考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法

本发明涉及石油天然气工程钻井，尤其涉及考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法。

背景技术：

1、控压钻井过程中，当地层天然气侵入井筒环空后，天然气可在井底高温高压环境下溶解于油基钻井液中。随着气侵流体沿井筒上返，井筒温度、压力和流速持续变化，溶解于油基钻井液中的天然气会逐渐发生析出。天然气析出会改变井筒内气相体积分数、混合物密度、流动状态和压力剖面，进而影响井口回压调控、井底压力保持和井控安全。

2、现有天然气溶解度计算方法多基于静态热力学平衡条件建立，通常认为井筒任一位置处的天然气溶解度能够瞬时达到由当地温度、压力和钻井液性质决定的平衡值。然而，在实际井筒上返过程中，天然气从油基钻井液中析出需要一定的传质时间。当井筒流体上返速度较高、离散井段内停留时间较短时，天然气实际析出过程可能滞后于平衡溶解度变化过程，导致实际析出位置相对于平衡模型预测结果发生滞后。

3、现有井筒压力预测方法多采用经验多相流关联式或常规气液两相流控制方程，通常将气相体积分数作为已知参数或由平衡析出量直接确定，未充分考虑天然气在油基钻井液中的非平衡溶解—析出过程。部分方法引入机器学习模型预测天然气溶解度，但该类方法主要面向平衡溶解度或静态物性预测，缺乏对井筒局部流速、流体停留时间和传质特征时间的物理约束，难以描述不同排量和不同井筒温压剖面下的天然气析出滞后行为。

4、因此，有必要提出一种将平衡溶解度预测、井筒局部流速、流体停留时间、传质特征时间和压力剖面计算相结合的油基钻井液天然气井筒压力预测方法，以表征流速诱导的非平衡溶解—析出过程，并提高油基钻井液气侵条件下井筒压力动态预测的适用性。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，用于控压钻井过程中考虑流速影响的油基钻井液中天然气溶解析出的井筒压力精准预测。

2、本发明是采用以下技术方案实现的：

3、考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，包括以下步骤：

4、s1，获取控压钻井井筒运行数据和平衡溶解度基础数据。

5、其中，井筒运行数据包括井深、井筒温度剖面、井筒压力剖面、钻井液排量、井眼尺寸、钻具尺寸、油基钻井液密度和井斜角。所述平衡溶解度基础数据包括不同温度、压力和油基钻井液密度条件下的天然气平衡溶解度。

6、s2，将井筒沿轴向划分为多个离散单元，计算第i个离散单元的局部环空过流面积、局部气液混合物体积流量和局部混合物流速。

7、其中，局部环空过流面积计算式为：

8、；

9、局部气液混合物体积流量计算式为：

10、；

11、局部混合物流速计算式为：

12、。

13、s3，根据离散单元长度和局部混合物流速计算流体停留时间：。

14、s4，根据局部混合物流速、环空水力直径、混合物流体密度、混合物流体黏度、天然气扩散系数和气液相接触比表面积，计算体积传质系数和传质特征时间：

15、；

16、；

17、；

18、；

19、；

20、。

21、s5，获取第i个离散单元的平衡溶解度，并根据上一离散单元非平衡实际溶解气含量、流体停留时间和传质特征时间，递推计算当前离散单元非平衡实际溶解气含量：

22、；

23、或表示为：

24、；

25、该式表明，当局部混合物流速增大时，减小，指数项衰减程度降低，天然气实际溶解气含量向平衡溶解度逼近的程度减弱，进而表征天然气析出滞后效应。

26、s6，根据相邻离散单元非平衡实际溶解气含量的变化量计算天然气析出量：

27、；

28、；

29、；

30、在一种实施方式中，当考虑上游离散单元已析出的游离气体继续上返时，第

i个离散单元的游离气体体积流量为：

31、。

32、s7，根据天然气析出量修正气相体积分数、气液混合物密度、气液混合物流速和井筒压力剖面：

33、；

34、；

35、；

36、。

37、s8，输出天然气析出位置、天然气析出量、气相体积分数分布和井筒压力剖面。

38、本发明的有益效果在于：

39、1.本发明将井筒局部混合物流速转化为流体停留时间，并通过流体停留时间与传质特征时间的比值控制天然气非平衡溶解—析出过程，能够表征油基钻井液中天然气析出滞后现象。

40、2.本发明并非直接采用温压平衡溶解度确定天然气析出量，而是以平衡溶解度为目标值，通过非平衡递推公式计算实际溶解气含量，从而能够区分不同钻井液排量和不同井筒流速下的析出差异。

41、3.本发明可根据非平衡析出气量修正气相体积分数、气液混合物密度和混合物流速，并进一步修正井筒压力剖面，适用于控压钻井井口回压调控和井底压力预测。

42、4.本发明可与 ls-boosting、随机森林、xgboost、支持向量回归或神经网络等平衡溶解度预测模型结合使用，但其核心在于流速诱导非平衡溶解—析出递推，具有物理约束和工程适用性。

43、5.本发明将通用多相流压力计算与非平衡析出量计算相耦合，避免单纯依赖经验流型判别或静态平衡假设，有利于提高复杂气侵条件下井筒压力预测的稳定性。

1.考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述平衡溶解度基础数据包括通过高温高压反应釜系统获得的油基钻井液天然气溶解度实验数据，所述实验数据包括温度、压力、油基钻井液密度和天然气平衡溶解度；其中，温度范围为30~160℃，压力范围为0~70mpa，油基钻井液密度范围为1.10~2.00g/cm3。

3.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述平衡溶解度由平衡溶解度预测模型获得，所述平衡溶解度预测模型以温度、压力和油基钻井液密度为输入变量，以天然气平衡溶解度为输出变量；所述平衡溶解度预测模型包括ls-boosting模型、随机森林模型、极限梯度提升模型、支持向量回归模型、神经网络模型中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述局部环空过流面积通过如下公式计算：

5.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述局部气液混合物体积流量和局部混合物流速分别通过如下公式计算：

6.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述流体停留时间通过如下公式计算：

7.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述体积传质系数和传质特征时间通过如下公式确定：

8.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述非平衡实际溶解气含量通过如下递推公式计算：

9.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述天然气析出量通过相邻离散单元的非平衡实际溶解气含量变化确定：

10.如权利要求1所述的考虑流速影响的油基钻井液天然气溶解析出压力预测方法，其特征在于，所述井筒压力沿轴向递推为：