毕业论文设计--欠平衡钻井技术及应用.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文） 欠平衡钻井技术及应用摘 要：欠平衡钻井是国际上90年代初再次兴起的提高勘探开发效益的钻井新技术。近几年我国来在油、气田勘探开发方面已进行了大量技术研究和现场试验，并取得了显著的成果。欠平衡钻井的相关理论和技术研究已经成为钻井工作者的一个研究热点。 本文介绍了欠平衡钻井技术国内外的发展状况，实施欠平衡钻井的优缺点。分析和总结了欠平衡钻井相关理论研究成果，为技术的应用提供理论依据。关键技术从三个方面入手：在考虑了影响负压值各方面的因素后，提出了合理的设计程序；通过计算出的钻井液密度选择适应于实际条件的最优钻井液类型；分析了井底压力波动和气侵后的环空压力变化，给出了一些井底压力控制措施。最后介绍了欠平衡钻井的信息采集处理系统，通过全过程的监测和指导保证欠平衡钻井的安全进行。关键词：欠平衡；钻井液；信息采集 56目录第1章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国内外发展现状11.3 欠平衡钻井优点和缺点31.4 本文主要内容3第2章 欠平衡钻井相关理论42.1 油气藏筛选理论42.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏42.1.2 不适合欠平衡钻井的地层52.1.3 油气藏筛选程序62.2 欠平衡钻井地层稳定性理论62.2.1 井壁失稳机理62.2.2 非泥页岩地层的稳定性72.2.3 泥页岩地层的井壁稳定性72.3 欠平衡钻井两相流理论82.3.1 环空两相流流态分类及其判别方法92.3.2 欠平衡钻井气液两相流数学模型建立102.3.3 三相携屑研究122.4 欠平衡钻井井下爆燃基础理论132.5 裂缝性储层欠平衡钻井流动规律162.5.1 严重裂缝性储层的最大问题是井漏162.5.2 漏层漏失的原因分析162.5.3 漏层的漏失规律与地质特征162.5.4 裂缝性储层在欠平衡条件下的流动规律172.5.4 欠平衡钻井有助防漏治漏20第3章 欠平衡钻井关键技术213.1 欠平衡负压值的确定及控制213.1.1 确定井底负压值应考虑的因素及分析213.1.2 负压差设计流程243.1.3 井底负压差的控制243.2 欠平衡钻井液技术263.2.1 选择欠平衡钻井液体系应考虑的问题263.2.2 欠平衡钻井液密度的确定283.2.3 目前应用的欠平衡钻井液体系293.3 欠平衡钻井井底压力控制技术313.3.1 井底压力影响因素分析313.3.2 气侵后环空钻井液密度及压力分布规律343.3.3 地层气体侵入井内的预测方法363.3.4 井底压力控制措施38第4章 欠平衡钻井信息采集处理系统以及应用414.1 研究欠平衡钻井参数采集与分析处理系统的意义414.2 方案设计414.3 系统软件的主要功能424.4 系统软件的应用464.5 欠平衡钻井技术应用事例474.5.1 工程设计484.5.2 现场施工484.5.3 结论52结论与建议53参考文献55致 谢57第1章 绪论1.1 研究的目的和意义进入20世纪90年代，由于世界范围内油气勘探开发从整装大油田、高压和常规压力、中高渗均质砂岩等良好勘探开发条件转移到了复杂中小油田、断块油田、薄油层、低压低渗低产能、老油田改造、复杂储层条件、非常规油气等恶劣的开发勘探条件，这种形势迫使勘探开发必须要有新的思路和方法，同时由于非封固完井的水平井数量增多，强化了对防止储层损害的关注1。另外国际油价的持续走高，对世界经济造成了很大的影响。高油价促使世界各国进一步增强了对石油资源重要性的认识，加强了对自己国内石油资源的勘探开发和利用，增加国内石油供应，减少对国际石油的依赖程度，其关键因素就是石油的勘探开发成本，因而降低石油的勘探开发成本则是目前石油工业上游领域的重要任务之一2。