许争鸣：一种考虑气体非平衡溶解及析出的深井钻井气侵模拟器【SPE Journal，2021】

发布时间：2021-12-31       阅读：0次

我国深层、超深层油气资源量为763亿吨油当量，占油气资源总量的35%，开发潜力巨大。对于深井安全高效钻进，井控安全始终是一个突出问题。深井钻遇地层压力大、安全压力窗口窄以及井筒温压变化大使得流体性质变化复杂等，导致钻井时井筒压力精细预测和控制难度增大，易诱发气侵、甚至井喷事故。油基钻井液中气体溶解特性的准确描述，是深井气侵时井筒压力和流动参数精细预测的关键。

目前学者多假设侵入气体全部瞬时溶解于油基钻井液，即气体平衡溶解假设。在此假设下，气侵初期井筒内不存在自由气，只有在井口附近处溶解气才开始析出。因此气侵后井筒内流型变化为“单相流→气-液两相流”。然而，气体在油基钻井液中并非瞬时溶解，侵入气全部溶解大约需10分钟，即气体非平衡溶解。与气体从井底至井口的运移时间相比（10分钟至数小时），气体溶解所需时间不可忽略。气侵初期，大部分侵入气以自由气存在，井筒内为气-液两相流。自由气全部溶解后，气-液两相流转变为单相流。因此在气体非平衡溶解下，流型变化为“气-液两相流→单相流→气-液两相流”。因此，要想阐明油基钻井液中气侵后复杂的非平衡井筒气-液两相流动传热规律，提高井筒压力和关键井控参数的预测精度，实现深井气侵早期监测及安全高效处理，实质上是解决“油基钻井液中气体非平衡溶解对井筒气-液两相流动传热影响机制”这一关键科学问题。

针对这一关键问题，我校能源学院青年教师许争鸣，建立了一种考虑气体非平衡溶解及析出的深井钻井气侵模拟器。利用该模型研究了油基钻井液中的非平衡气侵特性，取得以下认识：

1)       与平衡气侵模拟器相比，非平衡气侵模型中存在一个独特的气体溶解阶段。在这一阶段，池液面增量大幅度降低，这种现象可能会被钻井工程师误解为井漏或气侵强度降低（图1）。

2)       由于在非平衡和平衡气体溶解条件下，钻井液返出排量的增量都较低，因此钻井液返出排量并不是一个可靠的气侵指标（图2）。

3)       忽略油基钻井液中的气体析出速率可能会导致对最大池液面增量和钻井液返出排量的高估。在非瞬时气体析出条件下，更多的气体以溶解气的形式从井筒中运移出来。

该项研究揭示了气体非平衡溶解及析出对气侵后井筒气-液两相流动的影响机制，可以更为准确地预测和调控钻井气侵过程中的井筒压力，为安全高效处理深井油基钻井液中的气侵提供了理论依据。

图1 水基钻井液、油基钻井液（平衡及非平衡）条件下池液面增量随时间变化对比

图2 水基钻井液、油基钻井液（平衡及非平衡）条件下气侵指示参数随时间变化关系（a、池液面增量；b、钻井液出口排量）

上述成果发表于国际石油工程研究顶级期刊《SPE Journal》上，Xu Z.M*, Chen X.J, Song X.Z, et al. (2021). Gas-kick simulation in oil-based drilling fluids with nonequilibrium gas-dissolution and -evolution effects. SPE Journal, 26(5):2549-2569. DOI: 10.2118/206717-PA. [IF2020=3.478]

全文链接：https://doi.org/10.2118/206717-PA