一种钻井气侵过程中地层溶洞体积反演系统及方法

1.一种钻井气侵过程中地层溶洞体积反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：监测到气侵后，采取节流循环措施，每隔Δt时间，分别在 t 1 、 t 2 、 t 3 时刻记录井口回压、入口流量和出口流量；通过入口流量、出口流量计算泥浆池增量，基于泥浆池增量、气体溶解体积与气侵体积间的数学关系，结合气体状态方程，计算假设气侵质量流量；步骤二：获取井筒多相流动计算基础参数，建立气侵后钻井井筒瞬态多相流动模型与求解方法，确定模型求解条件；步骤三：将井口回压和假设气侵质量流量作为边界条件，代入多相流模型分别迭代求解0~ t 1 、 t 1 ~ t 2 、 t 2 ~ t 3 时间内的真实气侵质量流量，并反演 t 1 、 t 2 、 t 3 时刻的井底压力；根据 t 1 、 t 2 、 t 3 时刻的溶洞内气体状态方程与油藏模型，求解地层溶洞体积；以0~ t 1 的真实气侵质量流量计算过程为例，将步骤一的井口回压和假设气侵质量流量作为边界条件，通过多相流模型进行计算，得到0~ t 1 时间内每个时间步长的井底压力 ，根据梯形公式计算0~ t 1 时间内的井底压力平均值 ； （52）式中， i 为时间节点数； 为起始时间节点0处的井底压力，Pa； 为 i 时间节点处的井底压力，Pa； dt 为时间步长，s； N 1 为 t 1 时间内的时间节点数， N 1 = t 1 /dt；由多相流模型计算得到溶解度 R s 的分布情况，计算 t 1 时间内进入环空的钻井液高度，即发生过气体溶解的液柱长度 H R1 ，根据下式得到气体溶解量 V dis,1 ； （53）式中， j 为空间节点数； V dis,1 为0~ t 1 时间内气体溶解量，m 3 ； H R1 为0~ t 1 时间内进入环空的钻井液高度，m； R s,j 为 j 空间节点处的溶解度； A a 为环空横截面积，m 2 ； dz 为空间步长，m；由下式计算得到： （54）Z g 为气体压缩因子，无量纲；R为气体常数(8.314)，J/(mol·K)；T为气体温度，K； V L,1 为0~ t 1 时间内泥浆池中增加的体积，m 3 ；比较计算得到的气侵质量流量 q gas,1 和假设气侵质量流量 之间的误差，若误差满足： （55）则计算结束，输出0~ t 1 时间内的真实气侵质量流量 q gas,1 和 t 1 时刻的井底压力 P wf,1 ；否则，将 q gas,1 的值赋给 ，重新进行多相流模型计算；t 1 ~ t 2 、 t 2 ~ t 3 时间内的真实气侵质量流量 q gas,2 、 q gas,3 ，和 t 2 、 t 3 时刻的井底压力 P wf,2 、 P wf,3 ，计算与以上步骤相同；未发生气侵时，溶洞中初始气体质量为 m ，0~ t 1 、 t 1 ~ t 2 、 t 2 ~ t 3 时间内，流出的气体质量分别为 q gas ,1 Δ t 、 q gas ,2 Δ t 、 q gas ,3 Δ t ；由此可计算 t 1 、 t 2 、 t 3 时刻溶洞内气体剩余质量 m 1 、 m 2 、 m 3 ，设 t 1 、 t 2 、 t 3 时刻溶洞压力分别为 P v1 、 P v2 、 P v3 ；油藏模型采用线性产气模型：q gas = J ( P v - P wf )（56）J 为油藏模型产能指数，kg/(Pa·s)； P v 为溶洞压力，Pa；根据气体状态方程和油藏模型，得到以下方程组： （61）方程中R、T、Mg、Δ t 为常数； q gas,1 、q gas,2 、 q gas,3 为0~ t 1 、 t 1 ~ t 2 、 t 2 ~ t 3 时间内的气侵质量流量， Z g,1 、 Z g,2 、 Z g,3 、 P wf,1 、 P wf,2 、 P wf,3 为 t 1 、 t 2 、 t 3 时刻的气体压缩因子和井底压力，均通过多相流模型求解；联立以上6个方程求解 P v1 、 P v2 、 P v3 、 J 、 V 、 m ，从而得到溶洞压力 P v 、油藏模型产能指数 J 以及地层溶洞体积 V 。 2.