欠平衡钻井技术不但能有效地降低油气田的勘探开发成本，最大限度得保护油气层，而且能很好地克服钻井作业过程中的难题和避免一些复杂情况的发生；有利于中小型油气田、非常规油气藏，低压低渗油气藏得勘探开发；有利于油田中后期改造挖潜。因此，欠平衡钻井由于其先进性为勘探、开发带来了广阔的前景，在油气田开发中发挥着越来越重的作用。欠平衡钻井技术是21世纪油气资源开发中必不可少的主干技术之一，又是一项涉及面宽、投资大、风险大的系统工程，也是继水平井技术之后在钻井技术上的另一大发展方向和热点，应尽快掌握和发展欠平衡钻井技术，使其更好地作为发现和保护油气藏的重要战略措施。1.2 国内外发展现状在钻井过程钻井液循环体系井底压力低于地层孔隙压力，使地层的流体有控制的进入井筒并将其循环到地面，这一钻井技术称为欠平衡钻井。美国在1953年使用空气作为循环介质成功地完成了一口钻井，此后很长一段时间内由于设备和技术的限制因素欠平衡钻井技术并没有得到很好的发展。进入20世纪80年，欠平衡钻井技术迅速发展。欠平衡钻井技术在北美地区（如美国、加拿大、墨西哥湾）得到了较为广泛的应用。据统计，近几年来，美国全年约有四分之一的油气井和地热井均不同程度的使用了欠平衡钻井技术，有些油气田欠平衡钻井的应用比率高达98%。另外在墨西哥湾、加拿大北部油田、北海油田、伊朗、也门、俄罗斯及印度尼西亚、澳大利亚和欧洲等地区欠平衡钻井已经成为一种降低开发成本、保护油气层必不可少的技术了。因此欠平衡钻井技术得到迅速发展，同时配套工艺技术也日趋完善。技术方面，美国、加拿大已经掌握了欠平衡钻井、欠平衡完井等先进的欠平衡钻井工艺技术。设备方面，美国已经研制开发出了欠平衡钻进、欠平衡起下钻、欠平衡完井的专用设备（或工具）。国外欠平衡钻井主要用于裂缝性油气藏（如美国的AUSTIN CHALK储层）、压力衰竭性地层（如加拿大的ELKTON），目的是为了采用欠平衡钻井技术减少产层污染、提高单井采收率，从而提高综合经济效益和社会效益。据统计31991年加拿大欠平衡钻井技术打井30口,1993年用欠平衡钻井打井120口,1994年和1995年分别用欠平衡钻井230和330口，1998年约为4100口井。1996年美国用欠平衡钻井数占全美钻井数的10%,1997年用欠平衡钻井数占总钻井数的15%。2002年用欠平衡钻井数占总钻井数的20%30%。2005年美国欠平衡钻井所完成的进尺将会占全部钻井进尺的30%，井口数达到120004。在未来几年内，世界各地欠平衡钻井技术的应用范围仍将继续稳步增长。早期欠平衡钻井采用的循环介质是空气，后相继发展了以氮气、天然气、泡沫和充气钻井液为循环介质的欠平衡钻井技术，主要用于低压低产储层。随着欠平衡钻井技术的进一步成熟和井控装备的发展，又发展了用钻井液对较高压力的地层实施欠平衡钻井的技术，如边喷边钻、不压井起下钻等技术。近年来，随着连续油管钻井技术的发展，为降低高压地层欠平衡钻井的安全风险，又发展了连续油管欠平衡钻井技术。目前全国各大石油院校及油田都在不同程度上开展了欠平衡钻井技术的研究和推广应用，并取得了显著的经济效益。随着从国外现代欠平衡钻井技术的引进，我国较大的油气田都先后或正在进行欠平衡钻井试验，根据 1999 年全国昆明井控会上的介绍，我国所引进的主要是旋转控制头，也有旋转防喷器，其中 17.5MPa 旋转控制头已达 16 台。新疆局还引进了1套雾化钻井装置5。国内新疆克拉玛依、胜利、大港等油田已先后开展了欠平衡钻井完井现场试验。实现欠平衡方法基本上都是采用自然法。大港油田自 1998 年开始在古潜山构造上开展了深层探井欠平衡钻井完井现场试验，其中板深7井、板深8井欠平衡钻井试验的成功，从工程上解决了多年来地质上无法解释的难题，而且成功地发现了亿吨级油气田，为大港油田的可持续发展增添了新的血液。