CN104153759B - 控压钻井气液两相流动模拟计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控压钻井气液两相流动模拟计算方法，该方法包括：(1)获取控压钻井气液两相流动基本参数；(2)建立控压钻井气液两相流动方程；(3)将气液两相流动计算的时间域和空间域进行网格划分，以使井筒结构由多个节点构成；(4)根据控压钻井气液两相流动初始条件和边界条件计算气液两相流动控制参数，该方法还包括：(5)在改变井口回压的时刻j-1，根据该时刻j-1的井底压力、井口回压的改变量、以及井口回压压缩气体增加的静液柱压力计算下一时刻j的气液两相流动控制参数。本发明可以实现精确模拟实际钻井井筒中的流动状态以及钻井中的实际情况，避免了由于井喷事故而造成的经济损失和安全隐患。

Description

控压钻井气液两相流动模拟计算方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，具体地，涉及一种控压钻井气液两相流动模拟计算方法。

背景技术

目前，对于钻井井筒进气后流动参数的模拟计算方法主要有连续气柱理论和气液两相流理论。气液两相流理论通过划分不同的流型，建立气液两相连续性方程、动量方程来模拟流动状态。石油钻井工程中气液两相模拟方法主要用来模拟常规钻井中发生气侵或井喷时井筒气液两相流分布及井底压力变化，主要表现为井口为恒定大气压作为边界条件，井底为恒定的进气量模拟。而实际上控压钻井过程中井口回压并不是一个恒定值，井口回压会根据工况的变化而改变，尤其在井筒进气后，要改变井口回压从而控制井底压力的变化。同时，井底进气量也不是恒定不变的，根据井筒进气方式不同，分为重力置换气侵和欠平衡气侵，重力置换气侵井底进气量恒定不变，而欠平衡气侵井底进气量随井底压力而变化。而现有的钻井井筒气液两相流模拟计算方法并没有考虑到井口回压和井底进气量的变化，因此采用现有技术中的计算方法所计算的结果不能精确模拟实际的钻井井筒中的流动状态，不能正确反映钻井中的实际情况，造成井喷事故不仅带来了巨大的经济损失，更造成了惨重的人员伤亡和重大的社会影响，存在一定的安全隐患。

例如，现有的流动模拟软件主要有Fluent，OLGA等有限元计算软件，Fluent软件无法模拟钻井中井深和井筒直径比值过大情况下钻井液的流动，OLGA软件主要用来模拟井筒发生气侵或井喷时井筒气液两相流动参数。再如，中国专利授权公告号：CN102943620A，提出了一种“基于钻井环空井筒多相流动计算的控压钻井方法”包括下列步骤：(1)获取钻井井筒多相流动计算的基本参数；(2)确定井筒环空内流体的种类；(3)考虑多相多组分复杂流动因素，建立井筒环空内的多相流动控制方程组；(4)结合控制压力钻井不同工况下的工艺过程，建立多相流动控制方程组的定解条件；(5)将多相流动计算的时间和空间域进行网格划分；(6)将多相流动控制方程进行数值化离散；(7)求解控制压力钻井所需的井口回压；(8)基于计算的井口回压值，调节井口节流阀，实现控压钻进。

但是现有技术中，尚未存在模拟控压钻井过程中井筒压力时刻改变情况下井筒流动特性的计算方法或软件。而实际上，控压钻井过程中，井口回压对井筒气液两相流分布影响较大，尤其当井筒气体运移到井口时，井口回压对气液两相含气率产生较大影响，进而影响井底压力的变化，因此控压过程中不能忽略井口回压的改变对井筒气液两相流动参数及井底压力变化的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种控压钻井气液两相流动模拟计算方法，该方法包括：

(1)获取控压钻井气液两相流动基本参数，其中所述控压钻井气液两相流动基本参数包括：井身结构、钻具组合、井深、套管下深、钻头及套管尺寸、钻井液密度、钻井液粘度、钻井液稠度系数、钻井液流变性选择、井口回压、地层温度和压力、钻井液及套管传热系数、地层气体组分、地层气体偏差因子；

