大港油田井下作业模拟井喷井组设计研究

【摘 要】为了适应井控教学要求，模拟井喷井组的建立已成为各油田培训员工井控水平的必备设施，大港油田井下作业公司为建立科学合理的井喷模拟设施，通过理论计算研究优选出了最佳方案。计算优选了试验井套管结构、井深、管柱结构，计算优选了气包井套管结构、井深，为工程的施实奠定了理论基础。

【关键词】井控；井身结构；模拟井喷；设计研究

0 引言

为了适应井下作业公司修井系统整体发展步伐，加快人才队伍建设，搞好人力资源储备，为井控培训、安全培训、修井队新增人员培训和原有职工分层次、按岗位进行规范化实际操作训练搭建平台，尤其是提高井控培训的有效性和针对性，提高井控培训效果以及应急实战能力，有效防止井喷及井喷失控事故的发生，为实现集团公司科学发展、和谐发展、安全发展、清洁发展奠定坚实基础，建立井下作业井控综合培训教学实验井。

1 问题提出及实现的功能

1.1 搭建井控模拟井控现场培训平台，实验井经过打压储能后，可进行井喷模拟。

1.2 模拟井喷教学井，配置全套井控装置和模拟井喷装置。

模拟井喷为：气侵——溢流——井涌——井喷等不同状态，模拟井喷高度10-15m、持续时间5-10min。

1.3 可实现的具体功能

（1）演示井控作业的全过程，即发现溢流——按程序关井；

（2）压井、节流管汇的功能设置及正确操作训练；

（3）控制系统的检查、功能设置和特殊情况下关井的操作训练；

（4）可演练一定条件下的特殊井控作业，如强行起下油管等；

（5）对现有井控装置的质量、性能进行测试；

（6）对部分工具或仪器进行试验。

2 方案设计思路及优选

2.1 设计思路

预先确定喷高和喷时，喷高—喷速—排量—模拟井容量—模拟井深度—钻井设备。喷高—喷速—喷压—气包井最高压力、气包井容量—选择压风机。

通过调研分析，选择大环空注气，小环空井喷方案，具体工作原理见下图1所示。

另外，本方案亦可以实现从钻杆内注气，小环空井喷！

3 理论基础及设计计算

3.1 实验井油管（钻柱）长度的计算

（1）如果从环空中喷出，气井工作压力18MPa

若认为井太深，空气压缩机压力大，成本高，可以采用增加钻柱配重的办法，在钻柱底部增加钻挺，降低井深。

基于这一思想，假设采用价格便宜的油管，加钻挺，井深控制在550m，空气压缩机压力10MPA可以马满足要求，则

若安装单流阀，则作用于油管向上的最大的力：

3.2 最小环形间隙摩阻的当量值计算

3.3 实验井井身结构及空气压缩机优选：

为了平衡重量，保证油管安全，因此井身结构为：

实验井套管、油管柱、钻柱组合可以选取：

空气压缩机工作压力可以选取10Mpa，以有效降低成本。

3.4 井喷高度和井喷时间设计与模拟

3.4.1 液体井喷喷高计算控制方程

3.4.2 质量流量计算控制方程

3.4.3 气体射流喷高计算：

根据不同的喷射高度，就可以计算环空喷射所需的最小喷速，进而可以计算气体的瞬时质量流量。

通过模拟计算，在2 7/8″-51/2″环空条件下，喷高为15m时，纯气体计算，出口的速度为122m/s。（a的数据应有试验确定，由于没有条件和时间试验，可能有一定误差）

3.5 储气井体积计算

计算过程：

3.5.1 气包井压力、体积设计

3.5.2 压力

考虑到井深360米，气包井压力在体积膨胀时的降低，气包井压力必须大于360m井底液柱压力。气包井的压力大小取决于大环空的体积。假设为等温过程，则

P1V1=P0V0

3.5.3 质量流量

下图1是利用计算机模拟的计算结果，条件是储气井井深300米。由图可以知道，开始气体质量流量较大，随着时间推移，流量减小，500s时，流量已经达到1kg/s，在考虑到压气机得最多工作压力10Mpa难以完全达到，因此，储气井的气体质量流量可能不能满足要求，建议设计两个储气井。

3.5.4 其他要求

由于气体进入井筒后先顶替出水，然后再是气液两相流，因此，喷到最后可能全是空气，此时，看不清井喷，可以在小环空内注入清水，使其随着气流雾化，可以有效模拟井喷过程。

气体从大环空进入小环空可以通过在5 1/2“套管底部接入一段筛管来实现。

3.6 井涌井喷时间模拟

3.6.1 计算方法

叠代求解：

3.6.2 井喷开始前时间计算（最先有气体到达井口时间）T2

水相连续性方程

3.6.3 模拟结果

假设储气井采用5 1/2“套管，井深300米，最大储气压力10Mpa，经计算得到质量流量与时间的关系式如下：

垂直点划红色横线左侧主要是水在涌出，右边主要是气体喷出。

模拟结果说明，在闸门全开的条件下，井涌时间大约在4-5分钟，井喷时间大致为6分钟。

为了延长井涌时间，可以采用节流阀控制过流量的办法来实现。

4 结论

（1）井喷模拟井井身结构：（2 7/8″）73.0油管×493m+（3 1/2″）钻挺×57m+（5 1/2″）？准153.67mm/？准139.7mm/？准127.3mm套管×550m+（7″）？准177.8mm/？准159.4mm套管×550m；

（2）要实现井喷高度15米和井喷时间10分钟，环空设计与模拟 5 1/2″—7″注入，环空2 7/8″— 5 1/2″喷出，需要储气井压力10Mpa，井筒体积V>9.35m3；

（3）给出了气体喷射流量随时间的变化模拟结果，可以设计两个储气井，气包井使用？准244.5mm套管，井深300m；

（4）空气压缩机额定工作压力可以选取10Mpa（或1500PSI），流量越大越好，他决定向储气井充气得时间，流量越大，额定压力越大，成本越大，可以根据投资情况决定；

（5）由于气体进入井筒后先顶替出水，然后再是气液两相流，因此，喷到最后可能全是空气，此时，看不清井喷，可以在小环空内注入清水，使其随着气流雾化，可以有效模拟井喷过程。注入水的注入泵的工作压力和流量不需要太大，建议在环空井口处注入，额定工作压力大于1Mpa，排量没有要求，只要有少许流量就可以。当然也可以利用泥浆泵小流量运行来完成。

【参考文献】

[1][美]约翰D.安德森（JohnD.Anderson）.计算流体力学基础及其应用[M].吴颂平，刘赵森，译.机械工业出版社.

[2]李杰，袁骐翼，翟芳芳，钻井及井控模拟装置研制及展望[J].天然气技术，2009年03期.

[责任编辑：王静]

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