据2003年4月统计，我国海上、陆地油田已经引进各种类型旋转型防喷器40套，包括克拉玛依、四川、长庆、玉门、塔里木、土哈、中原、胜利、大港、辽河、大庆等油田进行了107口欠平衡钻井实验。但应该看到，国内欠平衡钻井技术才刚刚起步，很多技术难题还没有解决，并且欠平衡主要设备还依赖于进口，所有这些制约了欠平衡钻井技术在国内的进一步应用与发展。欠平衡钻井技术总体上在国外已是相对成熟的技术，但由于各油田地质条件的差异，相应的实施对策有所不同，同时该项目又是风险技术的项目，普及引进、照抄、照搬将会带来严重的后果，况且该技术仍处在不断发展、完善阶段，还有一系列问题有待于解决。因此在配套关键技术设备的同时，还应针对各油田生产实际情况，加强其工艺技术的攻关研究，形成一套适合各个油田特点的欠平衡钻井工艺配套技术。未来欠平衡钻井技术将和水平井，分支井，连续管钻井一样，成为一种趋势，而它们之间的结合应用是经济有效开发新老油藏的发展方向。欠平衡技术加水平井，导向钻井，用于提高勘探成功率；欠平衡技术加水平井，用于提高开发效益；欠平衡技术与连续软管钻机，老井加深、老井侧钻，小井眼钻井技术，用于老油气田改造挖潜；欠平衡技术加超常水平井、分支水平井，用于低渗，强水敏油气田增产改造，部分代替水力压裂。钻井技术和井控技术的进步已经使欠平衡钻井技术成为开采油气的一种既安全又经济的手段，尤其是针对油气田开发后期的低压低渗油藏。1.3 欠平衡钻井优点和缺点欠平衡钻井技术能够迅速发展是因为它能很好的克服钻井作业过程中的难题并避免一些复杂情况的发生、能有效地降低油气田的勘探开发成本。从目前国内外研究及应用情况来看，其具有以下几方面的优缺点：优点：减少对油气层的伤害，有效保护油气层，提高油气井的产量实时发现地质异常情况，及时评价低压低渗油气层有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生，减少作业和相关的费用6提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，降低钻井成本可以在钻井过程中生产油气。缺点：循环系统的稳定性（压力波动）油层伤害（过平衡状态，逆流自吸，地层液体配伍，出砂等）井壁稳定性（力学，物理，化学作用）安全问题（井下爆炸或燃烧，井控问题，H2S腐蚀7）经济因素（设备，材料，环境问题）。1.4 本文主要内容本文主要建立在文献调研的基础上，通过翻阅大量的关于欠平衡钻井技术和各油气田开发建设方面的文献资料，结合自己所学的专业知识，研究以下内容：1、欠平衡钻井技国内外技术、设备发展现状，实施欠平衡钻井的优缺点；2、欠平衡钻井相关理论；3、欠平衡钻井过程中关键技术的应用，主要是欠压值的如何确定，欠平衡钻井液技术和井底压力控制技术；4、欠平衡钻井信息实时采集分析处理系统研究与应用。第2章 欠平衡钻井相关理论2.1 油气藏筛选理论2.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏1、具有潜在井漏或钻井液侵害的油气藏这些油气藏包括晶间渗透率大于1m2的地层；具有大的宏观开放型裂缝的地层；具有大量连通孔洞的非均质碳酸盐地层；可以导致过平衡压力大于6.9MPa的压力枯竭地层。过平衡钻井最坏的情况是高渗透性特点与严重的压力枯竭相结合。对于上面提到的这些油气藏来说，由于很难设计有效的过平衡钻井液体系，所以它们是欠平衡钻井的最佳选择对象。特别是在裂缝性或非均质碳酸盐油气藏，很难形成防止钻井液滤液和固相侵害地层的均质稳定滤饼，并且发生抽汲后，地层内的流体仍旧会不受约束的流入井眼。在这种情况下形成的滤饼，经常引起压差卡钻，最终导致毁灭性卡钻事故。在具有宏观渗透性特点的水平井中，由于重力引起的排泄，可能会发生井漏。2、具有岩石-流体敏感性的地层相当大的地层损害可能是由于不相溶水基滤液与地层粘土或其它活性材料的有害反应引起的。许多地层含有水活性粘土，如蒙脱石或混层活性粘土。