(2)建立控压钻井气液两相流动方程，所述控压钻井气液两相流动方程包括：液体连续性方程、气体连续性方程、以及气液两相动量方程；

(3)将气液两相流动计算的时间域和空间域进行网格划分，以使井筒结构由多个节点构成；

(4)根据控压钻井气液两相流动初始条件和边界条件计算气液两相流动控制参数，其中所述气液两相流动控制参数至少包括：井底压力、节点压力、节点气体速度、节点含气率、节点液体速度；

该方法还包括：

(5)在改变井口回压的时刻j-1，根据该时刻j-1的井底压力、井口回压的改变量、以及井口回压压缩气体增加的静液柱压力计算下一时刻j的气液两相流动控制参数。

优选地，根据以下公式计算下一时刻j的气液两相流动控制参数：

P(j,i)＝P(j-1,i)+ΔP

P(j,0)＝P(j-1,0)+ΔP；ΔP＝ΔPa+Δρgh公式(1)

P(j,i)*v_sg(j,i)＝P(j-1,i)*v_sg(j-1,i)公式(2)

v_g(j,i)＝C_gv_mix(j,i)+v₀公式(3)

$\mathrm{\λ}(j,i)=\frac{v_{\mathrm{sg}(j,i)}}{v_g(j,i)}$ 公式(4)

v_mix(j,i)＝v_m(j,i)*(1-λ(j,i))+v_g(j,i)*λ(j,i)公式(5)

其中，P(j,0)为下一时刻j的井底压力；P(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点压力；v_g(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点气体速度；λ(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点含气率；v_mix(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点液体速度；v_sg(j,i)为第i个节点下一时刻j的气体表观速度；v_m(j,i)为第i个节点下一时刻j的钻井液速度；P(j-1,0)为改变井口回压的时刻j-1的井底压力；P(j-1,i)为第i个节点所述时刻j-1的节点压力；v_sg(j-1,i)为第i个节点所述时刻j-1的气体表观速度；Δρgh为井口回压压缩气体增加的静液柱压力；ΔPa为井口回压的改变量；C_g为常数；v₀为气体滑脱速度。

优选地，该方法还包括：

在步骤(4)之前，在井筒出口处检测到发生气侵的情况下，判断井底的气侵类型，并根据所述井底的气侵类型，选择对应的进气方程计算井底进气速度；

将计算的井底进气速度应用到步骤(4)中的边界条件，以计算不同井底的气侵类型对应的气液两相流动控制参数。

优选地，在井底压力大于地层压力的情况下，判断所述井底的气侵类型为重力置换气侵；以及在井底压力小于地层压力的情况下，判断所述井底的气侵类型为欠平衡气侵。

优选地，该方法还包括：

在判断所述井底的气侵类型为重力置换气侵的情况下，根据下述公式计算边界条件中的井底进气速度Q_g：

Q_g＝C公式(6)

在判断所述井底的气侵类型为欠平衡气侵的情况下，根据下述公式计算边界条件中的井底进气速度Q_g：

$Q_g=\frac{774.6*K{h}_i}{\mathrm{T\μZ}}\·\frac{(P_e^2-P_{\mathrm{wf}}^2)}{\ln \frac{r_e}{r_w}+S}$ 公式(7)

其中，P_e为地层压力a；K为储层的渗透率；h_i为钻开储层厚度；T为气层温度；μ为天然气粘度；r_e，r_w分别为气井控制的外边缘半径和井底半径；S为表皮系数；Z为气体偏差系数；P_wf为井底动压力；C为常数。

采用本发明所提供的控压钻井气液两相流动模拟计算，在现有控压钻井气液两相流动模拟计算方法的基础上，还可以模拟控压钻井过程中井口回压的改变，即通过在改变井口回压的时刻j-1，根据该时刻j-1的井底压力、井口回压的改变量、以及井口回压压缩气体增加的静液柱压力可以计算下一时刻j的气液两相流动控制参数(例如井底压力、节点压力、节点气体速度、节点含气率、节点液体速度等)，从而精确模拟了实际钻井井筒中的流动状态以及钻井中的实际情况，避免了由于井喷事故而造成的经济损失和安全隐患。

