基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型制造技术

本发明专利技术公开了基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，包括以下步骤：S1、建立气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力物理模型；S2、根据质量、动量守恒定律，建立井筒环空瞬态多相流数学模型；S3、建立环空瞬态水击数学模型；S4、利用扩散差分法对环空瞬态水击数学模型求解；S5、根据步骤S4中数学模型的解确定的水击波前沿位置，利用自适应网格法对该位置进行网格加密，提高局部区域的计算精度。本发明专利技术利用建立的模型及方法分析关井过程中气侵、关井时间、井深以及气侵时间对水击压力影响，以便根据井深、气侵时间等参数选择合适的关井方式。

Transient water hammer model based on transient multiphase flow characteristics in wellbore annulus

The invention discloses a annular transient water hammer model based on the flow characteristics of the annular transient multiphase flow in the wellbore, which comprises the following steps: S1. Establishing a physical model of the annular transient water hammer pressure in the wellbore caused by the gas influx shut in; S2. Establishing a mathematical model of the annular transient multiphase flow in the wellbore according to the conservation law of mass and momentum; S3. Establishing a mathematical model of the annular transient water hammer; S4. Utilizing the diffusion difference S5. According to the forward position of the water hammer wave determined by the solution of the mathematical model in step S4, the adaptive grid method is used to encrypt the position and improve the calculation accuracy of the local area. The invention uses the established model and method to analyze the influence of gas invasion, well closing time, well depth and gas invasion time on the water hammer pressure in the well closing process, so as to select the appropriate well closing mode according to the well depth, gas invasion time and other parameters.

