井筒內(nèi)壓力失控將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，在國(guó)內(nèi)外均有典型案例。如2010年4月20日，BP在海灣的深水地平線鉆井平臺(tái)的井噴爆炸并沉沒(méi)事故，造成11人死亡，經(jīng)濟(jì)總損失達(dá)3000億人民幣。
早在1988年底，北海的ODECO半潛鉆井平臺(tái)井噴失火后，英國(guó)政府和挪威政府開(kāi)始要求在其臨海內(nèi)的鉆井作業(yè)，必須在開(kāi)鉆前進(jìn)行井筒壓力控制動(dòng)態(tài)模擬（簡(jiǎn)稱井控模擬），分析最壞情況，制定應(yīng)急預(yù)案，提交政府備案。
1989年在挪威政府和英國(guó)政府的支持下，井控動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)得以研發(fā)完成。它基于早期已經(jīng)開(kāi)始的多相流的理論研究，進(jìn)一步研發(fā)完成，并持續(xù)不斷進(jìn)行聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目驗(yàn)證和改進(jìn)。
動(dòng)態(tài)多相流模擬技術(shù)
在多相流流動(dòng)中，流體的特性比常規(guī)的泥漿要復(fù)雜。需要考慮的流體的特性包括：密度，壓縮性，粘度，靜切力，表面張力，熱焓，熱容量，熱傳導(dǎo)系數(shù)。
流體的特性常用狀態(tài)方程來(lái)表達(dá)。由于流體的復(fù)雜性，狀態(tài)方程需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)建立。它表明了流體在溫度和壓力作用下的相態(tài)變化，如圖1所示，Bubble point：泡點(diǎn)，在此溫度壓力下，液相中開(kāi)始產(chǎn)生氣泡。Dew point：露點(diǎn)，在此溫度壓力下，氣相中開(kāi)始產(chǎn)生液滴。
相態(tài)變化
圖1：流體的相態(tài)圖。
三大方程
第一方程：質(zhì)量守恒方程
從三大方程和流體物性可以看出，復(fù)雜的偏微分方程組的無(wú)法用一般解析方法求解。斯倫貝謝通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，建立數(shù)值求解模型，模型也經(jīng)受了大量工業(yè)項(xiàng)目考驗(yàn)和改進(jìn)。
全尺寸實(shí)驗(yàn)室和油田實(shí)驗(yàn)，不僅得到較準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)多相流動(dòng)態(tài)求解數(shù)值模型，也觀察到對(duì)井控十分重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可解釋實(shí)踐中難于解釋的問(wèn)題，如氣泡在井筒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，某些條件下，氣泡在井筒停止移動(dòng)。這對(duì)于制定壓井措施十分重要。如圖2所示，全尺寸實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。
斯倫貝謝的動(dòng)態(tài)多相流的研究成果，集成在動(dòng)態(tài)多相流模擬引擎中（OLGA），它已成為石油行業(yè)動(dòng)態(tài)多相流標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于管道的流動(dòng)保障分析中。基于OLGA 的井控動(dòng)態(tài)模擬，得到業(yè)界的高度認(rèn)可。
圖2：位于挪威斯坦萬(wàn)格的全尺寸鉆井試驗(yàn)場(chǎng)
井控的第一道關(guān)口- 鉆井窗口準(zhǔn)確預(yù)測(cè)
可靠的鉆井窗口是安全鉆井的基礎(chǔ)。斯倫貝謝的孔隙壓力預(yù)測(cè)與井壁穩(wěn)定性技術(shù)與軟件可以獲取窗口數(shù)據(jù)，包括孔隙壓力，破裂壓力，漏失壓力和坍塌壓力。對(duì)于新探區(qū)可采用地震資料，在鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)利用測(cè)井資料和鉆井資料，有多口已鉆井的情況下，可綜合利用多井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，鉆井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造，建立三維地質(zhì)力學(xué)模型，為新井和未鉆井眼提供安全的鉆井窗口預(yù)測(cè)，如圖3，圖4所示。
圖3：利用測(cè)井資料獲取鉆井窗口
圖4：在三維地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中，調(diào)整軌跡，優(yōu)化鉆井窗口
井筒動(dòng)態(tài)壓力模擬技術(shù)