此外，本发明还提供了在井筒出口处检测到发生气侵的情况下判断井底的气侵类型并根据井底的气侵类型选择对应的进气方程计算井底进气速度，以及之后将计算的井底进气速度应用到现有的控压钻井气液两相流动模拟计算中的边界条件(即根据实际井底的气侵类型实时改变边界条件)，以计算不同井底的气侵类型下气液两相流动控制参数，从而更加精确的模拟计算井筒压力控制过程，使得控压钻井更加安全。同时，改变边界条件后对模拟计算速度影响较小，能够快速计算出气液两相流动控制参数，对计算设备(例如计算机)性能要求较低。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一种实施方式的控压钻井气液两相流动模拟计算方法的流程图；

图2是根据本发明的一种实施方式的井底的气侵类型处于欠平衡气侵特征的示例图；以及

图3是根据本发明的一种实施方式的井底的气侵类型处于重力置换气侵特征的示例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明的一种实施方式的控压钻井气液两相流动模拟计算方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

在步骤1001，获取控压钻井气液两相流动基本参数，其中所述控压钻井气液两相流动基本参数包括：井身结构、钻具组合、井深、套管下深、钻头及套管尺寸、钻井液密度、钻井液粘度、钻井液稠度系数、钻井液流变性选择、井口回压、地层温度和压力、钻井液及套管传热系数、地层气体组分、地层气体偏差因子等任何适当的参数。

在步骤1002，建立控压钻井气液两相流动方程，所述控压钻井气液两相流动方程可以包括液体连续性方程、气体连续性方程、以及气液两相动量方程(各个方程如下所列)：

1、液体连续性方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left[{\mathrm{\ρ}}_m(1-\mathrm{\λ})\right]+\frac{\∂}{\∂z}\left[{\mathrm{\ρ}}_m{v}_m(1-\mathrm{\λ})\right]=0;$

2、气体连续性方程：

对于非产气层段，气体连续性方程为：

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\λ}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\ρ}}_g{v}_g\mathrm{\λ}\right)=0$

对于产气层段，气体的连续方程为：

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\λ}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\ρ}}_g{v}_g\mathrm{\λ}\right)=Q_g$

3、气液两相动量方程：

$\begin{array}{c}\frac{\∂}{\∂t}[{\mathrm{\ρ}}_m{v}_m(1-\mathrm{\λ})+{\mathrm{\ρ}}_g{v}_g\mathrm{\λ}]+\frac{\∂}{\∂z}[{\mathrm{\ρ}}_m{v}_m^2(1-\mathrm{\λ})+{\mathrm{\ρ}}_g{v}_g^2\mathrm{\λ}]\\ +\frac{\∂P}{\∂z}+\frac{{\mathrm{\τ}}_{0}P}{A}+[{\mathrm{\ρ}}_m(1-\mathrm{\λ})+{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\λ}]g=0\end{array}$

其中：ρ_m为钻井液密度，单位为kg/m³；v_m为钻井液速度，单位为m/s；ρ_g为气体密度，单位为kg/m³；v_g为气体真实速度，单位为m/s；λ为含气率，无量纲；P为节点压力，单位为MPa；τ₀为流体与管壁之间的剪切力，单位为N/m²；Q_g为井底进气速度，单位为m³/s；A为截面积，单位为m²；分别表示对时间的导数，和对空间的导数。

在步骤1003，将气液两相流动计算的时间域和空间域进行网格划分，以使井筒结构由多个节点构成。其中，根据井身结构、模拟时间长短、计算精度等划分为空间和时间网格。井筒结构为空间坐标，按照模拟精度划分空间网格，从模拟时间为时间网格。

在井筒的下部由于气体被压缩，气体的滑脱速度小，且气体膨胀率较小，因此空间网格可以设置为较为稀疏，从而提高运算速度。在井筒上部，随着静液柱压力减小，气体快速膨胀，含气率会急剧增加，且气体滑脱速度增大，因此为了保证一定精度，应在井口位置空间网格划分较为密集。设距井口最近的一个网格长度为Z(1)，井底最后的一个网格为Z(n)，井口到井底的网格长度按照等比数列进行排列。

