專利名稱：抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法
技術領域：
本發明屬于油氣開發領域，具體地，涉及一種抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法。
背景技術：
我國西南及西北地區存在著大量的高含酸性氣體(主要指H2S和CO2)的氣田，這些氣田儲量豐富，是我國油氣的重要來源。但是由于H2S和CO2酸性氣體在井底常處于超臨界狀態，具有較高的密度，且在井底的水基鉆井液中具有極高的溶解度，使得井底處高含酸性氣的天然氣的氣侵具有極強的隱蔽性；而當侵入井筒中的高含酸性氣體的天然氣在隨鉆井液上返至井筒上部區域時，隨著井筒內溫度壓力的降低，處于超臨界態的酸性氣體會發生相變，成為氣態，并且溶解在水基鉆井液中的酸性氣體也會大量析出，侵入井筒的氣體會迅速膨脹，使得氣侵具有突發性，如果控制不當容易在極短的時間內發生井噴，給鉆井作業帶來嚴重的安全隱患。而在循環排出氣侵過程中施加一定的井口回壓可以抑制高含酸性氣體天然氣在井筒中的膨脹，但是井口回壓值過低對酸性氣體突發膨脹的抑制作用不明顯，如果井口回壓過高又會增加鉆井過程中的風險，因此，井口回壓值是抑制酸性氣體的突發膨脹的關鍵參數。
發明內容
為克服現有技術所存在的缺陷，本發明提出一種抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，該方法是·通過建立考慮酸性氣體相變和溶解的多相流動控制方程組，計算不同井口回壓條件下氣體在循環排出過程中的體積變化，建立井口回壓與最大氣體膨脹體積之間的關系曲線，然后在曲線上找到最優的井口回壓值。通過該方法可以準確的確定井口回壓值的大小，為抑制酸性氣體的突發膨脹提供指導。為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下:抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，步驟如下:(I)、確定抑制酸性氣體突發膨脹井口回壓計算所需的基本參數，基本參數包括:井身結構、鉆具組合、鉆井液密度、鉆井液粘度、鉆井液排量、井深、井斜角、方位角、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、侵入井筒氣體的組分、地層產出氣中H2S和CO2的摩爾分數。(2)、將侵入井筒氣體的流動空間和時間離散成網格形式空間網格為從井筒底部開始至井口結束，采用非均勻網格形式，井筒上部的網格密度比井筒底部大；時間從循環排出氣侵初始時刻開始，至氣體完全排出井筒結束，時間網格的長短根據空間網格長度及氣體上升速度來確定；時間節點從開始至結束分別用J=1、
2、3、…、M表示，空間節點從下到上分別用1=1、2、3、…、N表示。(3)、建立考慮酸性氣體相態轉化及溶解度的多相流動控制方程組考慮酸性氣體相態轉化及溶解度沿井筒深度的變化，建立循環排氣過程中井筒多相流動的控制方程組，包括連續性方程、動量方程、能量方程及輔助方程，其中輔助方程主要包括:流體PVT方程、氣體溶解度方程、氣體臨界溫度方程、氣體臨界壓力方程、流體超臨界態判斷方程、地層溫度場方程、氣相滑脫速度方程、固相沉降速度方程、流型判別方程、井眼幾何形狀方程。
(4)、確定多相流動控制方程組的定解條件及求解算法多相流動控制方程組的定解條件主要包括:初始條件和邊界條件；多相流動控制方程組的求解方法為全隱式四點差分方法。(5)、確定一定井口回壓條件下循環排氣過程中井筒內氣體體積膨脹的最大值，具體步驟如下:①選取一定井口回壓Pm②估算時間節點I時刻(循環排氣初始時刻)空間節點I (井筒最底部節點)處的環空壓力Pbl根據井口回壓P1及當前井筒內基本參數數值，估算時間節點I時刻空間節點I處的壓力值Pbl ;結合定解條件及輔助方程計算井底處的多相流動參數，包括各相的體積分數、速度及氣體的密度，作為空間節點2處參數計算的定解條件。③估算時間節點I時刻空間節點2處的環空壓力Pa2④計算時間節點I時刻空間節點2處的溫度Ta2⑤判斷時間節點I時刻空間節點2處酸性氣體的相態若時間節點I時刻空間節點2處的環空壓力和溫度分別高于酸性氣體的臨界壓力和溫度，則酸性氣體處于超臨界狀態；反之，則酸性氣體處于氣態。