井筒四相流动理论在深水钻完井工程与测试领域的应用与展望.pdfVIP

摘要:海洋深水油气钻完井过程中，井筒内流体流动是一个多组分、存在相

变及流型转化的复杂四相流动过程。为了进一步揭示深水钻完井井筒多相

流动规律，基于井筒四相流动理论，阐述了其在深水油气钻完井工程领域的

应用进展；然后，针对该理论在深水钻完井某些特殊工况下存在的局限性，

展望了井筒多相流动理论未来的发展趋势。研究结果表明：①深水钻完井井

筒四相流动理论能够充分考虑深水井筒中的各种物理化学现象，可以实现

对井筒瞬态温度、压力的精确刻画，进而为深水钻完井水力参数优化设计提

供坚实的理论基础；②深水钻井井涌发生后，在泥线低温高压环境作用下，

井筒内气相易生成天然气水合物（以下简称水合物）相变，从而改变井筒气

体体积分数的分布特征；③在井底高温高压作用下，井筒酸性气气体存在着

超临界相变，导致高含酸性气体的气侵具有“隐蔽性”；④深水气井测试过程

中，井筒四相流动理论能够准确刻画井筒内水合物沉积、堵塞全过程，为深

水气井测试过程中水合物的防治提供理论依据；⑤深水钻井井筒多相流动

理论今后的发展趋势，将涉及井筒与深水特殊地层耦合作用机制、深海水合

物钻井井筒多相流动理论及支撑深水钻井新技术的井筒多相流动理论的研

究。

关键词:深水；海洋油气；钻完井工程与测试；井筒四相流动理论；天然气

水合物；水力参数优化设计

0引言

我国南海主要盆地的油气资源量为707.8×108t，加大海洋深水油气开发是

破解我国能源安全风险难题的必然选择之一[1-2]。随着“深水”战略的逐步

实施，我国深水油气勘探开发业务蓬勃发展。井筒多相流动贯穿于钻完井整

个过程，包括钻井、固井、完井、测试等。传统的井筒两相、三相流动理论

经过了多年发展，能够准确模拟陆地和浅海钻完井过程中的流动问题[3-4]。

基于井筒多相流理论，实现了钻完井过程中井筒内流动状态的动态模拟，为

钻完井井筒钻井液动态当量密度及井眼清洁、井壁稳定等问题的水力参数

优化提供了理论依据，有效避免了钻完井过程中安全事故的发生。但是，较

之于陆地和浅海，深水钻完井却面临着许多新的工程难题，例如海底低温诱

发天然气水合物（以下简称水合物）生成、高温高压环境下存在的酸性气体

发生超临界相态变化，以及窄安全密度窗口导致井涌、井漏等复杂事故。上

述难题均与井筒多相流动密切相关，若要提高井筒多相流动的计算精度，就

需要在理论研究方面取得一定突破，进而对井筒多相流动理论提出了更高

的要求。深水钻完井过程中，井筒内是气相、液相、固相及超临界相四相共

存的复杂多相流动过程。其中，气相主要是产出的地层流体中包含的气体，

包括各种烃类与酸性气体；液相主要是指井筒内流动的各类钻完井液，包括

钻井液、完井液、水泥浆等；固相主要包括钻井过程中产生的岩屑、深水环

境下生成的水合物等；超临界相主要是指地层中产出的酸性天然气在高温

高压条件下形成的超临界态。流体在井筒中的流动过程受温度、压力变化的

影响，将发生气相与超临界相、气相与水合物固相之间的转换。此外，井筒

流体由井底向井口的流动过程中，在多相、多组分以及相态变化的综合作用

影响下，井筒内多相流存在着气泡流、弹状流、搅动流等多种流型之间的复

杂转换。因此，深水钻完井过程中井筒内流体流动是一个多组分、存在着相

变及流型转化的复杂四相流动过程。为了进一步揭示深水钻完井井筒多相

流动规律，笔者基于井筒四相流动理论，阐述了其在深水油气钻完井工程领

域的应用进展；然后，针对该理论在深水钻完井某些特殊工况下存在的局限

性，展望了井筒多相流动理论未来的发展趋势，以期为我国深水钻完井工程

的发展提供指导。

1深水钻完井井筒多相流面临的特殊问题

深水钻完井过程中，井筒流体在深水环境影响下呈现出与陆地钻井不同的

特征，从而导致深水钻完井井筒多相流面临特殊的问题。

1.1深水钻完井井筒交变温度环境

深水钻完井井筒处于海底低温、井底高温的交变温度场环境。通常，深水

[5]

海底泥线处温度较低，而泥线以下地层温度不断增加。深水特殊的温度、压

力环境对钻井过程中井筒内钻井液的流变性影响明显，对固井过程中水泥

浆的水化性能影响也显著，从而影响深水钻完井井筒多相流动过程。

1.2水合物相态变化

深水海床附近处于低温、高压环境，容易导致井筒内烃类气体与水结合生成

水合物。钻井过程中，水合物的生成会显著改变井筒内气体组分，从而影

[6]

响井筒多相流动特征和流动规律。在深水气井测试过程中，水合物的生成