直井環(huán)空多相流井底流動型流動構(gòu)型模型

直井環(huán)空多相流井底流動型流動構(gòu)型模型

1多相流壓降和確定在過去的幾十年里，多相流規(guī)律的研究發(fā)生了變化。自18世紀以來，有許多計算模型可以計算管道、環(huán)流和靜態(tài)變換的參數(shù)。美國學(xué)者提出的Poettman模型的不足之處是忽略了氣體的摩擦力和滑脫造成的影響;以后有學(xué)者先后提出了水平管中多相流動壓降計算和流動型態(tài)確定的相關(guān)方法,這些方法在充分考慮兩相共存時,存在相間的速度差,即滑脫現(xiàn)象,同時提出了兩相流動型態(tài)的確定方法和HK模式。HK模式從整體看與實際情況吻合好,偏差較小。然而,他們都沒有考慮井筒溫度和多相流環(huán)空巖屑的影響。西南石油學(xué)院提出的多相流模型,是利用室內(nèi)實驗方法模擬多相介質(zhì)流動,推導(dǎo)出了巖屑的最低攜帶速度,增加了固相對多相流動的影響,但對流動狀態(tài)的多相流井底壓力、循環(huán)摩阻以及加速度摩阻沒有進行理論和實際工程的驗證,而且室內(nèi)實驗受設(shè)備條件限制,其理論計算結(jié)果存在一定的誤差。通過井底壓力測量儀器實測數(shù)據(jù)分析可見,原有的氣液兩相流計算方法誤差在10%左右,最高達到13%,因此有必要研究和建立新的井底壓力計算模型。2流動常態(tài)模型井筒多相流模型主要有4種:①均相流動模型;②分相流動模型;③漂移流動模型;④流動型態(tài)模型。本研究采用半經(jīng)驗方法,在前人研究的基礎(chǔ)上考慮了巖屑固相對井底靜液柱壓力和循環(huán)摩阻的影響,并對氣液流動加速度壓降進行了分析,使本模型更接近欠平衡鉆井的實際情況,提高了井底壓力模型的計算精度。2.1水基鉆井液氣流系統(tǒng)根據(jù)原有的鉆井過程氣侵時的兩相流模型和欠平衡理論,應(yīng)用經(jīng)驗公式建立了流鉆欠平衡鉆井氣侵的多相流模型。在流鉆欠平衡鉆井過程中,當(dāng)鉆遇氣層時,由于地層壓力高于井底壓力,氣體就會進入井筒內(nèi),隨著鉆井液一起上返并產(chǎn)生溢流。對于水基鉆井液,氣體溶解量很小,可以忽略不計。為了描述整個多相流體系需要11個變量,即:氣體、巖屑和鉆井液的密度;氣體、巖屑和鉆井液的體積分數(shù);氣體、巖屑和鉆井液的流速以及壓力和溫度。在整個流動過程中,可以假設(shè)鉆井液自身各相之間的整體能量保持不變,這樣就可以對與剩余變量相關(guān)的10個方程進行理論求解。2.1.1巖屑質(zhì)量守恒方程鉆井液的質(zhì)量守恒方程為??t(ρmξ)+??z(ρmυmξ)=0(1)氣體的質(zhì)量守恒方程為??t(ρgλ)+??z(ρgυgλ)=Qg(2)巖屑的質(zhì)量守恒方程為??t(ρsδ)+??z(ρsυsδ)=Qs(3)式中υm為鉆井液上返速度,m/s;υg為氣體上返速度,m/s;υs為巖屑上返速度,m/s;ρm為鉆井液密度,g/cm3;ρg為氣體密度,g/cm3;ρs為巖石密度,g/cm3;ξ為鉆井液體積系數(shù);δ為氣體體積系數(shù);λ為巖屑體積系數(shù);Qs為巖屑體積量,L/s;Qg為隨鉆產(chǎn)氣量,L/s。2.1.2井底壓力mpa在模型中的氣液兩相動量方程中考慮固相顆粒的影響,則流體總的動量守恒方程可以表達如下:??t(ρmυmξ+ρgυgλ+ρsυsδ)+??z(ρmυ2mξ+ρgυ2gλ+ρsυ2sδ)+(?p?z)+(?p?z)f+(ρmξ+ρgλ+ρsδ)g=0(4)式中p為井底壓力,MPa;g為重力加速度,m/s2。