⑥計算時間節點I時刻空間節點2處酸性氣體的溶解度根據酸性氣體的相態及時間節點I時刻空間節點2處的環空壓力和溫度，計算酸性氣體的溶解度。⑦結合酸性氣體的相態和溶解度，利用連續性方程及輔助方程計算時間節點I時刻空間節點2處的多相流動參數⑧利用動量方程求解時間節點I時刻空間節點2處的環空壓力Pa2n6w⑨判斷Pa2與Pa2mw的誤差是否滿足計算精度要求判斷Pa2與Pa2nrat的誤差是否滿足計算精度要求:若滿足，則Pa2mw為時間節點I時刻空間節點2處的環空壓力；反之，返回步驟③，直至滿足誤差要求。⑩以此類推，重復步驟③-⑨，計算整個井筒上各個空間節點處的多相流動參數按照步驟③-⑨從井筒底部空間節點I=I 一直計算至井口空間節點I=N，得到整個井筒上各個空間節點處的多相流動參數，包括各相體積分數、速度以及環空壓力。_斷Pni與Pmn6w的誤差是否滿足計算精度要求由步驟⑩計算得到的井口空間節點N處的環空壓力(井口回壓)Pn1mw，判斷該值與步驟①選取的井口回壓Pni間的誤差是否滿足精度要求。如果滿足則說明步驟②估算的空間節點I處環空壓力Pbl合理，步驟②-⑩計算得到的時間節點I時刻整個井筒上各個空間節點處的多相流動參數有效；反之返回步驟②重新計算，直至滿足要求。 計算時間節點I時刻井筒內氣體的體積根據步驟⑩中計算得出的整個井筒各個空間節點處的氣體體積分數，計算得到時間節點I時刻整個井筒中氣體的體積％。
把第一時間節點I時刻計算的多相流動參數作為第二時間節點2時刻的初始值，按照步驟②_ 計算第二時間節點2時刻井筒內的氣體體積；依次類推，計算得到3時刻、4時刻、…、M時刻，直至時間節點結束，得到整個循環排氣期間不同時間節點時刻井筒內氣體的體積，分別為；0選取循環排氣過程中不同時間節點時刻井筒內氣體體積的最大值Vmaxl，該值即為井口回壓Pni時井筒內氣體膨脹的最大值。比較由步驟①-O計算得到的循環排氣過程中不同時間節點時刻井筒內氣體體積，選取其中的最大值Vmaxl=MaxlVpVyVfVMh則Vmajd即為步驟①中所選定的井口回壓Pni條件下循環排氣過程中井筒內氣體體積膨脹的最大值。(6)、逐漸增加回壓值，重復上述步驟(5)，計算不同井口回壓條件下的循環排氣過程中井筒內氣體體積的最大值
逐漸增加井口回壓值，按照步驟(5)計算不同井口回壓PN1、Pn2 , PN3、…、Pnk條件下的循環排氣過程中井筒內氣體體積的最大值Vmaxl、Vmax2、Vmax3、其中，Pni> PN2>PN3、…、Pnk為不同的井口回壓值；Vmaxl、Vfflax2, Vmax3、…、Vimxk為所對用井口回壓下循環排氣過程中井筒內氣體體積的最大值。(7)、在直角坐標系上繪制井口回壓與循環排氣過程中井筒內氣體體積最大值的函數曲線，在曲線上找到抑制酸性氣體突發膨脹的最優井口回壓值以井口回壓P1、PN2、PN3、…、Pnk為變量，以循環排氣過程中井筒內氣體體積最大值Vmaxl> Vmax2, Vmax3>…、Vimxk為函數值，在直角坐標系上繪制井口回壓與井筒內氣體體積最大值的函數曲線；尋找曲線斜率快接近零的點，該點所對應的井口回壓即為所求的抑制酸性氣體突發膨脹的最優井口回壓值。本發明相對于現有技術，具有以下顯著效果:(I)、本發明所述的方法可通過在井口施加一定的井口回壓來抑制酸性氣體的膨脹，防止了在循環排出酸性氣體過程中氣體突發膨脹帶來的安全隱患，該方法工藝簡單，適合現場使用。(2)、本發明所述的方法能夠針對不同氣田中酸性氣體種類和含量的不同，給出最優的抑制酸性氣體膨脹的井口回壓值，使得該方法有較廣的應用性。(3)、本方法考慮由酸性氣體的相態變化及溶解度，建立了能夠科學描述酸性氣體循環排出井筒過程中的多相流動控制方程組，采用全隱式四點差分算法結合非均勻網格劃分方法對方程組進行求解，提高了計算的準確性。說明書附1為本發明抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法的流程圖；圖2為確定一定井口回壓條件下循環排氣過程中井筒內氣體體積膨脹的最大值的流程圖；圖3為井口回壓(Pnk)與循環排氣過程中井筒內氣體體積最大值(Vmax)的函數曲線。
具體實施方式
如
