硬关井井口的流场分析论文(编辑修改稿)

硬关井井口的流场分析论文(编辑修改稿)内容摘要：

如图25所示。 井涌钻井溢流不断增大便会形成井涌，如图26所示。 当发生钻井溢流和井涌后，若不及时采取相应措施，井涌量就会逐步增大，喷出物会越来越多、越喷越高，最终发生井喷。 井喷地层流体（油、气、水）压力过高而涌入井筒，喷出转盘面2m以上的现象称为井喷。 井喷流体自地层经井筒喷出地面称为地上井喷；地下井喷是指井下高压层的地层流体把井内某一薄弱层压破，流体由高压层大量流入被压破地层的现象。 井喷失控井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出现敞喷的现象称为井喷失控，如图210所示。 井喷失控又可分为环空失控、管柱内失控、地面失控和地下失控四种形态，无论是哪种形态，均是钻井工程中性质严重、损失巨大的灾难性事故。 本章小结本章主要介绍了井控装置和技术的发展现状。 本章介绍了防喷器的组成和工作原理以及防喷器组合的压力和通径的选择以及井控的分类。 本章还介绍了井口事故。 为了避免溢流引起井喷失控事故，发现溢流后要及时、准确、无误地采取防喷器关井。 目前常用的关井操作分为软关井、半软关井和硬关井三种方式。 三种方式都有其优缺点。 关井方式的分类 硬关井 “硬关井”通常也称为快速关井，即一旦发生溢流或井喷，在防喷器与四通等的旁侧通道全部关闭的情况下立即关闭闸板防喷器。 硬关井时，由于关井用时少、动作快，地层流体进入井筒的量少，关井套压低，压井作业时井口承受的压力也较低。 但由于流体的惯性和动能硬关井会在井口产生“水击效应”，特别是高速油气冲向井口时，对井口装置的作用力很大，使井口装置、套管和地层所承受的压力急剧增加，甚至超过井口装置的额定工作压力、套管抗内压强度和地层破裂压力，而造成井口失控。 软关井“软关井”是当发生溢流或井喷后，在节流阀通道开启、其它旁侧通道关闭的情况下关防喷器，然后再缓慢关闭节流阀，待压力恢复后记录关井立管压力和套压。 “软关井”方法的优点是克服了“硬关井”的缺点，但由于关井时间比较长，侵入井筒内的地层流体多，套压较高。 半软关井“半软关井”为节流阀在适当开度（约3/5圈）下关闭防喷器的操作程序。 适当打开节流阀，目的是使井口套压保持一定值，既可以减小水击影响，降低井口压力，又可在很大程度上阻止地层流体侵入井内。 采取软关井或半软关井，由于关井时间较长，将会引起地层流体进一步侵入井眼，最终引起井口、套管鞋处及井底的压力不断增加，使井控工作难度增大。 硬关井时关井迅速，地层流体进入井筒的量少，关井套压小，压井作业时井口承受的压力也低，但会引起较大的水击压力，造成对井口及井眼的冲击震动，若控制不好，则有可能破坏井口装置，造成井喷失控。 关井方式的选择当井涌发生时，由于节流阀打开之后关闭防喷器既容易，又降低了冲击震动，因此国际上普遍采用“软关井”方式。 但是软关井操作方式会延迟节流阀和防喷器的关闭时间，这样将会造成大量地层流体进入，不利于后续的压井作业。 由于井场上的情况千变万化，具体情况下关井方式的选择变得尤为重要。 对于关井方式的选择，国内外很多学者都进行了研究，下面先介绍几种观点。 硬关井操作中，不仅可以忽略地层的附加压力，还能有效的避免更多流体进入井筒以及井筒压力的升高。 软关井操作中，大量流体的涌入更容易造成套管表压的上升，增加水击脉冲的幅度，而且在开关阀门时又存在人为差错等因素，因此，从人员安全、设备安全以及油井安全等方面考虑，硬关井成为首选的关井方式。 在井口流速不是特别高时，“硬关井”形成的水击压力并不大，且井筒内的气体可以减少水击压力，对于关井的影响比较小，因此完全可以考虑采用“硬关井”。 总之，关井是控制溢流的关键方法，关井程序的选择则是井控作业成功与否的关键。 研究表明，当发现溢流较早时，侵入井筒内部的气体相对较少，因而井口主要受到钻井液的冲击，不过由于流速低，所以造成的水击压力就比较小。 当溢流发现较晚时，侵入井筒内部的气体相对较多，由于气体上升过程中体积逐渐变大，因而井口主要受到气体的冲击作用，但由于气体为可压缩的弹性体，能减缓对井口的冲击。 同时由于目前井口装备关闭多为液压控制，关井速度很快，节约了更多的时间。 因此，“硬关井”是一种较为安全、快捷的关井方式。 本章小结本章介绍了三种关井方式以及各自的优缺点。 得出“硬关井” 是一种较为安全、快捷的关井方式的结论。 流体流型分析流型的确定容易受到主观因素的影响，这使得不同的研究者从不同的角度对流型进行研究时会给出不同的流型定义和划分的方法。 