使用挠性管进行欠平衡钻井的动态模拟.pdf

有蔓参鼓变化规律和工艺技术特点．这套装置主要包括举升气系统模式、多相水力学模式 储层与井眼相 互作用模 式 、钻井模 式、多相 流体 包括举升 气、产层 气、泥 浆．泡沫 流体 产层 的 气、油 ．水 以厦 钻屑 等 型式．本文介绍 了在使用挠性管进行欠平衡钻井过程中不同工观下的注气量时钻井作业的吝种影响． 并且提 出了实施史平衡钻井需要考虑的技术问题。 前 言 从经济和工程两个角度 出发，近几年欠平衡钻井应用的范 围逐年增加．欠平衡钻井的 最显蓍特点是可以防止 油层污染从而增加油井产量．在钻井 工程方面对 防止大量的泥浆漏 失和压差卡钻事故的发生．欠平衡钻井是一种十分有散的技术手段． 造成 油层损害的最重要 的原因是过高液柱压力所 引起的钻井或完井液 中的固相颗粒侵 入油层．而如何避免油层损害问题在水平井或定 向井施工中显得更为突出．这是 因为水平 段 或料井段 钻井、完井及测试所需要的产层裸露时间相对要更长一些，此时应用欠平衡钻 井更能充分发挥其优越性。 一一 常规的过平衡钻井通常 会发生泥浆漏失 问题 ，特别是在 裂缝性袖藏 问题 更加 明显．例 如，在典型的法赫德 F a h a d 油 田裂缝性碳酸岩 油层 采用常规的过平衡钻 井方法钻 水平井 时。在水平段漏入油层 2 5 0 0 0 m 水和 2 5 m 岩屑，这使得油井返排 时问长达 2 6个月。需要 较长的修井工期后才能获得较高的产量，井且严重漏失对油层造成了损害，导致了油井产 量的降低和开采期的缩短．为了解决这一问题．该油田已经利用普通钻机进行泡沫流体欠 平衡钻井的技术尝试． 为了最终获得欠平衡钻井作业的晟佳效益，应该对 以下 两方面的问题给 以特别重视， 一 是要保证人身和油井的安全．二是要白始至终维持欠平衡的作业条件．在水平井钻井时 更是如此． 曾经尝试过利用常规的对接 钻具再配上旋转 防喷器进行欠平衡钻井，并收到了一定的 效益．但 在操作及井控等力面还存在_小步问题．挠性管是一种不 同于常规钻 具的新型管子， 并 已在修井等作业 中投入生产性应用．挠性管是一根连续性 管柱，可以避免在接单根或起 钻时的压井作业，能够始终维持井下的欠平衡状态． 为 了获 得最佳经济效益，真正实现欠平衡钻井 ，必须掌握关于 欠平衡钻井多相流体动 维普资讯 第4 番茄】 明I 9 9 7 年3 月 后 珀 玷 并 工 程 力学方面的知识，这有助于提高欠平衡钻井工程设计水平，且有助于全面掌握钻井施工的 技术特点． 本文较系统地介绍了用于欠平衡钻井过程动态梗拟装置的构成、工作原理、模拟参敦、 对 比试验及结果分析等方面的内容． 模拟系统概述 固 l 是模拟装置示意图．钻井流体通过钻桂及下部工具副环空．钻井瘫体可以是液体 也可以是充气泥浆或者泡沫流体等其它类型，这要依据实际作业的需要而定． 臣1 羹拟装置示意啊 在井 眼环空钻井 流体 可能会与钻 属、地层流体 地层 油、气或水 以及从 地 面注入的气体 相混合而形成 多相流 体 ．如果这种多相流体所产生的液柱压 力过大，就会发生泥浆漏失 同题． 多相流体是通过 回压控制阙返回地 面的．该阀的作用是维持一定回压以使 钻井液流动平稳．并舱控翻井下压力达 到理想的状态． 随着井探的不 断增加，起下钻作业 是必不可少的．在菌下钻过程 中有可能 I 起流体 动力学类型的改变，包括井底 流场动力学和环空流体 动力学的改变． 此套装置上还配有地面压井管忙和 控制阀门，以在必要时往环空灌注钻井 液．增加涟柱压力或者弥补由于严重滑失所造成的液面降低． 以上所有物理过程都可在装置上进行模拟． 1 ．确定方程式 设定所有参数的变化仅随流动管绞的长度 即深度 而改变．下面给定的方程式所表达的 是在井下温度为已知敌时模拟过程中各流体参数的质量一动量守恒方程． 