溢流关井对井筒完整及安全的影响研究
1. 论文选题背景
2. 论文主要摘要
3. 论文主要研究内容
环空虽然不是规则的管道，但是内部流体的瞬变流动过程与管道类似。假设实际钻深为L，压力传播速度为am，井口流速为um0，井口压力为p0，那么进行一次压力传递的周期分为4个阶段：①0～L/am；②L/am～2L/am；②2L/am～3L/am；④3L/am～4L/am。
1.2 环空流体瞬变流动模型
环空瞬变流过程可以由管道内流体的瞬变流动理论推导得到，并考虑竖直油管重力项、多相流等水平管单相流体流动未曾考虑的因素。管道内瞬变模型是由运动方程和连续方程两部分所构成。它是全面表达有压管流中非恒定流动规律的数学表达式，是一维波动方程的一种形式。
钻井过程中，环空内流动着多相流动介质，压力高且流速快，更兼井下环境复杂多变。当发生溢流急需进行关井操作时，多种因素共同影响着环空内流体的瞬变流动过程。为了便于分析计算，需要对模型做理想化假设：
流体在环空内做一维流动，忽略流体的径向运动；沿环空同一截面上的多相流体分布均匀，流速相同；
套管柱与钻柱均为等直径圆管及圆柱，钻柱不发生偏心；环空内的流动介质与油管壁均为线弹性体，弹性模量恒定；
忽略管道的弯曲变形，且不考虑管柱摩擦及碰撞导致的结构阻尼；
分析瞬变流中的摩阻计算仍然沿用恒定流中的公式。
1.3 多相流压力波速
多相流体压力波速与气体所占百分含量、固体颗粒浓度、气体弹性模量、液体弹性模量、固体弹性模量、多相混合物密度、套管壁弹性模量以及套管尺寸都有关系。
2 环空瞬变流模型数值求解
2.1 特征线法求解
瞬变流问题的求解方法很多，常用的有解析法、图解法、特征线法等。解析法求解精度最高，但一般只用于求解刚性瞬变流问题。环空流体的瞬变流动是由一对拟线性双曲偏微分方程描述的，属于弹性瞬变流问题，解析法不再适用。图解法作图过程繁琐，且精度有限，已很少采用。特征线法是将偏微分方程转化为常微分方程，再将其表示成有限差分的形式，通过计算机求解。特征线法有效地代替了实际的模型实验，更有利于达到对工程问题进行研究的目的。本文采用特征线法进行求解。
首先将瞬变流模型方程组进行线性拟合，拟合系数通过量纲和谐原理确定。由此可以得到两条特征线。两条特征线反应不同的压力波传播规律，结合相应的常微分方程，可以得到描述溢流关井瞬变流动的特征方程组（C+和C-）。使用有限差分法，对井深和时间分别进行离散。
2.2 边界条件
在计算井口参数时，井底节点j=N+1，因此只能沿特征线向-L方向(N~1)差分，即使用C+型特征线方程，可得井口压力；
在计算井底参数时，井底节点j=1，因此只能沿特征线向L方向(2~N+1)差分，即使用 C-型特征线方程，可得井底流体流速。
根据平面径向渗流理论及标况下地层中的气体稳定渗流模型，得到井底条件下侵入环空的气体量。
3 现场应用与结果讨论
3.1 压力波速的影响分析
井筒内的压力波速明显低于不含气体的波速，波速的大小主要取决于钻井液中气体百分含量的多少。随着气体百分含量的增加，压力波速迅速下降。由模型计算结果可知，当气体百分含量由0.01%增加到50%，则压力波速从1181.4m/s下降到393m/s，即进入井内的天然气越多，相应的压力波速就会越小。这与怀利等人的研究结果相吻合。
随着固体颗粒浓度的增加，环空流体的压力波速逐渐降低，两种固体颗粒的趋势相近，但砂粒的降低幅度更大。原因在于，当钻井液中出现压力波动时，固体颗粒也会受迫压缩。颗粒的弹性模量越大，其受到外力所产生的弹性变形就越小，颗粒恢复形变时对周围钻井液做的功也越少，所以压力波的能量耗散越低，波速的降低幅度较缓，且这种趋势会随着固体颗粒浓度的增加而越发明显。
在气固含量的耦合影响下，气体含量的增减起主导作用，固相含量较少时，对压力波速的影响不大。
3.2 波动压力的影响分析
防喷器关闭瞬间，井口流体流速突变为0，压力迅速增大，随后呈周期性波动。由于天然气的可压缩性和沿程遇到的摩擦阻力，压力会迅速下降。在波动过程中，钻井液中的气体会产生压力的突变波动；但是，随着时间的推移，这种影响变得越来越不明显。
环空压力自下而上沿井深方向一直减小。在紧急关井过程中，井口环空压力会迅速上升。关井时间越短，井口压力越大。硬关井和软关井影响下的井口环空压差在第一个压力波传播周期后并不显著。经过第一个压力波传播周期后，井口环空压差在硬关井和软关井的影响下变化不大。
将钻井液排量与关井时间耦合作用下的井口环空压力变化用柱状图表示，并对柱状图进行讨论。将不同钻井液排量对应的溢流关井时间显示在图版上，以优化溢流关井制度，保证井筒安全。
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