毛良杰, 蔡明杰, 文小勇, 夏宏偉

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500; 2.川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司, 成都 610051; 3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院, 廣漢 618399)

中國(guó)西部蘊(yùn)藏許多含H2S的高產(chǎn)天然氣藏。然而，含H2S天然氣儲(chǔ)層的勘探開發(fā)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性和危險(xiǎn)性，例如，重慶“12·23”開縣井噴事故就造成了無法估量的損失[1-2]。H2S在井底處于超臨界狀態(tài)，進(jìn)入井筒的超臨界態(tài)H2S在沿井筒上升的過程中，一旦溫度和壓力降至H2S的臨界溫度和臨界壓力以下，H2S就會(huì)發(fā)生相變成為氣體。這將導(dǎo)致井筒中的環(huán)空流動(dòng)變得更加復(fù)雜，井筒壓力突然變化，大大增加井控難度，甚至導(dǎo)致井噴事故。由于H2S氣體具有劇毒性，溢流的不當(dāng)處理會(huì)造成巨大的危害[3-4]。隨著對(duì)石油天然氣能源需求的增長(zhǎng)，含H2S天然氣藏有待于進(jìn)一步開發(fā)。因此，研究含H2S天然氣井井筒動(dòng)態(tài)溢流特性對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)和井控工作具有重要意義。

近年來，許多中外學(xué)者對(duì)井筒氣液兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。先前的研究指出垂直井筒中的流動(dòng)模式主要可分為泡狀流、段塞流、攪動(dòng)流和環(huán)狀流的四種流動(dòng)模式[5-6]。一些學(xué)者還對(duì)油氣井筒多相流關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算模型進(jìn)行了改進(jìn)。Lei等[7]建立了考慮氣液比的三次回歸模型，模型測(cè)試結(jié)果表明，該模型提高了多相流壓力梯度的預(yù)測(cè)精度，平均預(yù)測(cè)相對(duì)誤差降低到7.66%。Ahmadi等[8]建立了一種低參數(shù)模型對(duì)采油井垂直多相流井底壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算結(jié)果表明，模型估計(jì)與相關(guān)的實(shí)際BHP數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差小于6%。Pan等[9]利用漂移流動(dòng)模型，給出了等溫條件下通過井筒的穩(wěn)態(tài)可壓縮兩相流動(dòng)的解析解，描述了井筒中兩相流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)行為。Yin等[10]基于氣液兩相流理論建立了基于觀測(cè)模型的環(huán)空氣驅(qū)多相瞬態(tài)流動(dòng)模型，得到了鉆井液池增量、井底壓力和含氣率的變化規(guī)律。文濤等[11]考慮非平衡時(shí)間的影響，建立了非平衡氣-水-油三相相變的井筒多相非平衡流模型，分析了凝析氣井的井筒流動(dòng)規(guī)律和動(dòng)態(tài)變化過程。高永海等[12]考慮水合物分解和相變熱的影響,建立了水合物層鉆井中的井筒多相流動(dòng)模型和傳熱模型，研究結(jié)果表明，增大鉆井液排量,水合物臨界分解位置降低,整個(gè)井筒中氣體體積分?jǐn)?shù)降低。然而，在沿井筒流動(dòng)過程中，溫度和壓力的變化將導(dǎo)致H2S溶解度降低，進(jìn)而引起H2S的相變和井筒中流動(dòng)參數(shù)的變化。這將導(dǎo)致含H2S氣井流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。從目前的研究現(xiàn)狀來看，考慮到含H2S天然氣井溢流過程中H2S溶解度變化和相變析出的井筒動(dòng)態(tài)流動(dòng)模型還很缺乏，對(duì)含H2S天然氣井動(dòng)態(tài)溢流過程的認(rèn)識(shí)還不夠深入。

本文考慮H2S在井筒中的相態(tài)變化，建立了含H2S氣井井筒動(dòng)態(tài)溢流模型，采用有限差分法對(duì)模型進(jìn)行求解，并參考相關(guān)文獻(xiàn)驗(yàn)證了模型的有效性。編制MATLAB程序，結(jié)合四川某含H2S天然氣井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)模擬含H2S天然氣井動(dòng)態(tài)溢流過程，并將模擬結(jié)果與不含H2S氣井進(jìn)行對(duì)比分析，為合理精確地控制含H2S天然氣井溢流提供一定的參考。

1 考慮H2S相變的動(dòng)態(tài)溢流模型

1.1 連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量守恒方程

為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，基本假設(shè)如下：①垂直井筒內(nèi)的氣體和鉆井液流動(dòng)是一維的;②忽略鉆井液壓縮性;③控制單元內(nèi)氣、液相連續(xù);④忽略環(huán)空偏心的影響。在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上，可以得到簡(jiǎn)化的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，控制單元的流出質(zhì)量減去流入質(zhì)量等于控制單元質(zhì)量的變化。因此，氣相和液相的連續(xù)性方程可以表示如下：

(1)

(2)

