液基全过程欠平衡钻井井筒流动模型研究

Liquid-based whole process underbalanced drilling can maximize the protection of pay-zone and improve individual production. The key factor to realize the prediction and control of pressure change for liquid-based whole process underbalanced drilling is the modeling and solution based on the complicated multi-phase flow character parameters under various field operations. At present, regular multi-phase flow theory hasn't involve that type of research by far..The purpose of this research is to build up a system of highly-precise mathematical modeling and practical computation method for transient multiphase flow in circulating and closed wells under various field operations. In the first place, it is to build up mathematical modeling and numerical solution of the steady-state gas-liquid-solid multiphase by coupling the flow between formation and well during drilling. In the second place, based on the form and transfer of the pressure wave, the dynamical mathematical modeling of gas-phase passing though the still non-Newton fluid upward under buoyancy is built up while the numerical solution is provided with the multi-phase fluid theory.Finally, the principle is figured out by the verified mathematical modeling with indoor large-scale visual experiments, field experiments and numerical approach..The research can enrich the theory system and form the dynamic prediction and control method for liquid-based whole process underbalanced drilling well.

液基全过程欠平衡钻井能大幅度地提高储层保护效果和单井产量。井筒压力的预测、演变以及控制是实现液基全过程欠平衡钻井的核心，而这一核心的关键是各作业工况条件下的高温、高压复杂多相流动特征参数的数学模型与求解方法。目前，常规多相流动理论还未涉及这类特殊流动的研究。.通过该项目的研究，建立一套高精度耦合地层流动的井筒稳态多相流动与停止循环不同工况条件下的瞬态多相流数学模型与实用计算方法。首先，耦合地层与井筒流动，建立正常钻进稳态气、液、固多相流动数学模型，提出数值解法。其次，根据气液固能量物质交换、损失基本理论建立压力波产生、传递和衰减数学模型。再次，考虑压力波建立气相浮力上升穿越静止非牛顿流体动态数学模型，按照瞬态多相流理论提出数值解法。最后，通过室内大型可视化、现场实验以及数值模拟结果修正数学模型，并得出规律性认识。.该研究成果能丰富和完善液基全过程欠平衡钻井复杂流动理论体系，具有积极意义。

液基全过程欠平衡钻井井筒流动模型是在传统稳态气、液、固多相流模型基础上，更全面、系统、精确地研究不同工况条件下井筒流动与压力传递规律，它主要包括：正常钻进时稳态气液固多相流动以及停止循环条件下的瞬态气液两相流动。.为此，本文主要研究内容和认识如下：.（1）建立了欠平衡正常钻进条件下气液固稳态多相流流动数学模型，全面考虑井筒不同流体特性，建立了相应的辅助方程，模拟结果与室内及现场实验实测数据吻合（误差≤2.8%）。在此基础上，实例分析了液基欠平衡钻进过程中不同施工参数对井筒压力剖面和其它流动参数的影响，提出了稳态流动条件下的压力控制方法。.（2）在气液两相流的基础上充分考虑井下压力波产生、传递，从而建立了停止循环井筒气液两相瞬态流动数学模型，并且全面考虑井筒不同流体特性、压力传递规律，提出了相应的辅助方程、边界条件和初始条件。综合初始条件、边界条件，采用特征线法和有限差分法联合求解从而得到数值模拟结果。研究对开井条件下不同作业过程中遇到气侵时井筒瞬态气液流动进行数值模拟，模拟结果与实验实测数据较吻合，满足实际工程的需要。在此基础上提出了适用于现场的井筒流动压力控制方案与措施。.（3）针对液基全过程欠平衡钻井钻遇裂缝时由于重力置换而引起的漏喷同存问题，研究了其发生条件和裂缝中气液两相流动特征。然后，基于气液两相的动量方程分别建立了气相模型和液相模型，提出了数值模拟方法，采用可视化实验与数值模拟手段还原了欠平衡钻井钻遇裂缝性气藏又喷又漏 的物理过程。.（4）在结合套管阀施工流程的基础上，建立关井条件下井底压力波动变化规律数学模型，通过实验及数值模拟发现：对于孔隙性地层而言，在注气欠平衡井中注气量越大其欠压值也越大，关阀后由于连续气侵所造成的井底压力与地层压力平衡时间也较长；而对于裂缝性地层而言，井下不断有钻井液向地层漏失，因此，其平衡地层压力时间较孔隙性地层更长。该研究结果为套管阀的合理使用提供了理论依据。.本研究所提出的理论、模型和方法能够有效指导液基全过程欠平衡钻井的压力剖面和井筒流动参数设计。通过该论文的研究，丰富了液基全过程欠平衡钻井井筒流动理论体系，形成了液基欠平衡钻井井下稳态、瞬态多相流动压力动态预测与控制方法，这对液基全过程欠平衡钻井的技术发展具有积极意义。