基于热质流耦合的深层欠平衡钻井井筒温度场和压力场分布规律研究

Underbalanced drilling can improve ROP, avoid lost circulation, eliminate hydration of the shale and protect reservoir because of its low pressure, so it is an effective technique in deep formation. Under high temperature and high pressure(HTHP) condition, the temperature and pressure has a more significant effect on rheological properties of wellbore fluid, flow pattern is evidently changed. And that formation fluid continuously flow into the wellbore. There are coupling effect of heat, mass and fluid between the formation and the wellbore. At the present, the coupling mechanism of heat, mass transfer and formation percolation in deep underbalanced drilling remains unclear. And the calculation for temperature and pressure on the interaction have not yet been resolved. In view of the above problems, based on the theory of heat and mass transfer, percolation flow and UBD technology, by means of theory inference, laboratory experiments and numerical simulation, the multiphase flow characteristics, heat and mass transfer characteristics and the seepage law of formation fluid are analyzed in this paper. The paper made a systematic exposition on the coupling mechanism of heat, mass and fluid. A systematic and perfect theoretical analytical method of temperature field and pressure field in deep underbalanced drilling is built. It is the theoretical foundation for UBD application in deep formation.

欠平衡钻井因其在提高机械钻速、减少井下复杂问题、保护油层方面的独特优势，成为深层钻井的一种有效技术。但深层欠平衡钻井的高温高压环境显著影响着井筒流体特性，气液流体出现相变，改变了其流型，同时地层流体不断流入井筒，地层与井筒存在热质流耦合作用。目前对于高温高压欠平衡钻井热质流耦合机理认识尚不清楚，热质流耦合作用下的温度场和压力场计算问题有待完善。本项目针对以上问题，以传热传质理论、渗流力学理论和欠平衡钻井工艺技术理论为基础，运用理论分析、室内实验和数值模拟相结合的研究方法，分析不同井眼条件下的井内多相流流动特性、传热特性、传质特性、地层渗流规律，系统地揭示传热-传质-地层渗流耦合作用机理，建立一套完善的热质流耦合作用的深层欠平衡钻井温度场和压力场理论分析方法，为欠平衡钻井技术广泛应用到深部地层奠定理论基础。

随着油气勘探的不断深入，欠平衡钻井在钻进过程中过程面临高温、高压等恶劣条件，导致欠平衡钻井环空携岩和作业安全出现严峻考验。针对目前我国深部地层钻井的难点，本项目以传热传质、渗流力学和欠平衡钻井工艺技术等理论为基础，运用理论分析、室内实验和数值模拟相结合的研究方法，对基于热质流耦合的深层欠平衡钻井井筒温度场和压力场分布规律展开研究。.项目的主要研究内容及研究成果如下：.1. 完成了高温高压下岩心渗透率和多相流特性室内实验。研究结果表明：岩心渗透率随压力和温度的增加而变小。钻井液密度随压力升高而增大，随温度升高而减小。粘度也随温度升高变小。气液两相流对流传热系数随气体表观速度增加而增大。.2. 建立了深层欠平衡钻井井筒与地层的瞬态传热数值模型。研究结果表明：环空温度受摩擦、注液量、注气量和注入温度等因素影响。.3. 建立了欠平衡钻遇油气藏时，随钻地层流体侵入量计算模型。研究结果表明：地层流体侵入量受岩心渗透率、钻井速度和井底欠压差等因素影响。.4. 建立了深层欠平衡实钻条件下的全井段两相流稳态模型。研究结果表明：所建立模型预测的压力值与实测压力更加接近，预测精度得到了提高。.5. 建立了气体在水基钻井液和油基钻井液中的溶解度计算模型。研究结果表明：气体溶解度的大小受温度、压力等因素影响。.6. 建立了不同工况下深层欠平衡钻井传热传质耦合多相流流动模型。研究结果表明：传热引起的温度变化对井底压力影响较小，地层流体侵入对井底压力和井底温度影响较大；气侵后，井底温度降低，环空气体体积分数增大，井底压力先升高后降低；关井后，节流压力、井底温度和井底压力迅速升高，地层气体产出速度迅速降低。.研究基于热质流耦合的深层欠平衡钻井井筒温度场和压力场分布规律，是深层欠平衡钻井技术实用化、现场化所必须解决的基础问题。本基金的研究为欠平衡钻井技术广泛应用到深部地层奠定理论基础。