圖1所示，抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法包括如下步驟:1、確定抑制酸性氣體突發膨脹井口回壓計算所需的基本參數基本參數包括:井身結構、鉆具組合、鉆井液密度、鉆井液粘度、鉆井液排量、井深、井斜角、方位角、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、侵入井筒氣體的組分、地層產出氣中H2S和CO2的摩爾分數。2、將侵入井筒氣體的流動空間和時間離散成網格形式空間網格為從井筒底部開始至井口結束，采用非均勻網格形式，井筒上部的網格密度應比井筒底部大；時間從循環排出氣侵初始時刻開始，至氣體完全排出井筒結束，時間網格的長短根據空間網格長度及氣體上升速度來確定；時間節點和空間節點分別用J=l、2、3、…、M 和 1=1、2、3、…、N 表示。3、建立考慮酸性氣體相態轉化及溶解度的多相流動控制方程組考慮酸性氣體相態轉化及溶解度沿井筒深度的變化，建立循環排氣過程中井筒多相流動的控制方程組，包括連續性方程、動量方程、能量方程及輔助方程，其中輔助方程主要包括:流體PVT方程、氣體溶解度方程、氣體臨界溫度方程、氣體臨界壓力方程、流體超臨界態判斷方程、地層溫度場方程、氣相滑脫速度方程、固相沉降速度方程、流型判別方程、井眼幾何形狀方程。(I)連續性方程
分別建立循環排氣過程中烴類天然氣、硫化氫、二氧化碳、鉆井液、巖屑的連續性方程。天然氣:
權利要求
1.一種抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，具體步驟如下: (1)、確定抑制酸性氣體突發膨脹井口回壓計算所需的基本參數； (2)、將侵入井筒氣體的流動空間和時間離散成網格形式； (3)、建立考慮酸性氣體相態轉化及溶解度的多相流動控制方程組； (4)、確定多相流動控制方程組的定解條件及求解算法； (5)、確定一定井口回壓條件下循環排氣過程中井筒內氣體體積膨脹的最大值； (6)、逐漸增加回壓值，重復上述步驟(5)，計算不同井口回壓條件下的循環排氣過程中井筒內氣體體積的最大值； (7)、在直角坐標系上繪制井口回壓與循環排氣過程中井筒內氣體體積最大值的函數曲線，在曲線上找到抑制酸性氣體突發膨脹的最優井口回壓值。
2.根據權利要求1所述的抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，其特征在于，優選地，確定抑制酸性氣體突發膨脹井口回壓計算所需的基本參數包括:井身結構、鉆具組合、鉆井液密度、鉆井液粘度、鉆井液排量、井深、井斜角、方位角、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、侵入井筒氣體的組分、地層產出氣中H2S和CO2的摩爾分數。
3.根據權利要求1-2所述的抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，其特征在于，優選地，將侵入井筒氣體的流動空間和時間離散成網格形式指的是:空間網格為從井筒底部開始至井口結束，采用非均勻網格形式，井筒上部的網格密度比井筒底部大；時間從循環排出氣侵初始時刻開始，至氣體完全排出井筒結束，時間網格的長短根據空間網格長度及氣體上升速度來確定，隨著時間的增加網格密度增加。
4.根據權利要求1-3所述的抑制`酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，其特征在于，優選地，建立考慮酸性氣體相態轉化及溶解度的多相流動控制方程組包括:連續性方程、動量方程、能量方程及輔助方程；其中輔助方程主要包括:流體PVT方程、氣體溶解度方程、氣體臨界溫度方程、氣體臨界壓力方程、流體超臨界態判斷方程、地層溫度場方程、氣相滑脫速度方程、固相沉降速度方程、流型判別方程、井眼幾何形狀方程。
5.根據權利要求1-4所述的抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，其特征在于，多相流動控制方程組的定解條件包括:初始條件和邊界條件；多相流動控制方程組的求解方法為全隱式四點差分方法。
