CN107103149A - 一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法 - Google Patents
一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法，包括以下步骤：1)获取气柱气体密度；2)利用步骤1)中的气柱气体密度获取关井期间压井液下落速度和下落时间。本发明通过段塞流方法和液滴方法计算置换法压井关井期间压井液下落速度和下落时间，本发明可以准确的预测压井液下落速度和下落时间，完善了置换法压井参数设计模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种预测方法，特别是涉及一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法。
背景技术
钻井过程中地层及流体的不可预见性大，钻井参数设计不合理可能导致钻井井喷事故的发生，这时需要压井操作来控制井喷，目前，常规压井方法相对成熟，近几年部分学者也研究了非常规压井方法。针对气井井喷主要有平衡点法、控制套管压力从钻杆注入压井液进行压井、等效平衡点法、直推法和置换法等压井方法。其中置换法压井是目前比较成熟的压井方法之一，由于其操作简单，适应性强，得到广泛应用。
置换法压井法的压井原理是依据井底压力、环空液柱压力和井口套管压力等三个压力系统的变换关系，压井过程中控制井底压力大于地层压力小于地层破裂压力。在关井情况下，分次注入一定数量的压井液、分次放出井内气体，直至井内充满压井液，即完成压井作业。它通常用于侵入气体已运移到井口或井眼完全没有钻井液，钻柱在井底、钻柱起出一半或完全起出的情况下的压井。
置换法主要分为三个过程，压井液注入过程，关井等待压井液下落到井底过程和开井气体排出过程，其中Robert和张桂林模型比较成熟，但是没有给出关井期间压井液下落速度和关井时间等压井参数计算模型，只是认为压井液静止一定的时间待压井液下落到井底，这导致两种情况的出现，一是，压井液未下落到井底就开井放气，影响压井效果，二是，压井液已经下落到井底，但是还在等待压井液下落，浪费压井时间。现有的置换法压井关井期间压井液下落速度和时间的计算方法严重制约了置换法压井方案的设计和实施。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种实施过程简单且计算结果准确的获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法，包括以下步骤：
1)获取气柱气体密度；
2)利用步骤1)中的气柱气体密度获取关井期间压井液下落速度和下落时间。
所述步骤1)中，获取气柱气体密度的过程如下：
关井压力稳定之后，根据关井套管压力和关井井口温度利用式(1)获得气柱气体密度
式中，ρg为气柱气体密度，kg/m3；Ps为关井套管压力，MPa；γg为气体对比密度；Ts为关井井口温度，K；Zs为关井套管压力温度下压缩因子。
所述步骤2)中，利用步骤1)中的气柱气体密度获取关井期间压井液下落速度和下落时间的过程如下：
压井液在井筒中以连续液柱状在连续气柱中降落，其降落过程主要以段塞流形式存在，其液柱下降速度根据段塞流模型获得，段塞流模型如式(2)～(11)：
段塞单元的平移速度公式如式(2)～(3)
vt＝C0vm-v∞T (2)
vm＝vsg+vsl＝vsl (3)
气体流速为零，即vsg＝0，可得到式(4)
vt＝C0vsl-v∞T (4)
Taylor气泡在静止液体中上升速度公式如式(5)
段塞单元中液体的连续性方程如式(6)
HLf(vt-vf)＝HLs(vt-vm) (6)
段塞单元中气体的连续性方程如式(7)
(1-HLf)(vt+vb)＝(1-HLs)(vt-vm) (7)
段塞流液塞段的持液率如式(8)
摩擦应力公式如式(9)求得
液膜区液膜的动量守恒方程如式(10)
τfπD-AHLfρlg cosθ＝0 (10)
压井液下落时间利用如式(11)求得
压井液以段塞流形式下落时，获取模型气液段塞流参数，根据段塞流模型利用数值法可获得压井液下落速度vt，根据段塞流模型获得的压井液下落速度vt利用式(11)即可获得压井液下落时间t；