將動(dòng)態(tài)多相流模擬技術(shù)應(yīng)用到井控動(dòng)態(tài)模擬中，增加考慮了鉆井的特點(diǎn)：
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鉆井動(dòng)態(tài)過(guò)程：包括鉆具旋轉(zhuǎn)、地溫隨深度變化、接單根、停開(kāi)泵等動(dòng)態(tài)因素；
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動(dòng)態(tài)溫度，包括：地溫梯度、水溫梯度、熱交換、鉆具旋轉(zhuǎn)的摩擦熱量、巖屑的熱量、泥漿、地層、鉆具、套管的熱力學(xué)性能等參數(shù)。
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三級(jí)井控，按照鉆井過(guò)程和控制的方法不同，給出滿足三個(gè)級(jí)別井控的用戶界面。
動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)能夠得出壓井專家需要的重要參數(shù)：氣體的上升速度；井筒內(nèi)混合物的密度；壓力和體積的變化；斷面含氣量；自由氣釋放點(diǎn)和釋放量；同時(shí)也給出壓井需要的排量，壓井液總用量，泵壓和套壓等壓井參數(shù)。
一級(jí)井控動(dòng)態(tài)模擬 一級(jí)井控動(dòng)態(tài)模擬，主要是模擬井筒內(nèi)的流體在各種動(dòng)態(tài)因素的作用下的產(chǎn)生的有效壓力，是否在預(yù)測(cè)的鉆井窗口之內(nèi)，從而避免垮塌、漏失、井涌、和井噴事件的發(fā)生。對(duì)于高難度井(深水、高壓、高溫、和大位移井),由于其鉆井窗口變得十分狹窄，更需要精細(xì)的動(dòng)態(tài)模擬，幫助制定施工措施，如泥漿密度選擇，排量選擇，起下鉆速度限制，井口回壓需求等。
模擬可以得到：井筒壓力動(dòng)態(tài)剖面，ECD動(dòng)態(tài)剖面，ESD動(dòng)態(tài)剖面等，如圖5所示.
典型應(yīng)用有：泥漿性能優(yōu)化，排量?jī)?yōu)化，控壓鉆井，雙梯度鉆井，溫度控制，熱膨脹等
圖5：ECD模擬，考慮壓力和溫度的影響
二級(jí)井控模擬 二級(jí)井控模擬模擬整個(gè)井涌發(fā)生與控制過(guò)程，包括溢流檢測(cè)，關(guān)泵，關(guān)BOP，開(kāi)節(jié)流閥，開(kāi)泵壓井等過(guò)程，在模擬時(shí)，可用自動(dòng)方式：即保持井底壓力或某指定點(diǎn)的壓力為恒定值，自動(dòng)控制節(jié)流閥。也可人工控制節(jié)流閥。模擬時(shí)刻隨時(shí)改變排量和泥漿密度等壓井參數(shù)。
二級(jí)井控模擬的突出特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)多相流模型對(duì)溶解氣的模擬，當(dāng)達(dá)到泡點(diǎn)后，溶解氣從油中或特殊的泥漿中分離出來(lái)，快速膨脹。
血的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，對(duì)于二級(jí)井控如果措施不當(dāng)，就會(huì)發(fā)展為三級(jí)井控，造成重大傷亡事故和經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)二級(jí)井控方案進(jìn)行模擬尤為關(guān)鍵。
斯倫貝謝的動(dòng)態(tài)井控模擬的動(dòng)態(tài)多相流技術(shù)，技術(shù)能夠模擬氣體在井筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的快速-慢速-甚至懸停等問(wèn)題，氣體的在特殊泥漿中的溶解和釋放等，如圖6所示。
二級(jí)井控的典型應(yīng)用包括：制定壓井方案，井涌強(qiáng)度與井涌允許量分析，空氣鉆井，欠平衡鉆井（圖7），評(píng)估套管下深，評(píng)估泥漿體系，評(píng)估油氣分離器能力和井控培訓(xùn)等。
圖6：井涌與控制過(guò)程甲烷在合成基泥漿中的溶解與解脫
① 泥漿罐增量②泵壓 ③井口氣體速度
② ④套壓 ⑤自由氣 ⑥溶解氣 ⑦套管鞋壓力
圖7：泡沫鉆井分析
三級(jí)井控動(dòng)態(tài)模擬 三級(jí)井控常常是它發(fā)生在或發(fā)生后導(dǎo)致極其復(fù)雜情況，如井噴時(shí)鉆具不在井，或無(wú)法關(guān)閉防噴器等。三級(jí)井控措施復(fù)雜，壓井參數(shù)難易準(zhǔn)確確定。
這種復(fù)雜情況常見(jiàn)于HTHP高產(chǎn)井，壓井液被高速流動(dòng)的氣體霧化成液滴，即使重泥漿返出井口，也不能達(dá)到平衡地層壓力的效果。在壓井過(guò)程的初始階段，井底壓力仍低于地層壓力，地層流體在繼續(xù)噴出。用什么樣的壓井排量，及需要壓井液的總量，壓井時(shí)間多少，泵壓有多高，套壓維持多大，何時(shí)才能平衡地層壓力，均是用常規(guī)經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單計(jì)算器難于計(jì)算出的。