这些粘土与非抑止性水基钻井液接触会发生膨胀，并严重影响采收率，而且在某些情况下，会影响近井眼区域固结。有些地层可能还含有悬浮粘土和细颗粒或可运移材料，如高岭石粘土，碎岩屑，焦沥青和无水石膏。这些问题中的许多情况可以通过欠平衡钻井技术或合理的采用油基或抑制性水基钻井液的过平衡钻井技术来解决。3、具有液-液敏感性的地层欠平衡钻井可以防止不相溶的钻井液滤液侵入地层，从而消除侵入滤液与地层盐水或原油发生有害反应。其中的一种有害反应是高粘水包油乳化剂钻井液被圈闭在近井眼区域。另外的有害反应包括：由于油基钻井液侵入油气藏原油引起脱沥，从而导致渗透率的降低；由于不相溶的水基钻井液滤液和地层盐水混合而导致地层胶合和固体物沉淀。正确的地质化学试验和相溶性试验可以消除大多数常规过平衡钻井过程中遇到的这种问题。然而，在特殊情况下，应首先采用欠平衡钻井来避免将具有潜在有害反应的材料引入地层。4、具有潜在自吸能力的地层由于有害的相对渗透率效应，近井眼区域的水或烃形成永久性圈闭，从而导致地层产量的降低。如果使用了错误的钻井液基液，欠平衡钻井会由于自然的对流自吸效应而使这一问题更加恶化。然而，合理设计的欠平衡钻井工艺可以成为一种减轻与钻井液保留和圈闭效应相关的潜在问题的有效途径。利用一种非湿性流体作为欠平衡钻井作业的基液，如果欠平衡钻井条件得以维持，那么就可以防止自吸和降低相圈闭的可能性。从而可以防止钻井液基液进入地层而直接产生驱替和圈闭。5、油藏性质高度易变的地层在油气藏渗透率、孔隙度或孔隙喉道尺寸的分布上呈现出很大差别的高度层状地层或大量沙岩或碳酸盐地层代表了设计有效过平衡钻井液体系的主要挑战。在这些情况下，为了获得预期的主要产量，通常设计的过平衡体系用来保护质量较好的那部分基岩。而这有可能对其它部分的潜在高产油气层造成严重损害。在其中的某些情况下，利用欠平衡钻井工艺可以从目标层段获得更加均匀的开采。6、具有活跃的地下水并且对水锥进敏感的地层在这样的地层如果采用过平衡钻井，那么钻井液会侵入地层，引起水锥进效应，并且在完井后的试油作业过程很容易向水层打开通道，给今后的开采带来麻烦。而欠平衡钻井，由于井底压力低于地层孔隙压力并且不需要试油作业，所以可以降低或避免以上问题的发生。7、低钻速地层对于某些硬地层来说，利用欠平衡钻井和利用过平衡钻井相比，机械钻速可以提高10倍，从而减少了钻井时间和相关费用。在有限的几种情况下，欠平衡钻井的主要目的是提高机械钻速而不是避免地层损害。2.1.2 不适合欠平衡钻井的地层 1、高压和高渗透率相结合地层从地层损害观点看，虽然埋藏较深的高压，高渗透率地层代表了欠平衡钻井最具可能性的地层之一，但是在地面可能出现安全和井控问题。井底压力高于21.7MPa，特别是在气层中，更适合常规的旋转钻井设备和旋转控制头。在这种情况下，由于地面额定压力非常大，所以采用连续柔管钻井可能更合适。相反，如果需要的地面注入压力较高，那么蓄积在地面连续管柱中的大量压力流体也会带来不安全因素。2、受压力约束的地层通常,具有不同压力的多个产层的油气藏或在给定的目的层中存在明显的压力变化的油气藏，是不适合采用欠平衡钻井的。3、常规地层大多数地层可以从完美的欠平衡钻井设计和执行中受益，但欠平衡钻井比常规的过平衡钻井昂贵得多，并且存在一定的风险和问题。对常规地层来说，如渗透率低于0.5m2的均匀晶间地层以及具有较低的岩石（流体和流体）流体敏感性的地层，设计合理的过平衡作业与价格昂贵、风险较大的欠平衡作业相比，可以产生相当的或更好的效果。2.1.3 油气藏筛选程序对于直井或水平井的欠平衡钻井来说，筛选合理的油气藏是非常必要的。通过研究油气藏的构造图以及收集和分析相关的数据，可以描述出油气藏为均质油气藏还是非均质油气藏。需要提供和研究的油气藏数据参数包括油气比原油的API密度、平均孔隙度、平均渗透率、地层体积指数、压力、温度和含水量。另外，油气藏的构造资料、注水、注气以及原油粘度都在“区分油气藏特征”方面起着一定的作用。