煤层气羽状水平井充气欠平衡钻井环空流动特性研究

论文摘要

煤层气,俗称“瓦斯”,是煤矿瓦斯突出与瓦斯爆炸事故的主要根源,其主要成份甲烷的温室效应是CO2的20倍,直接排放到大气中严重污染环境。我国煤层气资源十分丰富,全国陆上煤田埋深浅于2000m的资源量为36.81×1012m3,“西气东输管线”又途经鄂尔多斯盆地、沁水盆地等6大主要煤层气富集区,因此对煤层气的合理有效开采既具备良好的经济效益和社会价值,又具有重要的战略意义。羽状水平井充气欠平衡钻井技术是近几年来国内外开展研究和应用的一项提高低渗储层煤层气采收率的新技术,利用该技术可以实现水平井煤层段欠平衡钻进,从而达到保护煤储层,减少煤储层伤害的目的。本文所研究的煤层气羽状水平井充气欠平衡钻井技术采用的是双井筒结构注气模式,即羽状水平井通过与之连通的临近直井注气来实现在煤层中的欠平衡钻进。在这种充气欠平衡钻井模式下,在水平井与直井连通注气以后的水平及分支井段钻进过程中,注气点以后的水平井筒环空内流体流动为液固两相流(钻井液、岩屑);注气点之前的主水平井直井段和水平井段环空内流体流动为多相流(钻井液、岩屑、注入气体)。本文结合现场井例首先建立物理模型、优选数学模型,以注气点以前的水平及竖直井筒环空内多相流流动为研究对象,以常规水平和竖直井筒内气液、液固两相流流动规律和气液固多相流流动规律为参照,结合井例基本参数,通过编程与数值计算,对不同钻井液排量和不同注气量条件下羽状水平井环空内各流体参数进行了计算和分析,阐述了各参数沿井深的变化规律,并结合欠平衡钻井工程要求,对不同环空注气量条件下钻井液排量及不同钻井液排量下的环空注气量进行了优化,通过与现场实际施工参数对比,初步验证了所建物理模型、所选数学模型及其计算结果的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出的目的和意义
• 1.2 充气欠平衡钻井基本概念
• 1.3 煤层充气欠平衡钻井的主要优缺点
• 1.4 充气欠平衡钻井技术的国内外发展现状
• 1.4.1 井筒多相流理论研究概况
• 1.4.2 欠平衡钻井技术国内外研究及应用概况
• 1.5 本论文主要研究内容及研究思路
• 第二章 井筒多相流动基础理论分析
• 2.1 井筒多相流动的有关物性参数
• 2.1.1 体积流量
• 2.1.2 质量流量
• 2.1.3 相体积分数
• 2.1.4 质量含气率（干度）
• 2.1.5 实际相速度
• 2.1.6 表观相速度
• 2.1.7 多相流体积流速（混相速度）
• 2.1.8 多相流动密度（混相密度）
• 2.1.9 多相流流体粘度（混相粘度）
• 2.1.10 滑动差和滑动比
• 2.2 井筒多相流的流动形态
• 2.3 井筒多相流的流动模型
• 2.3.1 均相流模型
• 2.3.2 分相流模型
• 2.3.3 漂移流动模型
• 2.4 井筒多相流的基本控制方程
• 2.4.1 质量守恒方程
• 2.4.2 动量守恒方程
• 2.4.3 能量守恒方程
• 第三章 环空内多相流体流动特征研究与分析
• 3.1 环空充气欠平衡钻井井筒多相流动物理模型的建立
• 3.2 基本假设条件
• 3.3 环空内多相流流动形态分析及判别准则
• 3.3.1 水平/倾斜井井筒环空内多相流流动形态分析及判别准则
• 3.3.2 竖直井筒环空内多相流流动形态分析及判别准则
• 3.4 数值模型的建立
• 3.4.1 多相流动系统连续性方程的建立
• 3.4.2 多相流动系统动力学方程的建立
• 3.4.3 环空内多相流体流动的压降计算方法
• 3.4.4 环空内多相流体流动的空隙率分析
• 3.4.5 环空内多相流体流动的摩阻分析
• 3.4.6 环空内多相流体流动携岩模型
• 3.5 数值模型的求解
• 第四章 充气欠平衡钻井环空注气量优化软件的编制与应用
• 4.1 软件的基本结构及功能
• 4.2 计算实例与计算结果分析
• 4.2.1 井例原始数据
• 4.2.2 井例环空流动特性参数的计算与分析
• 4.3 环空注气量与注气工艺的优化
• 4.3.1 环空注气量的优化
• 4.3.2 井例现场施工应用生产数据及其生产效果
• 4.3.3 环空注气工艺的优化
• 4.4 优化软件及优化注气工艺的应用
• 4.4.1 双井筒结构注气模式环空注气量优化
• 4.4.2 复合寄生管注气模式环空注气量优化
• 结论与认识
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