空间网格一旦确定，根据第一个气泡气体的上升速度，计算气体从一个空间网格上升到另外一个空间网格需要的时间，取此时间间隔为计算用的时间步长，这样在两相流区的前沿，每次计算总是在网格的边界处，易于计算。

在步骤1004，根据控压钻井气液两相流动初始条件和边界条件计算气液两相流动控制参数，其中所述气液两相流动控制参数至少包括：井底压力、节点压力、节点气体速度、节点含气率、以及节点液体速度。

在该步骤中，初始条件是指气侵发生前井筒的流动状态，根据单相流体的流动，可以求取初始流动状态时的各个节点的节点压力、钻井液流动速度等，例如初始条件可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}P(0,i)=\mathrm{\ρgh}+P_f\\ v_m(0,i)=\frac{Q_m}{A}\end{array}\right.$

其中，P(0,i)为0时刻(即初始时刻)第i个节点的节点压力；ρgh为静液柱压力，单位为MPa；P_f为循环摩阻，单位为MPa；A为截面积，单位为m²；Q_m为钻井液排量，单位为L/s；v_m(0,i)为0时刻第i个节点的钻井液速度，单位为m/s。

以及，初始边界条件是气侵模拟的边界约束条件，也是判断连续性方程和动量方程的收敛条件。气侵发生后，根据不同的地层和初始井底压力，井底进气方式不同，如重力置换气侵或欠平衡气侵，从而进气速度不一样，因此井底进气速度为井筒参数模拟的一个重要边界条件。井口处的流动参数为另外一个边界条件，对于常规钻井井口回压为大气压，对于欠平衡钻井和控压钻井，井口施加某一回压。因此井口回压作为计算模拟的一个边界收敛条件，例如初始边界条件可以表示为：

其中：Q_g为井底进气速度，单位为m³/s；P_a(j-1,H/detH)表示j-1时刻井口节点压力，单位为MPa；v_sg为气体表观速度，单位为m/s；v_g为气体速度，单位为m/s；v_g(j-1,0)为改变井口回压的时刻j-1的井底气体速度，单位为m/s；α(j-1,0)为j-1时刻井底含气率。以及对于PVT＝nZR，其中P为节点压力，单位为MPa；V为节点气体体积，单位为m³；T为气体温度，单位为K；n为气体物质的量，单位为mol；Z为偏差因子，无量纲；R为气体常数，无量纲。

上述步骤1001-1004与现有技术中的计算方法相似，按照上述方法即可以计算气液两相流动控制参数，其中所述气液两相流动控制参数至少可以包括：井底压力、节点压力、节点气体速度、节点含气率、节点液体速度等反映钻井井筒中的流动状态和控制控压钻井的重要参数。但是当采用控压钻井过程中，发生气侵后，随着气体的上升，井底压力下降、泥浆池总量增加，需要增加井口回压来控制气侵。而当井口回压改变后(即改变值)，即在井口回压改变的时刻，而现有技术中仍采用改变前的井口回压来计算上述气液两相流动控制参数，因此计算出的控制参数与实际值存在很大的误差，致使所计算出的参数不能反映真实的钻井井筒中的流动状态和井下条件，易发生井喷事故。

因此，本发明考虑到上述因素，提供了在改变井口回压后仍能精确计算气液两相流动控制参数的计算方法，该方法可以包括：

在步骤1005，在改变井口回压的时刻j-1，根据该时刻j-1的井底压力、井口回压的改变量、以及井口回压压缩气体增加的静液柱压力计算下一时刻j的气液两相流动控制参数。也就是说，当未发生井口回压改变时仍可以采用现有技术中的计算方法(即步骤1001-1004)计算气液两相流动控制参数，但是在在改变井口回压的时刻j-1后需要采用步骤1005的计算方法来与改变后的井口回压值对应的气液两相流动控制参数，采用这样的实施方式，可以精确模拟实际钻井井筒中的流动状态以及钻井中的实际情况，避免了由于井喷事故而造成的经济损失和安全隐患。

根据本发明的一种实施方式，可以根据以下公式计算下一时刻j的气液两相流动控制参数：

P(j,i)＝P(j-1,i)+ΔP

P(j,0)＝P(j-1,0)+ΔP；ΔP＝ΔPa+Δρgh公式(1)