2.1.3g0巖屑下降速度m/s根據(jù)文獻中的公式,氣體隨鉆井液上升的速度可以表達如下υg=C0(δυg0+ξνm)(5)式中C0為經(jīng)驗系數(shù),由流道尺寸決定;υg0為氣體在靜止液中上升速度,m/s。巖屑隨鉆井液的上升速度為υs=υm-υs0(6)式中υs0為巖屑下降速度,m/s;υs0是采用Gray推導(dǎo)出來的臨界速度約等式。多相流總的流動速度為υz=υm+υg+υs(7)式中υz為混合物流動速度,m/s。2.1.4井筒內(nèi)流體溫度t氣體狀態(tài)方程為ρg=pΜgΖRΤ(8)約束方程為δ+λ+ξ=1(9)根據(jù)文獻的井筒內(nèi)流體的溫度變化方程可得Τ=Τ0+h/A(10)式中T為井底溫度,℃;T0為地面溫度,℃;A為井筒過流面積,mm2;h為井深,m;Mg為氣體質(zhì)量,kg;Z為氣體壓縮因子;R為氣體常數(shù)。2.2降計算的推導(dǎo)欠平衡鉆井井筒環(huán)空多相流井底壓力梯度公式的推導(dǎo)方法,可根據(jù)Beggs-Brill推導(dǎo)的以流動型態(tài)模型為基礎(chǔ)的壓降計算方法進行推導(dǎo),并增加巖屑固相的影響。假設(shè)外界沒有對氣液固多相混合物作功,氣液固多相混合物也沒有向外界作功,根據(jù)穩(wěn)定流動的多相流機械能守恒方程式的微分形式,得出單位質(zhì)量的氣液固多相混合物的計算公式dpdz=(?p?z)1+(?p?z)2+(?p?z)3(11)即總壓力梯度是多相流摩擦壓力梯度、重力壓力梯度和加速壓力梯度三者之和。2.2.1鉆井液變形參數(shù)影響在流鉆欠平衡鉆井過程中,新鉆出的巖屑要進入井筒內(nèi),并從井底上返至泥漿池中。原為氣液兩相的體系中,開始摻入固體顆粒(鉆屑),使環(huán)空總壓降增加。在低密度流鉆欠平衡鉆井中,混合物密度增加對靜液壓力增加的影響較大,當(dāng)鉆速很高時,這種影響就更大。假設(shè)新鉆出的巖屑直接被鉆井液沖離井底,以一定流速隨鉆井液上返,上返過程中是均勻分布在鉆井液中。設(shè)在dt時間內(nèi)以一定機械鉆速鉆進深度為dh,鉆出的巖屑體積為dQs=π4D2evtdt(12)式中vt為機械鉆速,m/s;De為井筒直徑(De=C1Dh),mm;C1為井眼擴大率。那么dt時間內(nèi)鉆出巖屑的質(zhì)量為dΜs=dQsρs=π4D2evtρsdt令δ=QsQz；λ=QgQz；ξ=QmQz式中Ms為鉆井液中巖屑質(zhì)量,kg;Qm為鉆井液入口排量,L/s;Qz為鉆井液出口排量,L/s。經(jīng)過推導(dǎo),靜液柱重力引起的壓力梯度可具體表達如下(?p?z)1=ρzg=[ρmξ+(ρs-ρm)δ-(ρm-ρg)λ]g(13)式中ρz為環(huán)空鉆井液混合后的密度,g/cm3。2.2.2環(huán)空壓耗計算公式關(guān)于多相流的摩擦壓力梯度的計算問題,前人在氣液兩相流基礎(chǔ)上給出了比較準(zhǔn)確的計算公式,結(jié)合大慶油田欠平衡鉆井實測情況進行分析,巖屑對環(huán)空摩阻影響較大,因此通過2口井的實測數(shù)據(jù)對系數(shù)進行修正,把巖屑等固相含量對循環(huán)摩阻的影響增加到系數(shù)上,采用混合物的密度,提高計算精度,得出不同情況下環(huán)空壓耗計算公式。