如果用救援井壓井，救援井的結(jié)構(gòu)是否合理，壓井液的密度、排量、總用量和設(shè)備能力等，均需要三級(jí)井控模擬工具給出方案供專家選擇。
井控動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)能準(zhǔn)確提供這些復(fù)雜問(wèn)題的答案。如圖8所示，通過(guò)模擬可得到使用參數(shù)和壓井效果。
井控動(dòng)態(tài)模擬具有靈活的壓井方法，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，如正循環(huán)，反循環(huán)，頂推法，置換法，救援井法以及地下井噴，水下井噴等復(fù)雜井噴等。
圖8：井噴控制動(dòng)態(tài)過(guò)程
井噴應(yīng)急預(yù)案 在BP事故后，很多國(guó)家要求海洋石油鉆井開(kāi)鉆前必須提供井噴事故應(yīng)急預(yù)案。斯倫貝謝提供了一體化的救援井軌跡設(shè)計(jì)與應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì)。救援井軌跡設(shè)計(jì)綜合了國(guó)際上多年的救援井設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，考慮了測(cè)量誤差，老井眼探測(cè)技術(shù)等，如圖9所示；動(dòng)態(tài)模擬得到壓井的最小排量，壓井液用量，最高泵壓和功率，最大污染排放量，最大設(shè)備功率需求等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
圖9：救援井設(shè)計(jì)
應(yīng)用情況
案例1：美國(guó)政府對(duì)BP在海灣的Deepwater Horizon 的井噴爆炸事故調(diào)查報(bào)告中，采用斯倫貝謝的動(dòng)態(tài)多相流模擬技術(shù)，分析得出以下重要結(jié)論，參加圖10，圖11：(1).溢流通過(guò)套管內(nèi)流動(dòng)
。(2) 21.36分在地面給立管卸壓。（3）21:41關(guān)閉防噴器 ,但沒(méi)有密封
。（4）爆炸前至少井涌158方(油藏條件)。在BP的救援井設(shè)計(jì)中，也采用了斯倫貝謝的動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)進(jìn)行救援井壓井模擬，制定壓井方案。
圖10：爆炸前30分鐘泵壓模擬Data- 實(shí)際數(shù)據(jù)OWK –OLGA-KILL-WELL 模擬結(jié)果
圖11：模擬得到的井涌量，爆炸前地層共溢流1000桶，或158方
在BP 事故后，各主要海洋油氣開(kāi)發(fā)國(guó)的HSE當(dāng)局，要求制定深水井的應(yīng)急預(yù)案。截止目前，只有斯倫貝謝的動(dòng)態(tài)井控模擬技術(shù)產(chǎn)品-DRILLBENCH能夠做救援井設(shè)計(jì)
案例2：中國(guó)區(qū)域一口實(shí)際井，在關(guān)井的45小時(shí)期間，套壓壓力穩(wěn)定在44MPa。開(kāi)井壓井時(shí)，出口先流出大量泥漿，然后才有氣體并點(diǎn)火成功。說(shuō)明在關(guān)井的期間，氣體沒(méi)有移動(dòng)到井口。
在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法解釋氣體為什么氣體沒(méi)有上升到井口，井口壓力卻穩(wěn)定。
通過(guò)模擬得出：關(guān)井后，氣體穩(wěn)定在5700米使得井口壓力穩(wěn)定。這一結(jié)論也得到壓井實(shí)際泥漿頂替數(shù)據(jù)所驗(yàn)證。通過(guò)進(jìn)一步的模擬分析得出，如果泥漿性能改變，氣體將很快移動(dòng)到井口，如圖13所示。
氣體在泥漿中的移動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜，井身結(jié)構(gòu)，鉆具結(jié)構(gòu)，泥漿性能，井涌量，油藏流體物性等，等都影響氣體的移動(dòng)。斯倫貝謝經(jīng)過(guò)全尺寸的實(shí)驗(yàn)和油田實(shí)驗(yàn)給出這種復(fù)雜問(wèn)題的數(shù)值算法模型，并得到廣泛認(rèn)可【1】。這口國(guó)內(nèi)實(shí)例井模擬分析，進(jìn)一步說(shuō)明模擬結(jié)果的可靠性。
圖12：一口HTHP深井的關(guān)井實(shí)例模擬分析
參考文獻(xiàn)：
【1】 SPE 19451 OLGA動(dòng)態(tài)兩相流模型和應(yīng)用
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SPE/lADC 29342 氣體移動(dòng)的快-慢-停
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