【技术实现步骤摘要】
基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型
本专利技术涉及油气开发
，具体涉及基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型。
技术介绍
近年来，全球油气资源勘探开发的重心已从浅层向深层、超深层转移。深井超深井钻井过程中井下复杂事故频发，尤其在深部地层钻进过程中容易发生气侵，常需进行关井操作。从发现气侵到井口防喷器关闭过程中，阀门的开度逐渐减小，导致井口流量和流速在短时间内改变较快，会在井口产生危害很大的水击现象，对井口设备以及井口安全构成了新的危害；同时，对于孔隙压力和破裂压力接近的地层，钻井液密度窗口较窄，地层对压力特别敏感，如果选择的关井方式不合理，井口产生的水击压力波向井底传递，易压裂地层，严重时可能造成井漏事故。在石油生产作业中，对于水击的研究主要集中在注水井出砂问题上。注水井因阀门关闭、停泵和关井作业造成的水击效应对疏松砂岩出砂有着显著影响，水击波使得已被出砂削弱的地层再次遭受侵蚀，使井中大量出砂造成注水能力下降，并且压力波使得岩石有效应力和剪切应力的波动可能会达到百帕，严重时甚至造成井壁失稳，从而影响了注水井的使用寿命。通过采用优化注入压力、调整操作方式以及改变阀门安装位置等措施来减小水击波强度，从而显著减轻或消除水击的影响。然而，对于气侵关井水击压力的研究工作甚少。Jardine等人首次研究了不同关井方式的优劣，给出了“硬关井”和“软关井”瞬时压力增量的表达式；在此基础上，李相方等人考虑含气率对水击波速影响，计算了气液两相流时“硬关井”情况下的水击压力；何世明等人采用ADINA软件对水击压力的变化进行了有限元仿真模拟；韩国庆等人利用商业软件模拟了开关井时水击对井下和地面系统的影响；王宁等人考虑了气侵初期，地层流体侵入引发的水击效应。不难发现，对于气侵关井水击问题，基本方程组都采用特征线性法(MOC)进行数值求解，为满足数值解的稳定性，时间步长只能取得很小，并且气液两相介质沿井筒分布不均匀、流动参数不断变化，传统的特征线性法难以解决复杂的井筒多相流压力波传播问题，在计算过程中需根据流动参数的变化不断调整网格的位置或网格的疏密，才能更准确地捕捉到水击波的前沿位置。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，本专利技术建立了气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力模型，采用扩散差分和自适应网格方法进行求解，研究了截面含气率、关井时间、井深和气侵时间对水击压力的影响。本专利技术采用下述的技术方案：基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，包括以下步骤：S1、建立气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力物理模型；S2、根据质量、动量守恒定律，建立井筒环空瞬态多相流数学模型；气相质量守恒方程为(产气层)：气相质量守恒方程为(非产气层)：液相质量守恒方程为：混合动量守恒方程为：式中，qg—气侵速度，kg/(m.s)；ρg—气体的密度，kg/m3；ug—气体速度，m/s；Hg—截面含气率，无量纲；A—环空截面积，m2；ρl—钻井液的密度，kg/m3；ul—钻井液流速，m/s；Hl—持液率，无量纲；Fr—摩阻压降，Pa；P—环空压力，Pa；g—重力加速度，m/s2；t—时间，s；z—轴向距离，m；S3、建立环空瞬态水击数学模型；环空水击运动方程：其中，非恒定摩阻系数λ为：环空水击连续性方程：其中，含气量水击波速am式中，ρ—混合流体密度，kg/m3；u—混合流体流速，m/s；Ed—钻杆弹性模量，Pa；δ1—套管壁厚，mm；δ2—钻杆壁厚，mm；λ—非恒定摩阻系数；Re—雷诺数，无量纲；Di—环空内径，mm；D0—环空外径，mm；El—液相弹性模量，MPa；Eg—气相弹性模量，MPa；Ep—套管弹性模量，MPa；am—水击波速，m/s；g—重力加速度，m/s2；s—空间坐标，m；P—环空压力，Pa；Hg—截面含气率，无量纲；t—时间，s；S4、利用扩散差分法对环空瞬态水击数学模型求解；S5、根据步骤S4中数学模型的解确定的水击波前沿位置，利用自适应网格法对该位置进行网格加密，提高局部区域的计算精度。优选的，步骤S1中所述物理模型的建立条件为：(1)、井筒内流体流动模型为一维瞬态气液两相流动；(2)、套管和钻杆线性弹性，不考虑固井和地层的影响；(3)、环空流体与相应深度地层温度相等，不考虑井筒传热；(4)、钻井液和气体是可压缩的，地层压力保持恒定；(5)、不考虑岩屑对水击波速度的影响；(6)、不考虑泥浆泵关闭时间，在关闭环形防喷器前已关闭节流阀。优选的，步骤S4中，所述环空瞬态水击数学模型的解为：第i断面的压力：第i断面的流速：其中，θ—井眼轴线与水平线之间的夹角，°；式中，ρ—混合流体密度，kg/m3；u—混合流体流速，m/s；Ep—套管弹性模量，Pa；δ1—套管厚度，mm；λ—非恒定摩阻系数；Di—环空内径，mm；D0—环空外径，mm；g—重力加速度，m/s2；s—空间坐标，m；z—轴向位置，m；α—加权因子，无量纲；P—环空压力，Pa；am—水击波速，m/s。优选的，所述环空瞬态水击数学模型的定解条件为：1)边界条件：(1)井底边界：在水击计算过程中，井底节点处压力P1j与井底压力Pwf保持一致，即：P1j＝Pwf(19)(2)井口边界：在关井过程中，井口流速变化与防喷器的关闭规律有关，设防喷器的相对开度在变化过程中与阀门开度的特性相同，那么井口处流速i＝N处的井口节点的压力其中，式中，τ—防喷器开度系数，无量纲；ρ—混合流体密度，kg/m3；u—混合流体流速，m/s；λ—非恒定摩阻系数；Di—环空内径，mm；D0—环空外径，mm；g—重力加速度，m/s2；z—轴向位置，m；P—环空压力，Pa；t—时间，s；θ—井眼轴线与水平线之间的夹角，°；s—空间坐标，m；am—水击波速，m/s；2)初始条件：通过模拟气侵过程获得关井之前的环空流速以及井筒压力，初始时刻井筒环空各节点的流速和压力有：Pi1＝P0(i)(24)其中，u0(i)和P0(i)分别为气侵期间井筒环空各节点的流速和压力。优选的，步骤S2中气相质量守恒方程中气侵速度qg的求解方程为：其中，qsc为标准状态下的气侵速度，由于井底有一定温度和压力，将qsc转化为井底对应的温度和压力气侵速度，即为qg；式中，Pe—地层压力，MPa；Pwf—井底压力，MPa；—气层平均温度，℃；—平均压力及温度下的气体粘度，mPa·s；—平均压力及温度下的气体偏差因子，无量纲；K—气层有效渗透率，mD；h—气层有效厚度，m；re—供给边界半径，m；rw—井底半径，m；qsc—标准状态下的气侵速度，m3/s；rg—气体相对密度，无量纲；S—表皮系数，无量纲；β—速度系数，无量纲。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过环空瞬态多相流数学模型获得沿井深和随时间不断变化的井筒流动参数，采用扩散差分和自适应网格法相结合的方法，根据水击波的传播速度，确定水击波前沿的位置，在该位置自动对网格进行加密，提高局部区域的计算精度；并分析关井过程中气侵、关井时间、井深以及气侵时间对水击压力影响，以便根据井深、气侵时间等参数选择合适的关井方式。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力物理模型；S2、根据质量、动量守恒定律，建立井筒环空瞬态多相流数学模型；气相质量守恒方程为(产气层)：

