井筒內壓力失控將導致災難性的后果，在國內外均有典型案例。如2010年4月20日，BP在海灣的深水地平線鉆井平臺的井噴爆炸并沉沒事故，造成11人死亡，經濟總損失達3000億人民幣。
早在1988年底，北海的ODECO半潛鉆井平臺井噴失火后，英國政府和挪威政府開始要求在其臨海內的鉆井作業，必須在開鉆前進行井筒壓力控制動態模擬（簡稱井控模擬），分析最壞情況，制定應急預案，提交政府備案。
        1989年在挪威政府和英國政府的支持下，井控動態模擬技術得以研發完成。它基于早期已經開始的多相流的理論研究，進一步研發完成，并持續不斷進行聯合工業項目驗證和改進。

        動態多相流模擬技術
       在多相流流動中，流體的特性比常規的泥漿要復雜。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，熱傳導系數。
流體的特性常用狀態方程來表達。由于流體的復雜性，狀態方程需要通過大量的實驗來建立。它表明了流體在溫度和壓力作用下的相態變化，如圖1所示，Bubble point：泡點，在此溫度壓力下，液相中開始產生氣泡。Dew point：露點，在此溫度壓力下，氣相中開始產生液滴。
 
相態變化

                
                     圖1：流體的相態圖。

  三大方程



  

第一方程：質量守恒方程




         從三大方程和流體物性可以看出，復雜的偏微分方程組的無法用一般解析方法求解。斯倫貝謝通過大量的實驗，建立數值求解模型，模型也經受了大量工業項目考驗和改進。
全尺寸實驗室和油田實驗，不僅得到較準確的動態多相流動態求解數值模型，也觀察到對井控十分重要的實驗現象，可解釋實踐中難于解釋的問題，如氣泡在井筒的運動規律，某些條件下，氣泡在井筒停止移動。這對于制定壓井措施十分重要。如圖2所示，全尺寸實驗場。
       斯倫貝謝的動態多相流的研究成果，集成在動態多相流模擬引擎中（OLGA），它已成為石油行業動態多相流標準，廣泛用于管道的流動保障分析中。基于OLGA 的井控動態模擬，得到業界的高度認可。
   
         
         圖2：位于挪威斯坦萬格的全尺寸鉆井試驗場

         井控的第一道關口- 鉆井窗口準確預測

        可靠的鉆井窗口是安全鉆井的基礎。斯倫貝謝的孔隙壓力預測與井壁穩定性技術與軟件可以獲取窗口數據，包括孔隙壓力，破裂壓力，漏失壓力和坍塌壓力。對于新探區可采用地震資料，在鉆井過程中實時利用測井資料和鉆井資料，有多口已鉆井的情況下，可綜合利用多井的測井數據，鉆井數據，結合地質構造，建立三維地質力學模型，為新井和未鉆井眼提供安全的鉆井窗口預測，如圖3，圖4所示。
        
         

         圖3：利用測井資料獲取鉆井窗口

         
          圖4：在三維地質力學環境中，調整軌跡，優化鉆井窗口
         

       井筒動態壓力模擬技術
       
       將動態多相流模擬技術應用到井控動態模擬中，增加考慮了鉆井的特點：

1. 鉆井動態過程：包括鉆具旋轉、地溫隨深度變化、接單根、停開泵等動態因素；
2. 動態溫度，包括：地溫梯度、水溫梯度、熱交換、鉆具旋轉的摩擦熱量、巖屑的熱量、泥漿、地層、鉆具、套管的熱力學性能等參數。
3. 三級井控，按照鉆井過程和控制的方法不同，給出滿足三個級別井控的用戶界面。

動態模擬技術能夠得出壓井專家需要的重要參數：氣體的上升速度；井筒內混合物的密度；壓力和體積的變化；斷面含氣量；自由氣釋放點和釋放量；同時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。
      一級井控動態模擬    一級井控動態模擬，主要是模擬井筒內的流體在各種動態因素的作用下的產生的有效壓力，是否在預測的鉆井窗口之內，從而避免垮塌、漏失、井涌、和井噴事件的發生。對于高難度井(深水、高壓、高溫、和大位移井),由于其鉆井窗口變得十分狹窄，更需要精細的動態模擬，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：井筒壓力動態剖面，ECD動態剖面，ESD動態剖面等，如圖5所示.
典型應用有：泥漿性能優化，排量優化，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
   