6.根據權利要求1-5所述的抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，其特征在于，優選地，確定一定井口回壓條件下循環排氣過程中井筒內氣體體積膨脹的最大值的具體步驟包括: (61)、選取一定井口回壓Pni； (62)、估算時間節點I時刻(循環排氣初始時刻)空間節點I(井筒最底部節點)處的環空壓力Pm (63)、估算第一時間節點I時刻空間節點2處的環空壓力Pa2； (64)、計算第一時間節點I時刻空間節點2處的溫度Ta2； (65)、判斷第一時間節點I時刻空間節點2處酸性氣體的相態； (66)、計算第一時間節點I時刻空間節點2處酸性氣體的溶解度； (67)、結合酸性氣體的相態和溶解度，利用連續性方程及輔助方程計算第一時間節點I時刻空間節點2處的多相流動參數；(68)、利用動量方程求解第一時間節點I時刻空間節點2處的環空壓力Pa2n6w； (69)、判斷Pa2與Pa2nrat的誤差是否滿足計算精度要求； 若滿足，則Pa2n6w為時間節點I時刻空間節點2處的環空壓力；反之，返回步驟(63)，直至滿足誤差要求； (610)、以此類推，重復上述步驟63-69，計算整個井筒上各個空間節點處的多相流動參數； (611)、判斷Pni與Pn1mw的誤差是否滿足計算精度要求； 由步驟(610)計算得到的井口空間節點N處的環空壓力(井口回壓)PNlnew,判斷該值與步驟(61)選取的井口回壓Pni間的誤差是否滿足精度要求；如果滿足則說明步驟(62)估算的空間節點I處環空壓力Pbl合理，步驟(62)- (610)計算得到的時間節點I時刻整個井筒上各個空間節點處的多相流動參數有效；反之返回步驟(62)重新計算，直至滿足要求； (612)、計算第一時間節點I時刻井筒內氣體的體積； (613)、把第一時間節點I時刻計算的多相流動參數作為第二時間節點2時刻的初始值，按照步驟(62) - (612)計算第二時間節點2時刻井筒內的氣體體積；依次類推，計算得到3時刻、4時刻、…、M時刻，直至時間節點結束，得到整個循環排氣期間不同時間節點時刻井筒內氣體的體積； (614)、選取循環排氣過程中不同時間節點時刻井筒內氣體體積的最大值Vmaxl，該值即為井口回壓Pni時井筒內氣體膨脹的最大值。
7.根據權利要求1-5·所述的抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，其特征在于，優選地，計算不同井口回壓條件下的循環排氣過程中井筒內氣體體積的最大值指的是:逐漸增加井口回壓值，按照步驟(5)計算得到不同井口回壓PN1、PN2> PN3、…、Pffi條件下的循環排氣過程中井筒內氣體體積的最大值->VfflaxK ;其中，PN1、PN2、PN3、…、Pffi為不同的井口回壓值；Vmaxl、…、Vimxk為所對用井口回壓下循環排氣過程中井筒內氣體體積的最大值。
8.根據權利要求1-5所述的抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，其特征在于，優選地，在直角坐標系上繪制井口回壓與循環排氣過程中井筒內氣體體積最大值的函數曲線，在曲線上找到抑制酸性氣體突發膨脹的最優井口回壓值的步驟包括:以井口回壓PN1、PN2、PN3、…、Pffi為變量，以循環排氣過程中井筒內氣體體積最大值…、V_K為函數值，在直角坐標系上繪制井口回壓與井筒內氣體體積最大值的函數曲線；尋找曲線斜率快接近零的點，該點所對應的井口回壓即為所求的抑制酸性氣體突發膨脹的最優井口回壓值。
全文摘要
本發明涉及一種抑制酸性氣體突發膨脹的井口回壓確定方法，具體步驟如下確定抑制酸性氣體突發膨脹井口回壓計算所需的基本參數；將侵入井筒氣體的流動空間和時間離散成網格形式；建立考慮酸性氣體相態轉化及溶解度的多相流動控制方程組；確定多相流動控制方程組的定解條件及求解算法；確定一定井口回壓條件下循環排氣過程中井筒內氣體體積膨脹的最大值；計算不同井口回壓條件下的循環排氣過程中井筒內氣體體積的最大值；在直角坐標系上繪制井口回壓與循環排氣過程中井筒內氣體體積最大值的函數曲線，在曲線上找到抑制酸性氣體突發膨脹的最優井口回壓值。通過該方法可以有效的確定井口回壓值的大小，為抑制酸性氣體的突發膨脹提供指導。
文檔編號E21B47/00GK103233719SQ20131013181
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者王志遠, 孫寶江, 張洪坤, 王金波, 馬金山, 齊金濤, 黃強 申請人:中國石油大學(華東)