自由产层气质量守恒方程 芳 【A 卜 【A 卜 A ％ C1 注入的自由举丹气质量守恒 方程 。 ． ％ A 一 A 一 一 A 耀 恒 守 量 质 浆 泥 维普资讯 7 O 申璃臣使用挠性管进行欠平衡钻井的动态模拟 詈 A 1 一 】 一 【A 1 一 ， 】 3 溶解气质量守恒 方程 署 【A 卜 】 一 【A 1 一 口 x v tp I] 4 地层油质量守恒 方程 詈 【A 1 一 】 。 [A 1 一 】 A 5 地 层 水 质 量 守 恒 力 程 ’ 旁 [A 1一 】 一 暑 [A 1 一 口 户 f] A 6 钻屑质量守恒方程 暑 【A 1 ～ 】 一 手 【A 1 一 卜 A g 7 总动量守恒方程 。 署 【A 1 一 p tvl A v 一 【 P 卜 一 【1 一 峨 c o s 一 手 【 一 A a p ] 8 上面给出的 8个方程式古有 2 0个未知敖 、口 、 ‘d 、 工 ， ， 、 、 叮 ， 、 V 、 V 、 q q ／ 、 、 p、 、 ．要想解开上述 方程 蛆，至少还需要建立 1 2个方程式．这可以通过简化函数关系来建立。或者补充 以下条件 钻 井 流 体 密 度 ．D ， ， x ， ， ， 9 举升气密度 1 0 产层 气密 度 7 1 1 】 自 由 气 返 速 V p ， T ， d ， ， V h ， J 1 2 岩 屑 返 速 V ， ， V ， ， 】 1 3 ． 举 升 气 排 量 9 f 1 4 产层流 体排量 g P 户 ， r 1 5 单 位 时 间 产 生 的 岩 屑 量 吼 只 f 1 6 溶 解 举 升 气 排 量 【 ， x ， 12 ， 户 ， V J ， ， 1 7 产 层 气 单 位 时 问 溶 解 量菇 l ， ， ， 户 ， V ， ， V ， J 0 8 维普资讯 第 4丧第 1 髑1 9 9 7年 3月 |I 五． 盎譬 占井 工 程 7 摩阻 压 力损 失 I p ， T ， x ， ， v ， ， V q } 1 9 固 定 压 力 损 失 l T ， ， ， V ， ， ， 2 o 上述补充条件或者说函数方程是由一个参数或多个参 致组成的函数式．有些 函致式来 自于 已发表的研究成果，有些则是 由 R F R o g a l a n d研究中心通过模拟试验所证实的结论 ． 在利用所注入的的举 升气或使用来 自地层的产层气进行欠平衡钻井时，流体 的摩擦压 力损失与流体的流动模式、排量、摩 擦系数、流体性质 流动类型等多个参数之 间的关系 相 当复杂。必须对此状态下多相流体动力学理论及规律进行研究实验．这里是用 5 0 m 的循 环管线来开展近似水平井的多相流体动力学室内研究的，用 2 0 2 0 m 的直井和定 向井进行验 证．并依此对摩擦压力损失 的模式进行补充和修正． 2 ．曩I I 曩羹 模 型中所采用的数学处理 方法与过去研究报告中所提剜的菱本相同，其不周点是必须 对长井段的裸眼油层这一因素加以考虑．在模型中对环空气体注入系统，钻柱内的两相流 泡沫流体钻井、钻井过程中井深的增加以及提钻和钻井过程中钻头的运动状杰都 进行 丁考 虑．另外。在这套装置上设计有 x枧窗系统和 Mo t i f U s e r i n t e r f a c e系统． 3．榭 瞄 暴 圈 2显示了模拟实验井的并身结构及井眼轨迹，储层特性见表 l 、 2．在实际模拟中， 还进行 了两种降低流体静压力的实验． 1 充气泥浆 当需要特气体注入挠性管时将气体从立管注入，此时整个循环系统中的流体都是气体 和泥浆两相混和流． 套曹鞋位置一藩7 5 0 m 舞量井探 r n 6 0 0 - - 9 5 0 替盎事 m 2 1 ． 5 孔■度 ％ 2 0 惜层压力 P a 6 ． 