P(j,i)*v_sg(j,i)＝P(j-1,i)*v_sg(j-1,i)公式(2)

v_g(j,i)＝C_gv_mix(j,i)+v₀公式(3)

$\mathrm{\λ}(j,i)=\frac{v_{\mathrm{sg}(j,i)}}{v_g(j,i)}$ 公式(4)

v_mix(j,i)＝v_m(j,i)*(1-λ(j,i))+v_g(j,i)*λ(j,i)公式(5)

其中，P(j,0)为下一时刻j的井底压力；P(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点压力；v_g(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点气体速度；λ(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点含气率；v_mix(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点液体速度；v_sg(j,i)为第i个节点下一时刻j的气体表观速度；v_m(j,i)为第i个节点下一时刻j的钻井液速度；P(j-1,0)为改变井口回压的时刻j-1的井底压力；P(j-1,i)为第i个节点所述时刻j-1的节点压力；v_sg(j-1,i)为第i个节点所述时刻j-1的气体表观速度；Δρgh为井口回压压缩气体增加的静液柱压力；ΔPa为井口回压的改变量；C_g为常数；v₀为气体滑脱速度。

举例来说，图2是根据本发明的一种实施方式的井底的气侵类型处于欠平衡气侵特征的示例图，如图2所示，从0时刻至j-1时刻可以根据上述初始条件、边界条件、以及控压钻井气液两相流动方程计算气液两相流动控制参数。但是，当在17min(j-1时刻)时，此时井口压力升高了1MPa，即为井口回压改变的时刻，使得整个井筒的节点压力都会发生变化(即从31.8MPa升高到32.8MPa)，井口压力的升高使得井底压力由欠平衡状态变为过平衡状态，井口压力发生改变，从而模拟需要改变边界条件。由于j-1时刻的气液两相流动控制参数均已经计算出，因此可以采用公式(1)来计算第i个节点下一时刻的节点压力P(j,i)和井底压力P(j,0)，之后在根据PVT＝常数获得公式(2)来计算第i个节点下一时刻j的气体表观速度v_sg(j,i)，然后根据公式(3)-(5)计算气体速度、含气率、液体速度等参数。对于之后的j+1时刻可以将j时刻计算出的各个气液两相流动控制参数作为初始条件继续计算步骤1004的计算过程。

采用本发明所提供的控压钻井气液两相流动模拟计算，在现有控压钻井气液两相流动模拟计算方法的基础上，还可以模拟控压钻井过程中井口回压的改变，即通过在改变井口回压的时刻j-1，根据该时刻j-1的井底压力、井口回压的改变量、以及井口回压压缩气体增加的静液柱压力可以计算下一时刻j的气液两相流动控制参数(例如井底压力、节点压力、节点气体速度、节点含气率、节点液体速度等)，从而精确模拟了实际钻井井筒中的流动状态以及钻井中的实际情况，避免了由于井喷事故而造成的经济损失和安全隐患。

仍参考图2，本发明还考虑到由于改变井口回压主要是由于在钻井过程中发生气侵(一般地，当检测井筒出口处的钻井液流量波动很大，即井口检测出气体时，即发生了气侵)造成的，而根据气侵种类的不同，实际上井底进气速度也是不同的，因此实际上在钻井过程中边界条件中的井底进气速度Q_g是会改变的(即由于井口压力的升高使得井底压力由欠平衡状态变为过平衡状态，井底进气量方程发生改变，从而模拟需要改变边界条件)，而现有技术中的计算方法并没有考虑到这个方面，在计算过程中将进气速度Q_g作为常量来进行计算，因此也造成了现有计算方法的不准确性。

因此，根据本发明的另一种实施方式，在步骤1004之前，在井筒出口处检测到发生气侵的情况下(即井口检测出气体)，可以先判断井底的气侵类型，并根据所述井底的气侵类型，选择对应的进气方程计算井底进气速度。之后，将计算的井底进气速度应用到步骤1004中的边界条件，以计算不同井底的气侵类型对应的气液两相流动控制参数。