式中，v∞T为taylor气泡在静止液体中的上升速度；ρl为压井液密度，kg/cm3；ρg为气体密度，可根据气体状态方程求解，kg/cm3；D为管路当量直径，m；式中，C0为流速分布系数(中心线速度与平均速度的比值)，取1.2；vt为压井液下落速度，m/s；vsg为气体表观速度，m/s；vsl为为压井液注入表观速度，m/s；vm为混合物速度，m/s；式中，HLf为段塞单元气泡段的持液率，无因次；HLs为段塞单元液塞的持液率，无因次；vf为气泡段液膜下降速度，m/s；式中，vb为气泡段上升速度，m/s；式中，A为横截面积，m2；ff为摩擦系数，无因次；τf为摩擦应力，N/m，h为井筒内气柱的高度，m。
所述步骤2)中，利用步骤1)中的气柱气体密度获取关井期间压井液下落速度和下落时间的过程如下：
压井液以液滴形式下落时，根据Turner液滴模型得到压井液下落速度如式(12)
式中，vcr为压井液下落速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；Kd为液滴的拽拉系数，无因次；ρl为液体的密度，kg/m3；ρg为气体的密度，kg/m3；σ为表面张力，mN/m。
根据Turner液滴模型得到的压井液下落速度利用如下式(13)获得压井液下落时间
式中，t为压井液下落时间，s。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过段塞流方法和液滴方法计算置换法压井关井期间压井液下落速度和下落时间，本发明可以准确的预测压井液下落速度和下落时间，完善了置换法压井参数设计模型。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供了一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法，其包括以下步骤：
1)获取气柱气体密度，具体过程如下：
关井压力稳定之后，根据关井套管压力和关井井口温度利用式(1)获得气柱气体密度
式中，ρg为气柱气体密度，kg/m3；Ps为关井套管压力，MPa；γg为气体对比密度；Ts为关井井口温度，K；Zs为关井套管压力温度下压缩因子。
2)获取关井期间压井液下落速度和下落时间，具体过程如下：
获取关井期间压井液下落速度和下落时间的方法有段塞流方法和液滴方法。
①段塞流方法
压井液在井筒中以连续液柱状在连续气柱中降落，其降落过程主要以段塞流形式存在，其液柱下降速度根据段塞流模型获得，段塞流模型如式(2)～(11)。
段塞单元的平移速度公式如式(2)～(3)
vt＝C0vm-v∞T (2)
vm＝vsg+vsl＝vsl (3)
气体流速为零，即vsg＝0，可得到式(4)
vt＝C0vsl-v∞T (4)
Taylor气泡在静止液体中上升速度公式如式(5)
段塞单元中液体的连续性方程如式(6)
HLf(vt-vf)＝HLs(vt-vm) (6)
段塞单元中气体的连续性方程如式(7)
(1-HLf)(vt+vb)＝(1-HLs)(vt-vm) (7)
段塞流液塞段的持液率如式(8)
摩擦应力公式如式(9)求得
液膜区液膜的动量守恒方程如式(10)
τfπD-AHLfρlg cosθ＝0 (10)
压井液下落时间利用如式(11)求得
压井液以段塞流形式下落时，获取模型气液段塞流参数，根据段塞流模型利用数值法可获得压井液下落速度vt，根据段塞流模型获得的压井液下落速度vt利用式(11)即可获得压井液下落时间t。
式中，v∞T为taylor气泡在静止液体中的上升速度；ρl为压井液密度，kg/cm3；ρg为气体密度，可根据气体状态方程求解，kg/cm3；D为管路当量直径，m；式中，C0为流速分布系数(中心线速度与平均速度的比值)，取1.2；vt为压井液下落速度，m/s；vsg为气体表观速度，m/s；vsl为为压井液注入表观速度，m/s；vm为混合物速度，m/s；式中，HLf为段塞单元气泡段的持液率，无因次；HLs为段塞单元液塞的持液率，无因次；vf为气泡段液膜下降速度，m/s；式中，vb为气泡段上升速度，m/s；式中，A为横截面积，m2；ff为摩擦系数，无因次；τf为摩擦应力，N/m，h为井筒内气柱的高度，m。
②液滴方法
压井液以液滴形式下落时，根据Turner液滴模型得到压井液下落速度如式(12)
式中，vcr为压井液下落速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；Kd为液滴的拽拉系数，无因次；ρl为液体的密度，kg/m3；ρg为气体的密度，kg/m3；σ为表面张力，mN/m。
根据Turner液滴模型得到的压井液下落速度利用如下式(13)获得压井液下落时间