(1)鉆頭直徑dh當(dāng)環(huán)空流動為紊流狀態(tài)時,根據(jù)文獻中的公式編制計算程度進行計算,與實測數(shù)據(jù)對比表明,可利用下式進行計算(?p?z)2=1.2336ρ0.8zη0.2Q1.8z(Dh-Dp)3(Dh+Dp)1.8(14)式中Dh為鉆頭直徑,mm;η為鉆井液塑性粘度,mPa·s;Dp為鉆桿或鉆鋌外徑,mm。當(dāng)流動狀態(tài)為層流,采用文獻的公式進行系數(shù)反算修正,得出鉆井液環(huán)空壓耗計算公式為(?p?z)2=61.115ηQz(Dh-Dp)3(Dh+Dp)1.8+0.006YΡ(Dh-Dp)(15)式中YP為屈服值,Pa。(2)環(huán)空巖屑模型根據(jù)氣液兩相流型判斷方法和實測數(shù)值對比計算發(fā)現(xiàn),誤差高達10%以上,其原因主要是環(huán)空巖屑的影響。其影響因素較多,建立模型計算難度很大,因此將環(huán)空巖屑的影響歸納到計算系數(shù)中。根據(jù)新建立的混合物的密度計算方法,將環(huán)空鉆井液環(huán)空壓降的計算公式(14)系數(shù)設(shè)定為未知數(shù)系數(shù)反算修正,系數(shù)為1.276～1.289,取平均值1.2825,將公式修正為(?p?z)2=1.2825η0.2Qz1.8Ρz0.8(Dh-Dp)3(Dh+Dp)1.8(16)2.2.3井底沉降速度計算假設(shè)多相流動的運動速度在一定區(qū)域內(nèi)保持不變,由于運動速度引起的多相流加速壓力梯度計算公式為(?p?z)3=ρzυzdυdz=ρzυz[ddz(ξΜzAρg)+ddz(δΜzAρm)+ddz(λΜzAρs)](17)式中Mz為鉆井液混合物質(zhì)量,kg?？紤]巖屑從井底開始隨氣液流上升有一個加速過程,只有當(dāng)上升到加速度為零以后才會出現(xiàn)穩(wěn)定流動,因為此時可以忽略沉降速度的壓降。為了簡化式(17),特作如下假設(shè)。(1)假設(shè)氣體、液體和固體的壓縮性不同，可以假設(shè)ddz(λΜzAρs)＜ddz(ξΜzAρm)?ddz(δΜzAρg)(18)(2)gad3gz19模型1ρg[ddz(ΜgA)]?Μgρ2gAdρgdz(19)根據(jù)假設(shè),式(17)經(jīng)過簡化后得(?p?z)3=ρzυzυgρgpdpdz(20)2.3環(huán)空巖屑固相對多相流井底壓力影響分析由于式(13)～式(16)是根據(jù)不同井深、不同機械鉆速累加計算的,式(20)屬于隱函數(shù),故需要計算機編程才能進行計算。將環(huán)空巖屑固相對多相流井底壓力增量的影響進行對比分析,從圖1和圖2中可以看出,隨著機械鉆速加快,井筒內(nèi)巖屑含量上升,井底壓力增量增大,最高可以增加3～4MPa。隨著井深的增加,密度降低,環(huán)空巖屑引起的井底壓力的增量也越來越大。因此,對于深井低壓流鉆欠平衡鉆井來說,環(huán)空巖屑的影響很大。其誤差有時高于設(shè)計的井底負壓值,造成井底過平穩(wěn),從而影響勘探效果。3井深、井位的確定對多相流井底壓力模型進行了計算機編程,在徐深5井欠平衡鉆井中進行了現(xiàn)場試驗。徐深5井位于肇州縣榆樹鄉(xiāng)新興村鄭家館子屯南0.5km,設(shè)計井深為4040m,完鉆井深為4057m。目的層主要為營城組火山巖段,兼探泉二、一段、登婁庫組、營城組砂巖、砂礫巖層段。完鉆層位沙河子組,設(shè)計地層壓力系數(shù)為0.94～1.05。根據(jù)徐深5井實鉆基本數(shù)據(jù)進行了理論計算,并且同井底測壓接頭實測數(shù)據(jù)進行了對比,理論計算結(jié)果的誤差在3%以