例如，在井底压力大于地层压力的情况下，可以判断井底的气侵类型为重力置换气侵；以及在井底压力小于地层压力的情况下，可以判断井底的气侵类型为欠平衡气侵。

并且，在判断井底的气侵类型为重力置换气侵的情况下，根据下述公式计算边界条件中的井底进气速度Q_g(即井底进气量方程)：

Q_g＝C公式(6)

在判断井底的气侵类型为欠平衡气侵的情况下，根据下述公式计算边界条件中的井底进气速度Q_g：

$Q_g=\frac{774.6*K{h}_i}{\mathrm{T\μZ}}\·\frac{(P_e^2-P_{\mathrm{wf}}^2)}{\ln \frac{r_e}{r_w}+S}$ 公式(7)

其中，P_e为地层压力，单位为MPa；K为储层的渗透率，单位为10^-3μm²；h_i为钻开储层厚度，单位为m；T为气层温度，单位为K；μ为天然气粘度，单位为mPa·s；r_e，r_w分别为气井控制的外边缘半径和井底半径，单位为m；S为表皮系数；Z为气体偏差系数；Pwf为井底压力，单位为MPa；C为常数。

此外，本发明还提供了判断井底的气侵类型并根据所述井底的气侵类型选择对应的进气方程计算井底进气速度，以及之后将计算的井底进气速度应用到现有的控压钻井气液两相流动模拟计算中的边界条件(即根据实际井底的气侵类型实时改变边界条件)，以计算不同井底的气侵类型对应的气液两相流动控制参数，从而更加精确的模拟计算井筒压力控制过程。

其中，对于公式中未详细提供计算公式或算法的参数均可以根据现有技术中的计算方法(例如，通过地质资料和邻井参数)来计算获得，为了不混淆本发明的保护范围，在此不再赘述。

图2和图3分别是根据本发明的一种实施方式的欠平衡气侵特征和重力置换气侵特征的示例图，这里将结合图2和图3来说明本发明所提供的控压钻井气液两相流动模拟计算方法的应用实例。

(1)控压钻井模拟前期准备

获取控压钻井基本参数(如表1所示)：

表1控压钻井参数表

建立井筒流动方程：根据步骤100-1004建立控压钻井气液两相流动方程，将流动方程进行离散化，进行差分求解。

(2)根据控压钻井需要改变模拟边界条件：当出口流量增加或泥浆池增量增加时，表明井口检测到井底发生气侵，采取增加回压的方式控制井底压力。当井口压力增加时，增加回压的时间节点作为初始条件，重新计算该节点的节点参数和井底压力，并预测井底压力的变化趋势。例如，泥浆池增量达到0.3m³时，井口增加回压。

(3)输出模拟结果：图2为当井底发生欠平衡气侵，泥浆池增量超过0.3m³，井口施加1MPa回压，此时井底为过平衡状态。由于进入井筒中的气体未循环出井筒，气体在井筒中继续膨胀，井底压力缓慢降低，泥浆池总量缓慢增加，气体全部循环出井筒后，泥浆池总量不变，井底压力保持不变。

图3为重力置换气侵，由于井口施加0.3MPa回压，而井底进气量不发生变化，使得井底压力在响应井口回压增加后继续降低，而泥浆池增量保持原趋势增加。

采用本发明所提供的控压钻井气液两相流动模拟计算，在现有控压钻井气液两相流动模拟计算方法的基础上，还可以模拟控压钻井过程中井口回压的改变，即通过在改变井口回压的时刻j-1，根据该时刻j-1的井底压力、井口回压的改变量、以及井口回压压缩气体增加的静液柱压力可以计算下一时刻j的气液两相流动控制参数(例如井底压力、节点压力、节点气体速度、节点含气率、节点液体速度等)，从而精确模拟了实际钻井井筒中的流动状态以及钻井中的实际情况，避免了由于井喷事故而造成的经济损失和安全隐患。

此外，本发明还提供了判断井底的气侵类型并根据所述井底的气侵类型选择对应的进气方程计算井底进气速度，以及之后将计算的井底进气速度应用到现有的控压钻井气液两相流动模拟计算中的边界条件(即根据实际井底的气侵类型实时改变边界条件)，以计算不同井底的气侵类型下计算气液两相流动控制参数，从而更加精确的模拟计算井筒压力控制过程，使得控压钻井更加安全。同时，改变边界条件后对模拟计算速度影响较小，能够快速计算出气液两相流动控制参数，对计算设备(例如计算机)性能要求较低。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种控压钻井气液两相流动模拟计算方法，该方法包括：