式中，t为压井液下落时间，s。
上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法，包括以下步骤：
1)获取气柱气体密度；
2)利用步骤1)中的气柱气体密度获取关井期间压井液下落速度和下落时间。
2.如权利要求1所述的一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法，其特征在于：所述步骤1)中，获取气柱气体密度的过程如下：
关井压力稳定之后，根据关井套管压力和关井井口温度利用式(1)获得气柱气体密度
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式中，ρg为气柱气体密度，kg/m3；Ps为关井套管压力，MPa；γg为气体对比密度；Ts为关井井口温度，K；Zs为关井套管压力温度下压缩因子。
3.如权利要求1所述的一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法，其特征在于：所述步骤2)中，利用步骤1)中的气柱气体密度获取关井期间压井液下落速度和下落时间的过程如下：
压井液在井筒中以连续液柱状在连续气柱中降落，其降落过程主要以段塞流形式存在，其液柱下降速度根据段塞流模型获得，段塞流模型如式(2)～(11)：
段塞单元的平移速度公式如式(2)～(3)
vt＝C0vm-v∞T (2)
vm＝vsg+vsl＝vsl (3)
气体流速为零，即vsg＝0，可得到式(4)
vt＝C0vsl-v∞T (4)
Taylor气泡在静止液体中上升速度公式如式(5)
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段塞单元中液体的连续性方程如式(6)
HLf(vt-vf)＝HLs(vt-vm) (6)
段塞单元中气体的连续性方程如式(7)
(1-HLf)(vt+vb)＝(1-HLs)(vt-vm) (7)
段塞流液塞段的持液率如式(8)
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液膜区液膜的动量守恒方程如式(10)
τfπD-AHLfρlg cosθ＝0 (10)
压井液下落时间利用如式(11)求得
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压井液以段塞流形式下落时，获取模型气液段塞流参数，根据段塞流模型利用数值法可获得压井液下落速度vt，根据段塞流模型获得的压井液下落速度vt利用式(11)即可获得压井液下落时间t；
式中，v∞T为taylor气泡在静止液体中的上升速度；ρl为压井液密度，kg/cm3；ρg为气体密度，可根据气体状态方程求解，kg/cm3；D为管路当量直径，m；式中，C0为流速分布系数(中心线速度与平均速度的比值)，取1.2；vt为压井液下落速度，m/s；vsg为气体表观速度，m/s；vsl为为压井液注入表观速度，m/s；vm为混合物速度，m/s；式中，HLf为段塞单元气泡段的持液率，无因次；HLs为段塞单元液塞的持液率，无因次；vf为气泡段液膜下降速度，m/s；式中，vb为气泡段上升速度，m/s；式中，A为横截面积，m2；ff为摩擦系数，无因次；τf为摩擦应力，N/m，h为井筒内气柱的高度，m。
4.如权利要求1所述的一种获取置换法压井关井期间压井液下落时间的方法，其特征在于：所述步骤2)中，利用步骤1)中的气柱气体密度获取关井期间压井液下落速度和下落时间的过程如下：
压井液以液滴形式下落时，根据Turner液滴模型得到压井液下落速度如式(12)
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式中，vcr为压井液下落速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；Kd为液滴的拽拉系数，无因次；ρl为液体的密度，kg/m3；ρg为气体的密度，kg/m3；σ为表面张力，mN/m；
根据Turner液滴模型得到的压井液下落速度利用如下式(13)获得压井液下落时间
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|---|---|---|---|---|
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