【技术特征摘要】
1.基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力物理模型；S2、根据质量、动量守恒定律，建立井筒环空瞬态多相流数学模型；气相质量守恒方程为(产气层)：气相质量守恒方程为(非产气层)：液相质量守恒方程为：混合动量守恒方程为：式中，qg—气侵速度，kg/(m.s)；ρg—气体的密度，kg/m3；ug—气体速度，m/s；Hg—截面含气率，无量纲；A—环空截面积，m2；ρl—钻井液的密度，kg/m3；ul—钻井液流速，m/s；Hl—持液率，无量纲；Fr—摩阻压降，Pa；P—环空压力，Pa；g—重力加速度，m/s2；t—时间，s；z—轴向距离，m；S3、建立环空瞬态水击数学模型；环空水击运动方程：其中，非恒定摩阻系数λ为：环空水击连续性方程：其中，含气量水击波速am式中，ρ—混合流体密度，kg/m3；u—混合流体流速，m/s；Ed—钻杆弹性模量，Pa；δ1—套管壁厚，mm；δ2—钻杆壁厚，mm；λ—非恒定摩阻系数；Re—雷诺数，无量纲；Di—环空内径，mm；D0—环空外径，mm；El—液相弹性模量，MPa；Eg—气相弹性模量，MPa；Ep—套管弹性模量，MPa；am—水击波速，m/s；g—重力加速度，m/s2；s—空间坐标，m；P—环空压力，Pa；Hg—截面含气率，无量纲；t—时间，s；S4、利用扩散差分法对环空瞬态水击数学模型求解；S5、根据步骤S4中数学模型的解确定的水击波前沿位置，利用自适应网格法对该位置进行网格加密，提高局部区域的计算精度。2.根据权利要求1所述的基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，其特征在于，步骤S1中所述物理模型的建立条件为：(1)、井筒内流体流动模型为一维瞬态气液两相流动；(2)、套管和钻杆线性弹性，不考虑固井和地层的影响；(3)、环空流体与相应深度地层温度相等，不考虑井筒传热；(4)、钻井液和气体是可压缩的，地层压力保持恒定；(5)、不考虑岩屑对水击波速度的影响；(6)、不考虑泥浆泵关闭时间，在关闭环形防喷器前已关闭节流阀。3.根据权利要求1所述的基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，其特征在于，步骤S4中，所述环空瞬态水击数学模型的解为：第i断面的压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏昱，姜伟，付建红，吕科，林海瑞，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51