在油气藏筛选问题上，应该由一个有钻井工程师、油藏工程师、地质学家、地球物理学家、岩石物理学家、采油工程师、欠平衡钻井专家、安全专家、经济师等组成的多学科工作组来完成。多学科工作组在进行这项工作时，必须仔细考虑一个用于单个油气藏筛选的详细筛选程序。这个筛选程序为8：1、用简单的欠平衡钻井技术能否完成这口井；2、以我们现有的数据能否证明欠平衡钻井技术在此油气层中优于过平衡钻井技术；3、用欠平衡钻井技术潜在的风险和事故；4、该地层能否承受住压力降低而不坍塌；5、欠平衡钻井技术与长期的油气层优选相比较费用是否划算；6、多学科工作组是否对油气藏已经做了足够的研究工作；7、初始油井设计是否能满足油气藏开发标准；8、现有的井控设备能否满足预期的油气层条件。2.2 欠平衡钻井地层稳定性理论2.2.1 井壁失稳机理采用欠平衡钻井，首先要使钻井液液柱压力低于储层压力，此时钻井液密度降低后，井壁的稳定性是否可以保证。如果试验和计算结果表明，欠平衡钻井的钻井液密度不能保证井壁稳定，通过调整钻井液体系和性能，增强井壁的稳定性。对井壁失稳机理进行分析，井壁失稳的本质是：井壁上某部分的应力状态超过了井壁岩体的抗破坏强度。这其中有两个制约因素：材料（岩体）和应力。1、岩体：破碎岩体和含弱面的岩体；塑性岩体，如盐膏层、软泥岩等；泥页岩（以硬脆性为主）。2、应力：深部地层的上覆岩层压力引起的地应力；强烈地质构造作用引起的地质构造力；异常热应力、循环温度应力、流固耦合应力。破碎岩体和含弱面的岩体由于本身强度低而导致井壁失稳；塑性岩体由于液柱压力不够时而出现蠕动变形；埋藏很深的地层由于巨大的上覆岩层压力使水平应力增大；强烈的地质构造作用造成很大的残余构造力使井壁失稳。2.2.2 非泥页岩地层的稳定性对于给定段地层，在给定欠平衡钻井的条件下，井壁是否可以保持稳定，可按图（2-1）所示的动作程序进行一系列的试验和分析，最终得到结论。由上述综合分析所得到的结论，如果井壁能保持稳定，则可以采用给定参数的欠平衡钻井；如果井壁不能保持稳定，则应加大钻井液密度直至井壁稳定，必要时放弃欠平衡钻井的方法。2.2.3 泥页岩地层的井壁稳定性泥页岩地层，其岩体的强度较低，比较容易出现井壁失稳问题。泥页岩地层的最大特点是存在物理化学反应。其井壁失稳是一个化学反应和力学作用的耦合结果。首先是物理作用。由于亲水势能和界面张力的作用，泥页岩自发的吸水，尤其是干气层附近的少水泥页岩。泥页岩具有微渗透性（渗透率在10-710-9m）在压力差作用下滤液缓慢进入泥页岩，引起内部孔隙压力增高和外来自由水侵入。当泥页岩与矿化度较低的工作液接触时，由于浓度差的影响，自由水会向页岩内部侵入。 其次是化学作用。自由水侵入页岩，与粘土矿物发生水化反应，引起泥页岩膨胀；当水化膨胀受空间约束时，则转化为水化应力。泥页岩水化后将会使岩石强度大幅度降低，同时引起岩体本构关系的改变。最后是力学作用，微渗透现象引起泥页岩孔隙压力增加，水化作用使地应力增加（叠加水化应力），水化作用使页岩强度大幅度降低。这些作用的综合导致了泥页岩地层地垮塌。硬脆性页岩比较常见，这类页岩常以高岭石、伊利石为主，水化后既无明显体积膨胀也没有水化造成的开裂和剥落，人们称其为非水膨胀型泥页岩、非分散型泥页岩，甚至称为非水化型泥页岩。硬脆性泥页岩给我们带来了较大的错觉，实际上硬脆性泥页岩水化危害很大。首先硬脆性泥页岩有时仍有膨胀，其自由体积膨胀量在20%30%左右；在地下岩体条件下自由膨胀量可达5%10%，这个膨胀体积已经带来了很大的问题，不容忽视。其次硬脆性泥页岩水化的膨胀量不大，但膨胀压很高，以高岭石、伊利石为主的硬脆性泥页岩，10h后的膨胀压高达34.5MPa。第三硬脆性页岩水化后有相当明显的强度降低现象，这种以高岭石、伊利石为主的硬脆性泥页岩，饱和吸水后其抗压强度不到原始抗压强度的三分之一。最后是硬脆性泥页岩的微裂缝，因其性质硬而脆，固在构造作用中易产生微裂缝。