基于甲烷溶解扩散行为的深水井控井筒压力控制理论研究

Formation gas will invade the annulus once a kick occurs during the deepwater well drilling practice. The influx gas in the drilling fluid exists in two states: dissolved gas and free gas. The dynamic distribution of the two kinds of gas causes a complex response of the annulus flow pattern, which further leads to the erratic change of wellbore pressure. In order to maintain a safe deepwater well control operation, it is necessary to find out how the gas dissolution and diffusion affect the annulus flow pattern and wellbore pressure. The project focuses on this problem, intending to figure out the behavior of methane dissolution in the drilling fluid by a systematic study. The solubility of methane in different drilling fluid will be determined by PVT experiments under various temperature and pressure conditions. Molecular simulations will be carried out to study the micro-mechanism of methane solution and diffusion at molecule level. It will develop an equation of state for gas-drilling fluid system to predict the solubility profile in the wellbore. Considering the influence of the dynamic distribution of dissolved gas and free gas in the annulus, a control model of annulus transient multiphase flow will be established to trace the dynamic behavior of wellbore pressure in the deepwater well control scenario. The study results will not only strengthen the understanding of the behavior of methane solution and diffusion in the drilling fluid, but also generate an important theoretical and practical significance for realizing effective control of wellbore pressure during deepwater well control operation and ensuring safe construction in deepwater well drilling activity.

深水钻井过程中发生溢流，侵入气体在钻井液中以两种形式存在，即溶解气与自由气，其动态分布导致环空流态发生时变响应，进而引起井筒压力变化复杂。为确保深水井控作业安全，有必要明确气体在钻井液中的溶解扩散行为对环空流态以及井筒压力的影响机制。本项目拟采用室内实验、分子模拟、数值分析等手段系统研究甲烷在钻井液中的溶解特性，明确不同温度、压力条件下甲烷在不同体系和组分钻井液中的溶解规律，在分子尺度探讨其溶解扩散机理，建立气体-钻井液体系相平衡状态方程，预测深水溢流条件下环空中气体溶解度剖面；考虑井筒内溶解气与自由气动态分布的影响，建立环空瞬态多相流流动控制模型，研究深水井控过程中井筒压力动态响应特征。研究成果不仅可以深化对气体在钻井液中的溶解扩散行为的认识，也对解决深水井控井筒压力有效控制难题，提高深水钻井的安全性有重要理论及现实意义。

深水钻井过程中发生溢流，侵入气体在钻井液中以两种形式存在，即溶解气与自由气，其动态分布导致环空流态及井筒压力变化复杂。为确保深水井控作业安全，有必要明确气体在钻井液中的溶解扩散行为对环空瞬态多相流动特征以及井筒压力的影响机制。.本文采用室内实验、分子模拟、数值分析等手段系统研究了甲烷在钻井液中的溶解特性，开展了不同介质、不同温度压力条件下的甲烷溶解度实验测试，探讨了甲烷分子在钻井液中的溶解扩散机理，建立了甲烷-钻井液体系相行为理论预测模型。考虑深水井控条件下环空溶解气与自由气动态分布的影响，建立了环空瞬态多相流动控制模型以及井筒非稳态温度预测模型。结合相应工况下的初始条件和边界条件，系统分析了深水钻井溢流、关井以及常规压井过程中的环空瞬态多相流动特征和井筒压力变化规律。.实验结果表明，甲烷在油基和合成基钻井液中的溶解度要远大于其在水基钻井液中的溶解度；溶解度随压力增加而增大，压力越高，增加幅度越大；低压下温度的作用不明显，高压下，温度越高溶解度越大。甲烷在钻井液中的溶解扩散行为从微观层面来看，其实就是甲烷分子在溶剂空隙间的填充和跃迁过程，这样一个过程受三个因素的制约：自由体积、相互作用能和溶解自由能。甲烷-钻井液体系相平衡研究结果表明，PR状态方程模型配合两参数混合规则能够较好预测甲烷-油基/合成基混合体系的相行为。深水钻井溢流期间，油基钻井液中的溢流气体以溶解气形式存在，水基钻井液中的溢流气体以自由气形式存在，因此，油基钻井液中的溢流更具隐蔽性，且水基钻井液溢流关井期间不宜长期关井无动作。深水常规压井过程中，由于井口带压，油基钻井液中不同井深处的饱和溶解度均大于实际溶解度，因此环空为单相流动。.上述研究成果不仅可以深化对气体在钻井液中溶解扩散行为的认识，也对解决深水井控井筒压力有效控制难题，提高深水钻井的安全性有重要理论及现实意义。