根据权利要求1所述的钻井气侵过程中地层溶洞体积反演方法，其特征在于，步骤一中，假设监测到气侵时，气体刚好进入井筒，此时为 t =0时刻，井口回压 P c 为大气压；当监测到井底发生气侵后，在 t 1 、 t 2 时调节节流阀开度，并在 t 1 、 t 2 、 t 3 时记录井口回压、入口流量 Q in 和出口流量 Q out ；采集节流响应参数的时间间隔为Δt，0~ t 1 、 t 1 ~ t 2 、 t 2 ~ t 3 时间内的泥浆池增量，通过 t 1 、 t 2 、 t 3 时刻的出口流量和入口流量之差，乘以该段时间间隔进行计算；根据井筒体积恒定的规律，得到井底气侵体积与井口泥浆池增量之间的数学关系：V G = V L + V dis （1）式中， V G 为气侵体积，m 3 ； V dis 为气体溶解量，m 3 ； V L 为泥浆池中增加的体积，m 3 ；基于气体状态方程，得到Δ t 时间内的气侵质量流量为： （2）其中，M g 为气体摩尔质量，kg/mol； P wf 为井底压力，Pa；Z g 为气体压缩因子，无量纲；R为气体常数(8.314)，J/(mol·K)；T为气体温度，K；进行多相流动模型计算之前，假设气体溶解体积为 ；同时，Δ t 时间内的平均井底压力假设为初始井底压力；从而得到0~ t 1 、 t 1 ~ t 2 、 t 2 ~ t 3 时间内的假设气侵质量流量为： （3）式中， 为假设的气侵质量流量，kg/s； 为假设的气体溶解体积，m 3 。 3.根据权利要求1所述的钻井气侵过程中地层溶洞体积反演方法，其特征在于，步骤二中，获取井筒多相流动计算中的基础参数，包括井眼轨迹、井身结构、钻具组合、流体物性、初始温度分布、钻井泵参数，建立钻井井筒气侵后瞬态多相流动模型，计算井筒压力场、气液分布和溶解度分布；该模型包括气相质量守恒方程、液相质量守恒方程、气液两相动量守恒方程。 4.根据权利要求3所述的钻井气侵过程中地层溶洞体积反演方法，其特征在于，气侵段气相质量守恒方程为： （4）非气侵段气相质量守恒方程为： （5）液相质量守恒方程为： （6）气液两相动量守恒方程为： （7）式中， R s ，气体在钻井液中的溶解度，m 3 /m 3 ； A ，环空横截面积，m 2 ； q = q gas /Δ H q ，单位长度气侵质量流量，kg/(s·m)；Δ H q ，产气段深度，m；g，重力加速度，m/s 2 ； ρ gsc ，标况条件下的气体密度，kg/m 3 ； ρ g ，气体密度，kg/m 3 ； ρ l ，钻井液密度，kg/m 3 ； u g ，气体流速，m/s； u l ，钻井液流速，m/s； E g ，气体体积分数，无量纲； E l ，钻井液体积分数，无量纲； ，摩阻压降，Pa/m；B l 为钻井液体积系数，%；P为压力，Pa；z为垂直方向长度，m；采用有限差分法对上述多相流模型进行离散和求解，差分格式如下：气侵段气相连续性方程差分格式为： （40）非气侵段气相连续性方程差分格式为： （41）液相连续性方程差分格式为 （42）动量方程差分格式为： （43） （44） （45） （46）j为空间节点，无量纲；n为时间节点，无量纲；根据工程实际，确定模型 t =0、 t 1 、 t 2 时刻的初始条件与边界条件。 5.一种钻井气侵过程中地层溶洞体积反演系统，该系统应用于权利要求1所述的钻井气侵过程中地层溶洞体积反演方法，其特征在于，该系统包括节流响应参数采集部分、井筒节流循环控压部分和多相流动模拟软件部分；其中，节流响应参数采集部分包括入口流量计、出口流量计以及测量井口回压的压力传感器；入口流量计、出口流量计分别测量钻柱入口、环空出口处的实时流量，压力传感器测量井口回压大小，当井底发生气侵或者井口节流阀进行调节时，以上设备实时采集响应参数；井筒节流循环控压部分包括井口处气侵监测装置、节流管线、节流阀；气侵监测装置依赖于出、入口流量计的数据，当出口流量大于入口流量时，气侵监测装置会监测到气侵发生并发出警告；随后通过调节节流阀改变井口回压；系统还包括多相流动模拟软件部分，进行信息输入、模型计算与计算结果输出；出口流量计、入口流量计和压力传感器采集的节流响应参数，以及模型计算相关参数作为信息输入到软件中，软件进行溶洞体积计算，并将结果输出显示。