工作液容易沿着微裂缝进入地层深处，造成大面积深部水化反应，使井壁失稳。钻井取心模拟地层压力和温度条件实测本构参数实测强度参数实测压力穿透实测地应力计算岩体稳稳定性 定性记入工程干扰因素的修正结论计算岩体稳定性计算应力分布测井资料修正 图2-1 非泥页岩地层稳定性预测图可得出，泥页岩是在原有地应力再加水化应力条件下，以水化后降低的泥页岩强度来决定水化后是否井壁失稳；如果井壁稳定性不够，则靠提高钻井液密度予以克服。泥页岩的水化应力大小及水化后强度降低多少，是由钻井液的体系和性质来决定的；而井壁的最终稳定性很大程度上还取决于钻井液密度的提高。在常规的过平衡钻井中，人们常常是在给定钻井液密度的前提下，调整钻井液体系和性质达到一个合适的状态，使该状态下泥页岩水化应力、水化下降程度在给定钻井液密度条件下能保持井壁稳定。显然此时钻井液体系和性能并没有使泥页岩水化影响降低到最小。因此我们完全可以通过调整钻井液体系和性能，使泥页岩水化影响大幅度降低（即减少水化应力、使强度降低减少），到达使泥页岩井壁稳定强化的目的，在此条件下可以大幅度降低钻井液密度，实现欠平衡钻井。2.3 欠平衡钻井两相流理论 多相流动是几个相处于一个系统内流动的体系。这几个相可以是同一种物质的不同相态，也可以是不同物质的不同相态。仅有两种相态同处于一个体系内的流动便称为两相流动，它是多相流动中最常见的一种流动组合。可以是一种物质的两个相态，也可以是两种物质的两种相态。因此，可以分为单组分两相流动和双组分两相流动。单组分两相流动是由同一种化学成分但不同的相态混合在一起的流动体系。双组分两相流动是指化学成分不同的两种物质同处于一个系统内的两相流体流动。但是，广义来说，某些双组分流动（主要指液体、液体流动），由彼此互不混合的一种相态构成，也常被称为两相流动，例如油、水两相流动。双组分两相流动和单组分两相流动定义虽有一些差异，但从流动相态的数学抽象，亦既从基本守衡方程的数学模型来看是相同的。在不涉及相变的条件下，常可将它们视为同一种物理现象处理。2.3.1 环空两相流流态分类及其判别方法在欠平衡钻井过程中，井筒中的多相流在流动时其流态是变化的。通过大量实验观察研究，对气液多相流的流态，不同的人有不同的划分方法。根据Taitel等人的研究成果，典型的直井流态通常可分为泡状流，段塞流，过渡流和环状流。气液两相的相态主要受各项速度、密度等参数的影响外，气液两相的流动的形成过程、少量杂质的存在等可能对流态有一定的影响。然而，由于不同的流态受不同的水动力学条件的控制，所以可以利用水动力学原理通过机理分析，得到流态的判别准则。1、泡状流判别准则1（小气泡）：和 （2-1）判别准则2（大气泡）：和 （2-2） （2-3） （2-4）式中：管径，mm ：气体界面张力，Pa ：单个气体上升的极限速度，m/s ：泰勒气体气泡上升速度，m/s ：气相真实密度，g/cm3 ：液相真实密度，g/cm3：混合物真实密度，g/cm3 ：液相真实粘度，mPa /s ：含气率，无因次 ：气体表观相速度，m/s ：液体表观相速度，m/s ：混合物速度，m/s2、段塞流判别准则： （2-5） 如果，则： （2-6）如果，则： （2-7）3、过渡流判别准则： （2-8）如果，则： （2-9）如果，则： （2-10）4、环雾流判别准则： （2-11）2.3.2 欠平衡钻井气液两相流数学模型建立在整个欠平衡钻井过程中，我们关注的井内各是井底、井口及套管鞋处的压力主要受气体、液体的流量、分布状态和运动规律的影响，理论研究时排除了一些次要因素，突出主要影响因素的影响，因此先将研究对象模型化。在本模型的建立中，应用了以下假设9：1、在本文的研究中，假设井眼截面为圆形且与井内钻柱同心。2、忽略气体在泥浆中的溶解，且两相间无化学反应。3、本文只讨论沿流动方向的一维非定常流动问题，用截面的平均特性和分布系数修正方法来表征过流断面的流动参数分布。