        二級井控模擬     二級井控模擬模擬整個井涌發生與控制過程，包括溢流檢測，關泵，關BOP，開節流閥，開泵壓井等過程，在模擬時，可用自動方式：即保持井底壓力或某指定點的壓力為恒定值，自動控制節流閥。也可人工控制節流閥。模擬時刻隨時改變排量和泥漿密度等壓井參數。
二級井控模擬的突出特點是動態多相流模型對溶解氣的模擬，當達到泡點后，溶解氣從油中或特殊的泥漿中分離出來，快速膨脹。
血的經驗教訓表明，對于二級井控如果措施不當，就會發展為三級井控，造成重大傷亡事故和經濟損失。因此對二級井控方案進行模擬尤為關鍵。
斯倫貝謝的動態井控模擬的動態多相流技術，技術能夠模擬氣體在井筒內的運動的快速-慢速-甚至懸停等問題，氣體的在特殊泥漿中的溶解和釋放等，如圖6所示。
二級井控的典型應用包括：制定壓井方案，井涌強度與井涌允許量分析，空氣鉆井，欠平衡鉆井（圖7），評估套管下深，評估泥漿體系，評估油氣分離器能力和井控培訓等。

           
                   圖6：井涌與控制過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

        三級井控動態模擬    三級井控常常是它發生在或發生后導致極其復雜情況，如井噴時鉆具不在井，或無法關閉防噴器等。三級井控措施復雜，壓井參數難易準確確定。
        這種復雜情況常見于HTHP高產井，壓井液被高速流動的氣體霧化成液滴，即使重泥漿返出井口，也不能達到平衡地層壓力的效果。在壓井過程的初始階段，井底壓力仍低于地層壓力，地層流體在繼續噴出。用什么樣的壓井排量，及需要壓井液的總量，壓井時間多少，泵壓有多高，套壓維持多大，何時才能平衡地層壓力，均是用常規經驗或簡單計算器難于計算出的。
如果用救援井壓井，救援井的結構是否合理，壓井液的密度、排量、總用量和設備能力等，均需要三級井控模擬工具給出方案供專家選擇。
         井控動態模擬技術能準確提供這些復雜問題的答案。如圖8所示，通過模擬可得到使用參數和壓井效果。
        井控動態模擬具有靈活的壓井方法，應對復雜的現場環境，如正循環，反循環，頂推法，置換法，救援井法以及地下井噴，水下井噴等復雜井噴等。
         
         
         圖8：井噴控制動態過程

        井噴應急預案  在BP事故后，很多國家要求海洋石油鉆井開鉆前必須提供井噴事故應急預案。斯倫貝謝提供了一體化的救援井軌跡設計與應急預案設計。救援井軌跡設計綜合了國際上多年的救援井設計和施工經驗，考慮了測量誤差，老井眼探測技術等，如圖9所示；動態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，最大設備功率需求等關鍵數據。
    
         
         圖9：救援井設計
    
         應用情況

       案例1：美國政府對BP在海灣的Deepwater Horizon 的井噴爆炸事故調查報告中，采用斯倫貝謝的動態多相流模擬技術，分析得出以下重要結論，參加圖10，圖11：(1).溢流通過套管內流動。(2) 21.36分在地面給立管卸壓。（3）21:41關閉防噴器 ,但沒有密封。（4）爆炸前至少井涌158方(油藏條件)。在BP的救援井設計中，也采用了斯倫貝謝的動態模擬技術進行救援井壓井模擬，制定壓井方案。

      

      圖10：爆炸前30分鐘泵壓模擬Data- 實際數據OWK –OLGA-KILL-WELL 模擬結果

      
      

     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，各主要海洋油氣開發國的HSE當局，要求制定深水井的應急預案。截止目前，只有斯倫貝謝的動態井控模擬技術產品-DRILLBENCH能夠做救援井設計
 
       案例2：中國區域一口實際井，在關井的45小時期間，套壓壓力穩定在44MPa。開井壓井時，出口先流出大量泥漿，然后才有氣體并點火成功。說明在關井的期間，氣體沒有移動到井口。
在現場無法解釋氣體為什么氣體沒有上升到井口，井口壓力卻穩定。
通過模擬得出：關井后，氣體穩定在5700米使得井口壓力穩定。這一結論也得到壓井實際泥漿頂替數據所驗證。通過進一步的模擬分析得出，如果泥漿性能改變，氣體將很快移動到井口，如圖13所示。
氣體在泥漿中的移動機理十分復雜，井身結構，鉆具結構，泥漿性能，井涌量，油藏流體物性等，等都影響氣體的移動。斯倫貝謝經過全尺寸的實驗和油田實驗給出這種復雜問題的數值算法模型，并得到廣泛認可【1】。這口國內實例井模擬分析，進一步說明模擬結果的可靠性。


        
        圖12：一口HTHP深井的關井實例模擬分析


參考文獻：
【1】  SPE 19451 OLGA動態兩相流模型和應用

1. SPE/lADC 29342 氣體移動的快-慢-停