的回压、空井无钻柱、高产及高导流能力等复杂条件下的非常规井控方法和计算模型，为三高气井钻井过程中防止恶性井喷及安全钻井提供理论和技术支持。

针对三高气井井控的世界级难题，研究了超临界H2S、CO2的性质，超临界态具有粘度小、扩散系数大、密度大、流动性好、良好的溶解度和传质特性，并且在临界点附近对温度和压力尤为敏感。首次将超临界H2S、CO2流体复杂相行为引入到安全钻井领域，建立了考虑超临界流体分子热力学、动力学的井筒多相流模型，模拟了井筒流动行为，模拟结果表明：处于井底附近的H2S、CO2没有相态变化，气侵早期不易发现，而在离井口很近的井段，超临界态H2S、CO2发生相变，体积瞬间急剧膨胀，膨胀几百到几千倍，其溢流预警时间较短，极易诱发事故。针对高酸性高压高产气井在起、下钻过程中，钻柱不在井底时发生的井喷问题，建立了改进动力法压井过程环空压力场计算模型，提出了一种针对井口承压能力不足、钻头不在井底的改进动力压井法，借助多相流动摩阻压降可以提高井底压力，降低地层出气量。针对井筒喷空等极端工况，推导了高速气流条件下形成稳定液柱及将环空气体有效挤入地层的最小压井液密度计算模型。形成了高含硫超临界态非常规井筒压力控制和附加安全钻井液密度确定方法，为含硫气田安全钻井提供理论依据。