4、环空内两相段在同一位置处气液两相温度相同，无热量交换。两相流体动力学研究提供了描述一元两相流动基本方程，既保证能够计算求解，又保证了两相流的重要特点。气相连续方程： （2-12）液相连续方程： （2-13）混合相运动方程： （2-14） （2-15）式中：液相密度， Kg/cm3 ：气相密度，Kg/cm3 ：气相速度，m/s ：液相速度 m/s：压力 Pa ：空泡率 无因次 ：气体进入速率 Kg/cm3 ：重力加速度m/s2在上面的方程组中，液相为不可压缩的，其密度取为常量，当地温梯度已知时，视温度为己知量，另外还有五个未知量，他们分别是：流场中任意位置处气相的密度、气液两相各自的运动速度： 和、流动压力及单位体积两相流中气相所占的体积，用空隙率表示，这样共需五个方程才能构成可求解的理论模型，也就是说，除了三个基本方程外，还需两个补充方程才能使方程组封闭。气相状态方程气体的密度是压力和温度的函数，可以作为一个补充方程，即： （2-16）物理方程三个基本方程中均含有空泡率，关于空泡率目前已提出了许多确定方法，此处采用考虑影响因素最全的模型漂移模型来封闭方程组。具体形式为： （2-17）式中：气相密度， Kg/cm3 ：液相密度， Kg/cm3 ：气相速度， m/s ：液相速度， m/s：环空动压力， Pa ：空泡率， 无因次 ：时间变量，s ：空间变量，t ：气体滑脱速度，m/s ：速度分布系数，无因次 至此，五个未知数，五个方程，理论模型方程组就是封闭的方程组了。2.3.3 三相携屑研究井眼净化能力是否满足正常钻井需要，取决于钻井环空流体的有效上返速度，只要有效上返速度大于岩屑的沉降速度和岩屑的最低上返速度，岩屑就可以被携带到地面上来。在钻井过程中，随着岩屑的不断产生，要求环空中的岩屑浓度不超过某一临界值，1993年Guo等人假设如果能避免井眼净化问题，为了维持环空中钻屑浓度低于该临界值，岩屑必须向井口移动的速度与机械钻速ROP的关系为： （2-18）式中：临界速度，m/s ：机械钻速，m/h ：岩屑浓度，%在引力的作用下，岩屑在环空流体中的下落将加速直到颗粒上作用的拉力刚好平衡引力，此后颗粒将以不变的速度下落，我们称此常速度为岩屑的终了沉降速度。根据重力和阻力的平衡关系可以推导出： （2-19）式中：重力加速度，32.17ft/s2 ：特征粒子直径，ft ：沉滑系数 ：岩屑密度，lb/ft3 ：流体密度，lb/ft3在欠平衡钻井时，钻屑一般都保持在液相中，其携带能力与流态紧密相关，由于流态不同，其有效携岩的上返速度也不一样。泡状流段有效上返速度为： （2-20）段塞流段可以假设只有液体对携岩有贡献，满足单相流携岩规律，有效上返速度。过度流段中液体对携岩的贡献要比段塞流小的多，其有效上返速度： （2-21）环状流段对携岩有贡献的已不是液体，而是气体，要达到井眼净化需要很高的气流量，此时应按空气钻井携岩模型来计算： （2-22）式中 ：液相流体表观速度，m/s ：气相流体表观速度，m/s ：液相流体真实速度，m/s ：气相流体真实速度，m/s ：各流态中其相相应的空隙率，%岩屑的滑沉系数受粒子的形状影响，扁平粒子的滑沉系数大约为1.4，而属于角形到次圆状类别的滑沉系数大约为0.8。综合这些发现和气体定律，Gray推导出临界速度的约等式如下：对于扁平岩屑： （2-23）对于次圆状岩屑： （2-24）这里的和分别为井底温度(K) 和压力(psi)。综合各种流态分析的结果，携带岩屑最低的环空返速为： （2-25）2.4 欠平衡钻井井下爆燃基础理论根据燃烧学理论，气体燃烧的可以分为扩散性燃烧预混气体燃烧两大类。扩散性燃烧是指燃料与空气在着火前不互相混合，燃烧速度主要受扩散速度控制，相对预混气体燃烧，其燃烧速度较低。而预混气体燃烧则是在着火前燃料与空气已经混合，一旦着火，其燃烧速度很快，通常表现为失火爆炸形式。在井下条件下，多数情况都表现为空气与可燃气体混合后失火爆炸的形式，其危害性较大，主要介绍预混气体的失火爆炸问题。 