根據(jù)動(dòng)量守恒定律，可以得到動(dòng)量方程為

(3)

根據(jù)能量守恒定律，可以得到鉆柱內(nèi)和環(huán)空和環(huán)空溫度場(chǎng)模型如下。

(1)鉆柱:

(4)

(2)環(huán)空:

(5)

1.2 邊界條件和初始條件

1.2.1 初始條件

溢流開始時(shí)刻，天然氣不進(jìn)入井筒，鉆井液填充整個(gè)井筒。因此，可以得到正常鉆井條件下井筒內(nèi)的壓力和速度分布，作為井涌的初始條件。

(6)

式(6)中：h為井深, m;Ql為泥漿排量, L/s；A為環(huán)空橫截面積，m2；Pb為初始井底壓力，MPa。

1.2.2 邊界條件

井口壓力等于大氣壓力，井筒內(nèi)總流量等于鉆井液流量和氣體侵入流量之和。此外，在鉆井工程中，一旦鉆井液池增量達(dá)到一定的閾值，鉆井工程師就立刻執(zhí)行關(guān)井操作。因此，邊界條件可以設(shè)置為

(7)

其(7)中：Vpg為關(guān)井時(shí)刻鉆井液池增量, m3;P0為井口大氣壓, MPa；Qg為井底進(jìn)氣量，m2/s。

至此，最主要的控制方程已經(jīng)建立，氣體漂移方程、氣侵量計(jì)算方程、流態(tài)判別方程等輔助方程的相關(guān)計(jì)算可參考文獻(xiàn)[13]。

2 算例分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取四川某含H2S氣井為對(duì)象研究含H2S氣井溢流特性，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1。另外，空間步長(zhǎng)選取為定值60 m，時(shí)間步長(zhǎng)仍采用非均勻格式，跟蹤多相流前沿，根據(jù)氣體上升速度以及該處空間網(wǎng)格長(zhǎng)度，由式(8)求出時(shí)間步長(zhǎng)為

(8)

利用建立的模型，編制MATLAB程序，可以對(duì)該含H2S氣井溢流過程進(jìn)行模擬，另外，利用該井相關(guān)計(jì)算參數(shù)，模擬該井不含H2S情況下溢流過程，并將模擬結(jié)果與含H2S氣井進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 某含H2S氣井相關(guān)計(jì)算參數(shù)

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 多相流特性分析

圖1是當(dāng)氣井含H2S和不含H2S情況下溢流關(guān)井后環(huán)空含氣率以及流型分布示意圖。由圖1(a)可以看出，在氣井不含H2S溢流過程中，環(huán)空含氣率極值在0.53左右，關(guān)井后，氣體上升到距離井口280 m左右位置處，環(huán)空流態(tài)分布從井底到井口依次是泡狀流、段塞流、攪動(dòng)流和純液相流動(dòng)。然而，由圖1(b)可以看出，在氣井含H2S溢流過程中，環(huán)空含氣率極值在井口位置接近于1，純液相流被環(huán)狀流所取代。此外，攪動(dòng)流在環(huán)空所占據(jù)的長(zhǎng)度更長(zhǎng)。這是因?yàn)椋涸谘鼐采仙倪^程中，隨著溫度和壓力的不斷降低，H2S的溶解度不斷降低，當(dāng)溫度和壓力降低至H2S臨界溫度和臨界壓力以下時(shí)，H2S由超臨界狀態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，井內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)急劇增加，并且越接近井口位置，H2S溶解度降低越快，氣相體積分?jǐn)?shù)增加越多。當(dāng)含氣率增加，環(huán)空流型也隨之改變，環(huán)狀流在接近井口位置處出現(xiàn)。

圖1 氣井含H2S和不含H2S情況下溢流關(guān)井后環(huán)空含氣率以及流型分布Fig.1 Gas void fraction and flow pattern distribution of normal gas well and H2S-containing natural gas well at shut-in time

圖2(a)為氣井含H2S和不含H2S情況下壓力分布及溫度分布隨井深變化圖?？梢钥闯?，在井筒內(nèi)，溫度和壓力都隨著井深的降低而降低。在含H2S氣井內(nèi)，段塞流型所占據(jù)的空間更小，攪動(dòng)流在環(huán)空分布更長(zhǎng)，在靠近井口位置處甚至出現(xiàn)了環(huán)狀流。這種現(xiàn)象也可以由以下原因解釋：在含H2S氣井溢流過程中，井筒溫度在同一位置相對(duì)穩(wěn)定，由于上部井段H2S的析出，導(dǎo)致環(huán)空壓力下降的更加迅速，環(huán)空流型轉(zhuǎn)化相對(duì)于不含H2S氣井有所提前。