5 量度‘ ℃’ ri o 藏伴类壁 油 油气 比 1 2 1 2 0 0 水饱和度 } 1 5 雁洁密度彻 8 9 7 木密虞 k 1 O 5 o 气体密度{ k g ／ m3 o 6 8 固2 ●掇宴鼍井■井身端枸与井一孰连 2 环空气体举升 气体是通过专设的 U 型管注入到井眼环空的．在这种情况下，仅在最探注气点 以上的 环空中才混有气体． 改变产层油气 比参数以模拟油井 与产层之间的相互影响情况．为了充分说明这种影 维普资讯 7 2． 申瑞 臣使用 挠性 管进行父平衡钻井的动态模拟 响，设计 了以下 四种模 拟工况 ①工况 I A低油气比地层的环空气体举升 ②工况 1 B高油气比地层的环空气体举升 工况 2 A低油气比地层的充气泥浆循环 ④工况 2 B高油气比地层的充气泥浆循环 将钻头下到测量井深 9 5 0 m处 垂直井深 7 0 7 m ， 井 筒内灌满钻井液，井底的液柱静压为 7 ． 6 MP a． 实验程序在以上四种给定工况中都是相同的， 主要 包括 ①建立 3 5 0 L ／ rai n的液体排量； 0气体排量按设计方案执行，前后要进行几次改变． 空气体举升实验时采用环空 u型管注入 ③调节气体注入量，或者调节回压控制月开启度， 井底压力等参数的变化情况，记录实验结果． 衰 2 t t v a宴鹭补充致据 视蒙密度【 H g ， r 1 1 0 0 塑性轱度0 nP 皇 s 1 1 5 脚噩位 P a 1 气悼类型 氰气 泥浆象捧量 I． ／ mi n 3 5 0 j 电 诅梯座 x t l 0 0 m ] 1 6 8 充气泥浆实验时采用立管注入；环 以测取井筒两端的泵压 井 口回压、 环空气体举升模拟 图 3是在工况 l A条件下的压力变化情况．所定的产层油气比为 l ．当以 1 4 1 ． 6 L ／ s 通 过 U 型管注入气体时．由于气体产生的低液柱压力使得井底压力开始下降，泵压也随之降 低． 从实验开始到 9 m i n这段时间内， 井底压力和泵压呈持续下降趋势． 直到实验进行到 9 rai n 后才稳定下来．继续延长实验时间，这两个压力值变化都很小． 实验进行到 1 5 ． 4 4 ra i n时还没有观察 mm 到有地层流体侵入井暇的现象．特气体 排 量从 1 4 I ． 6 L ／ s 增加到 1 6 5 ． 2 L ／ s，随着 - 气量的增加，压风机注入压力，泥浆泵 压力和井底压力在开始阶段都呈升高的 趋势，随后泥浆泵压力和井底压力逐渐 压 回落，其数值比气量增加前要稍微低一t I 1 些，但节流 闼处的 回压保持鞍高的数 值。在气量增加后进行到 2 8 rai n时，观 察到的产层油成分显示出产层的流体 已 n 经侵入井筒。产层油的成分分析如图 4 所示．这种情况发生在井的上部或水平 井段的上部，可通过图 5进行对比分析． 在这段时 间里的真空度如 图 6所示． 在实验进行到 2 8 ． 3 8 rai n时将气体注 r l 三 l *， 擞 t l 1 8 r a m， 一开胄虞3 2 ％ t ，2 4 7 m i n ． 开拍气体诖．捧置l 4 1 6 V s t -8 2 2 衄n ． 一开喜度3 1 ％ t I S 4 4 r c m a ．咻捧量“ 1 4 1 6 v l l 细捌 l 6 52 2 8 ． 咖 气体捧量从I 6 5 2 1 ／ B 增加爿2 1 2 4 l t t t d ． 2 2 r a m 悼捧量从2 l 2 ． 4 下降捌I 6 5 2 t 6 0 ． 8 4rain ．一 歼茸盅 3 5 ， ‘ f1 ． t o 蛆 ∞ 肿 ∞ 坤 喜 时目 mm 圈 3 T _ Z E1 A案件下压力壹． 匕 一线 量从 l 6 5 ． 2 L ／ s 增l力 口 到 2 1 2 ． 4 L ／ s．此时各压力的变化趋势与第一次增大气量时相类似．当 流体流态及参致稳定之后，再增加气量对井底压力的鼍 耋 响就非常小了． 实验进行到 4 7 ． 2 2 mi n时将气量从 2 1 2 ． 