任何可燃混合物（燃料与空气或其他氧化剂的混合物）的燃烧都必须着火后才能产生快速的燃烧爆炸。着火前可燃气处于缓慢的氧化过程，化学反应速度很低，而一旦着火后，初期对着火点的燃烧使可燃混合物的温度升高，化学反应加速。反应的加速又近一步使反应热增大，使可燃混合物的温度进一步增高，如此反应，在很短的时间内致使反应速度急剧升高，从而由缓慢的氧化过程转化为燃烧过程直至爆炸。使可燃混合物着火的方法一般有两种：自燃与点燃。前者是自发的，后者是人为的，可燃混合物由于化学反应使自身温度升高而引起反应速度急剧升高形成的燃爆称为热自燃，反之由外界加入能量。点燃时，由于点火物体的形状与能量传递途径的不同，也可以分为不同的种类。以下将介绍引起井下失火的可能方式，即热自燃、平板点火、热球点火、火花点火的燃烧分析。1、热自燃问题若可燃混合物处于绝热条件下，即不向外散热，则氧化反应放出的热量总是积累在可燃混合物中，越积越多，导致系统的温度上升，反应加速；只要反应物初始浓度足够多，反应速度也是增大的，最终总会着火燃烧。反应速度极大，燃烧过程在即短的时间内完成即产生爆炸。但这种完全不向外散热条件下的燃烧问题在实际生产、生活中很难遇到。因为，一般情况下，由于混合物的温度升高在其温度高于周围环境温度时，就会向环境散热。因此，通常都是在有散热条件下的燃烧问题。此时可燃混合物的燃烧与否，就取决于化学反应的放热速度与系统向外界的散热速度的相对大小。若化学反应的放热速度小于系统向外界的散热速度则可以缓慢氧化反应的热量散发给环境，使系统积累不起热量，系统的温度不能升高，化学反应不能加速，所以不能形成着火燃烧；反之，化学反应的放热速度大于系统向外界的散热速度，就使系统散失的热量小于反应放出的热量，使系统积累起热量，系统的温度升高，化学反应进一步加速，直到系统达到燃烧、爆炸。这时，我们就称这种燃烧为热自燃形式的着火燃烧。井下的热自燃问题主要考虑的是井下正常钻井，停钻时，井下无摩擦产生的高温源，不考虑钻头钻进时在钻头部分的高温及岩石碰撞产生火花，仅仅由于钻遇油气层时，天然气与空气混合形成可燃预混气体。这种预混气体在从井底向地面流动过程中，由于燃料与空气发生氧化反应而产生热量以及在地面温度条件下散热时，通过分析反应热量与散热的关系来分析井下可燃预混气体自发的、热自燃的着火燃烧问题。通过以谢苗诺夫所建立的可燃混合物的热自燃理论为基础，分析了在井下条件下，系统热自燃问题。其主要结论为：（1）各种可燃气体与空气的混合物形成的预混气体，并不是在任何燃料浓度下均能形成热自燃着火的。若燃料浓度过小，则在预混气中由于燃料太小，不能形成着火燃烧，而燃料浓度过大，则由于在预混气体中的氧化剂太少，也不能形成着火燃烧。每种燃料气体存在一个可燃的最高和最低的燃料浓度限，我们称其为可燃上、下限。随燃料气体的种类不同，其对应的上、下限浓度数值也不同，且随着燃料碳原子数增大，可燃限的范围变大，即C5H12可燃着火点范围大，失火的可能性也就最大，CH4着火范围最小，失火的可能性也最小。（2）在井下较高温度、较大压力下，各燃料气体的可燃限比在常温、常压下的可燃限更宽，且可燃限随温度增高而增大的规律与随压力增高而增大的规律是不同的。（3）井下失火最危险点是在井下温度点或最大压力点，实际上通过对井下流动系统分析计算表明，此两点位置通常是十分接近的或是同一个位置。2、平面点火问题在井下，当钻具与井壁互相磨擦时，可产生局部高温源段，在此热面曲率半径相对较大时，将它简化为一个有限长度的平板，这个炽热的平板与井下混合气体相接触时，在一定条件下可能会引燃井下可燃预混气体。这种燃烧就不同于热自燃问题，它是由于外界给可燃气传入了热量而引起可燃着火的，所以其分析方法、结论与热自燃的方法、结论不同。通过对沿板流动形成的俯面层分析，建立了俯面层内可燃气的能量微分方程和换热能量微分方程，讨论其内温度分布、特点，经分析可以得到如