由圖2(b)可知，在含H2S氣井中，相同時(shí)刻和相同位置處，氣體密度相比不含H2S氣井內(nèi)更低，而多相流的特點(diǎn)是密度較大的氣體氣液間滑脫速度較小[14]，因此，在深部井段，含H2S氣井內(nèi)氣體速度更高，如圖2(c)所示。然而，當(dāng)H2S析出后，氣體體積急劇膨脹，導(dǎo)致氣液之間摩阻急劇增加，如圖2(d)所示，此時(shí)，在含H2S氣井內(nèi)，氣體受到阻力增大，速度降低。因此，相比不含H2S氣井，氣體在含H2S氣井內(nèi)在深部井段上竄更快，在淺層段上竄更慢。

圖2 氣井含H2S和不含H2S情況下環(huán)空壓力和溫度、氣體密度、氣體速度、摩阻壓降變化Fig.2 Annular pressure, temperature, gas density gas velocity and frictional drag of normal gas well and H2S-containing natural gas well

2.2.2 工程應(yīng)用分析

由圖3可以看出，井底壓力隨溢流時(shí)間不短降低，尤其到了溢流后期H2S析出后，井底壓力下降趨勢(shì)迅猛增加，而關(guān)井套壓變化趨勢(shì)則恰好與井底壓力相反。此外，在含H2S氣井中，井底壓力在溢流后期下降比不含H2S氣井更加迅速，與之對(duì)應(yīng)的關(guān)井套壓則上升更加迅速。這是因?yàn)椋涸谝缌骱笃?，H2S析出直接引起含氣率的突增，氣泡在井筒內(nèi)占據(jù)了更多的體積，導(dǎo)致井底壓力快速下降，關(guān)井套壓迅速增加。

圖3 井底壓力、關(guān)井套壓隨溢流時(shí)間變化Fig.3 Variation of bottom hole pressure and shut-in casing pressure with time

圖4是鉆井液池增量隨溢流時(shí)間的變化圖?？芍?，鉆井液池增量在溢流初期上升較快，隨后上升幅度降低，在溢流的后期，鉆井液池增量又出現(xiàn)突增。這主要是由于：鉆井液池增量的變化直接受到含氣率的影響，因此，氣變化趨勢(shì)與含氣率變化趨勢(shì)大致相同。在溢流后期，由于H2S的析出，含氣率突增，氣體急劇膨脹，鉆井液池增量也隨之急劇增加。

2.3 討論

超臨界狀態(tài)H2S在靠近上部井段的井筒內(nèi)發(fā)生相態(tài)變化，井內(nèi)溫度壓力降低到其臨界溫度和臨界壓力之后H2S由超臨界狀態(tài)瞬間突變?yōu)闅鈶B(tài)，導(dǎo)致井筒內(nèi)含氣率的瞬間增加，引發(fā)了含H2S氣井的鉆井液池增量在短時(shí)間內(nèi)急劇增加。由于H2S發(fā)生相變的位置通常靠近井口，因此預(yù)警時(shí)間短，造成井控困難，溢流一旦發(fā)生，很可能引起井噴事故。此外，由于H2S的相變帶來的井底壓力迅速降低，加大了井底壓差，會(huì)進(jìn)一步引起氣侵量的增加，加劇溢流嚴(yán)重程度，而關(guān)井套壓的迅速增加也會(huì)威脅井口設(shè)備安全，加大井控操作的難度。所以，天然氣井鉆井過程中，含H2S氣井的溢流往往比不含H2S氣井更難檢測(cè)和處理，危險(xiǎn)性更高。因此，在H2S氣井的鉆井和生產(chǎn)過程中，井底壓力、鉆速、泵壓、泵速、鉆井液池增量等參數(shù)都應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，此外，可以在井口施加一定回壓來抑制H2S氣體的迅速膨脹，減緩井噴的發(fā)生[15-16]。

3 結(jié)論

建立了含H2S氣井的井筒動(dòng)態(tài)溢流模型，結(jié)合四川某含H2S天然氣井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)模擬了含H2S天然氣井動(dòng)態(tài)溢流過程，并將模擬結(jié)果與不含H2S氣井進(jìn)行對(duì)比分析?；窘Y(jié)論如下。

(1)H2S在上部地層井段發(fā)生相變并直接引起含氣率的突增。泡狀流、段塞流、攪動(dòng)流和環(huán)狀流是含H2S氣井溢流過程中的主要流型。氣體在含H2S氣井井筒內(nèi)膨脹更快，環(huán)空流型轉(zhuǎn)化更加迅速。

(2)H2S的相變導(dǎo)致環(huán)空壓力的下降更加迅速，相同的溢流時(shí)間內(nèi)，關(guān)井時(shí)刻鉆井液池增量增加更明顯。在溢流后期階段，含H2S氣井內(nèi)井底壓力比不含H2S氣井下降更快，關(guān)井套壓上升更加迅速，進(jìn)一步加劇了溢流程度，加大了井控難度，井噴危險(xiǎn)大大增加。

(3)天然氣井鉆井過程中，含H2S氣井的溢流往往比不含H2S氣井更難檢測(cè)和處理，危險(xiǎn)性更高。在H2S氣井的鉆井和生產(chǎn)過程中，井底壓力、鉆速、泵壓、泵速、鉆井液池增量等參數(shù)都應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。