在钻井过程中，环形空间形成的气体—钻井液气液两相上升流流型可能具有多种流型分布，在总结现有垂直环空管上升气液两相流流型研究成果的基础上，将其划分为五种基本流型：分散气泡流、气泡流、弹状流、搅动流和环状流，这种流型划分方式已被广泛采用，它较好的描述了钻井过程中环形空间上升气液两相流基本流动特性。 分散泡状流：气相以小的离散气泡分布在环形空间的连续液相中。 气泡都以一种非常小的球形气泡存在，且气泡与液相之间不产生滑脱现象，两者以相同速度向上移动。 分散泡状流一般在气相流量与液相流量相比很小的情况才可能发生，也可以将其归类到泡状流。 泡状流：气相以小的离散气泡分布在环形空间的连续液相中，但是气泡呈现出两种形状：球型小气泡和体积较大的大气泡。 球形小气泡认为悬浮在液相中，与液相之间不产生滑脱，而大气泡在液相中滑脱向上移动。 弹状流：弹状流的突出特点是由一串段赛段单元构成，又名段塞流。 每一个段塞段单元由一个大的气泡（又称Taylor泡）、一段液相和将大气泡包含在其中的一段液膜构成。 在垂直环空中Taylor泡缠绕在内管外壁上，位于内壁和外壁液膜之间，几乎占据环空管的大部分截面。 包含Taylor泡的液膜相对于Taylor泡向下移动，与携带有小的气泡的液相段一起在环空中形成桥接，将连续的两个Taylor泡分开。 搅动流：搅动流是一种气相和液相的混乱流动状态，Taylor泡和液塞都发生扭曲。 相邻Taylor泡之间液相的连续性随着气泡之间融合不断遭到破坏，液相不断的落下和积累形成暂时的桥接，然后在气泡的顶替下上升，所以液相的运动方向的交替改变是搅动流的显著特点。 环状流：环状流中气相呈现出连续相状态，环空管的内管外壁与外管内壁均有一层液膜，含有微小液滴的气芯占据两层液膜之间的环形空间，而且现有研究表明，外管液膜要比内管液膜稍厚。 本文假设流体均匀而且气泡非常小，气泡都以一种非常小的球形气泡存在，且气泡与液相之间不产生滑脱现象，两者以相同速度向上移动。 即认为流体为分散泡状流流型。 硬关井水击模型采取硬关井方式时，液体的流动瞬时停止，由于压缩性和惯性的作用，在井口会产生水击作用，可能造成套管鞋等部件的损坏，从而影响正常钻井施工。 因此，在建立水击模型之前，有必要对水击压力和水击波速进行研究。 下图是水击压力传递的四个步骤。 水击波传播的第一阶段 图41 0﹤t≤L/c 时增压波面向水箱方向传播如图41所示，假设防喷器瞬时关闭，靠近闸板下部的一段厚度∆S的液体速度会首先在极短时间内变为零，其压力也由P0增为P0+∆P，相应段井筒也由于压力变化出现膨胀。 在∆t时间间隔之后，下部紧挨着的一段液柱也停止运动，由此下去，其后各个液柱逐次停止运动，并由压缩而产生∆P的增压值。 这就形成了增压波面，并以液体中音速c由井口向井底传播，在经过t1L/c后，增压波面到达套管鞋处，井筒中液体全部静止，压力变为P0+∆P。 这个阶段，套管由于压力增加而膨胀，流体的动能转化为流体压力能和套管的内能。 水击波传播的第二阶段图42 L/c﹤t≤2L/c 时减压波面向阀门方向传播由图42所示，在t=L/c时刻，井筒内的液体都已停止流动，均处在被压缩状态，井筒则处于膨胀状态。 但此刻井筒内的压力高于套管鞋处的压力，压力产生不平衡，这样就使靠近套管鞋处的一段流体以速度v0向井底倒流，水击压力消失，恢复正常静压，管壁也恢复原状。 这个过程套管的内能和流体的压力能转化为流体的动能。 水击波传播的第三阶段图43 2L/c﹤t≤3L/c 时减压波面向水箱方向传播在2L/c时刻，全井筒内压力已恢复到静压。 紧邻闸板处的液柱由于惯性的作用仍以速度v0向井底流动，液体又不再补充，从而液体产生双倍膨胀，出现压力双倍降低，即产生负的压力∆P，井筒壁收缩，而此后的液柱相继降低，形成减压波面仍以速度c向井底传播，流体的动能转化为流体的压力能，如图43所示。 水击波传播的第四阶段图44 3L/c﹤t≤4L/c 时减压波面向阀门方向传播由图44所示，在防喷器关闭后t3时刻，减压波面到达井底，井筒内的液体处于低压的静止状态，管壁则处在收缩状态。 此刻，井底处的压力高于井筒内的压力，又失去平衡，在压差∆P的作用下，液体以速度v0向上运动，并紧邻井底的一层液体压力恢复到p0，管壁也恢复原状。 这种不平衡面又依次以速度向闸板方向传播，在t4=4L/c时传到胶芯处，全井筒液体又恢复到关闭前的状态。 随后，第一个压力传递循环开始。 根据[35],闸板瞬时关闭时产生水击压力使套管膨胀，波阵面s下侧为井口未关闭前的状态，即流速为vm0，面积为A0；在S上侧，流速变为零，面积为A1，波阵面S将以波速am向下推进。 上侧相对速度v=am，下侧相对速度为： (41)在密度不变情况下，由连续性方程可知：。