(1)获取控压钻井气液两相流动基本参数，其中所述控压钻井气液两相流动基本参数包括：井身结构、钻具组合、井深、套管下深、钻头及套管尺寸、钻井液密度、钻井液粘度、钻井液稠度系数、钻井液流变性选择、井口回压、地层温度和压力、钻井液及套管传热系数、地层气体组分、地层气体偏差因子；

(2)建立控压钻井气液两相流动方程，所述控压钻井气液两相流动方程包括：液体连续性方程、气体连续性方程、以及气液两相动量方程；

(3)将气液两相流动计算的时间域和空间域进行网格划分，以使井筒结构由多个节点构成；

(4)根据控压钻井气液两相流动初始条件和边界条件计算气液两相流动控制参数，其中所述气液两相流动控制参数至少包括：井底压力、节点压力、节点气体速度、节点含气率、以及节点液体速度；

其特征在于，该方法还包括：

(5)在改变井口回压的时刻j-1，根据该时刻j-1的井底压力、井口回压的改变量、以及井口回压压缩气体增加的静液柱压力计算下一时刻j的气液两相流动控制参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下公式计算下一时刻j的气液两相流动控制参数：

P(j,i)＝P(j-1,i)+ΔP

P(j,0)＝P(j-1,0)+ΔP；ΔP＝ΔPa+Δρgh公式(1)

P(j,i)*v_sg(j,i)＝P(j-1,i)*v_sg(j-1,i)公式(2)

v_g(j,i)＝C_gv_mix(j,i)+v₀公式(3)

$\mathrm{\λ}(j,i)=\frac{v_{\mathrm{sg}}(j,i)}{v_g(j,i)}$ 公式(4)

v_mix(j,i)＝v_m(j,i)*(1-λ(j,i))+v_g(j,i)*λ(j,i)公式(5)

其中，P(j,0)为下一时刻j的井底压力；P(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点压力；v_g(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点气体速度；λ(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点含气率；v_mix(j,i)为第i个节点下一时刻j的节点液体速度；v_sg(j,i)为第i个节点下一时刻j的气体表观速度；v_m(j,i)为第i个节点下一时刻j的钻井液速度；P(j-1,0)为改变井口回压的时刻j-1的井底压力；P(j-1,i)为第i个节点所述时刻j-1的节点压力；v_sg(j-1,i)为第i个节点所述时刻j-1的气体表观速度；Δρgh为井口回压压缩气体增加的静液柱压力；ΔPa为井口回压的改变量；C_g为常数；v₀为气体滑脱速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在步骤(4)之前，在井筒出口处检测到发生气侵的情况下，判断井底的气侵类型，并根据所述井底的气侵类型，选择对应的进气方程计算井底进气速度；

将计算的井底进气速度应用到步骤(4)中的边界条件，以计算不同井底的气侵类型对应的气液两相流动控制参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在井底压力大于地层压力的情况下，判断所述井底的气侵类型为重力置换气侵；以及在井底压力小于地层压力的情况下，判断所述井底的气侵类型为欠平衡气侵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在判断所述井底的气侵类型为重力置换气侵的情况下，根据下述公式计算边界条件中的井底进气速度Q_g：

Q_g＝C公式(6)

在判断所述井底的气侵类型为欠平衡气侵的情况下，根据下述公式计算边界条件中的井底进气速度Q_g：

$Q_g=\frac{774.6*{\mathrm{Kh}}_i}{\mathrm{T\μZ}}\·\frac{(P_e^2-P_{\mathrm{wf}}^2)}{\ln \frac{r_e}{r_w}+S}$ 公式(7)

其中，P_e为地层压力a；K为储层的渗透率；h_i为钻开储层厚度；T为气层温度；μ为天然气粘度；r_e，r_w分别为气井控制的外边缘半径和井底半径；S为表皮系数；Z为气体偏差系数；P_wf为井底动压力；C为常数。