4 L ／ s再降到 1 6 5 ． 2 L ／ s．经过测试和对比发现， 维普资讯 第 4奄第 1 期l 9 9 7 年 3月 ． 『 五 抽 锗 井 工 程 实验时间在 t 4 7 1 rai n、 Qq 21 2 4 Us时和实验时间在 t 6 0 ． 7 5 rai n、 Qq 1 6 5 ． 2 L ／ s时这两 种情况下，井底压力的大小及变化曲线基本上相同． 鹫 t47．Dh1m{ 一 Ⅻ O t O n n_锕 Ol O 油且量考黩 气体体积摹t 嗣 6 工现 1 A E ； F I q 时闫曲气体体职囊藏 压 力 MT ,a 田 5 工提 t A在不同囊件下的井内压力变化■线 - ■ ’ 压 由 舯 f 田 Pl - 控一一并喜盔3 7 ％ t 2 ． o m m, l l I 4 1 6 拄气 1 ． 7 ．S mm笼■■开皇盘3 1 ％ t 。 I 5 5 Ⅱ 1 ． 气量从j 4 1 6 1 h r． ／ 加捌1 6 5 2 1 1 1 ‘ I 气量从1 6 5 ． 2 1 ／ 1 抽舅2 1 2 4 V ‘ - 4 7 7 q ． 1 ff j ,t ．2 ] 2 4 砖步茸] 6 5 2 】 ／ I ’ 66 。l n m t控■一开直崖3 5 ％ ▲．，● “ 。 “ 时 t ”。 圈7 工现 I B鲁件下压力变化线 在实验进行到 6 0 ．8 m i n时，增加回压控嗣阿的开房度．短时间后井底压力以非常慢的 速度逐渐下降． 在这一组模拟实验中，所选定的产层油气 比根低 1 2 ，并且 自始至终没有改变．产层 压力比较高而产量较低．因此，井眼中所台的气相几乎 1 0 0 ％1 b 地面注入的． 而井内液体 对产层的影响很小． 为了进一步研究所有参数之间的相互影喃关系，将产层油气比增大为 1 2 0 0 ，实验过 程与上述类似． 这是针对工况 1 B的条件而选定的． 圈 7所示是上述条件下的压力变化曲线 ． 这与图 2所示的TI 1 A条件下所显示的曲线图相类似，只是控制闫处的回压值有所不同 ． 维普资讯 7 4 申瑞 臣使用挠性管进 行欠平衡钻井的动态模拟 4 o o 一 m 1 ． 医 力 t a 0呻 l m O{0∞ 40帅 5 n蚰‘ 00 0 0 。 压力 a 田 8 工现 1 B条件下井内压力变化曲冀 “ t 。 ⋯ 田 9 工况 2 B豢捧下控q因素与压力关系线 当实验进行到 2 8 mi n时，将注入的气体排 量从 1 6 5 ． 2 L ／ s增加到 2 1 2 ． 4 L ／ s ．此时控制 阀处的回压显示出稳定升高的趋势当实 验进行到 4 7 rai n、气体注入量从 2 1 2 ． 4 Us 减 小到1 6 5 ． 2 L I s 时 以及在 实 验 进行 到 6 6 rai n 增加控制阀的开启度时， 控制 阀的回 压值 一直呈连续平 稳增长的趋势．之所以 造成这种结果可能是 因为丰富的地层气不 断涌入井眼所致． 图 8表示的是在不同时间时的井内压 力变化情 况．值得注意的是我们观 察到在 井深 7 5 0 m 以上．虽然井内压力随时问的 不同而有所下降，但下降幅度很小．几 乎 是保持不变．这种现象特有助于雏持井下 的欠平衡条件．由于此时油层的油气 比较 高，会使油层产生较高的气量． 充气泥浆钻井 在充气泥浆钻井过程 中气体是通过立 管直接充人到钻井液中的．图 9给出的是 在工况 2 B条件下 油气比高达 1 2 0 0时充气 泥浆钻井模拟过程中的压力变化 曲线．在 实验开始 】 m 时将氮气以 1 4 ] ， 6 I L ／ S 的排量 注入到钻井液中． 由于是通过钻柱注入气 体而不是通过环空举升的 u型管。因而整 个系统 中的摩 擦阻力损耗使得泵压立 印开 始上升．而环空 中产生的高的摩擦阻力损 失也使 得井底压力升高．无论是在直井段 还是辩井段。充入气体的泥浆到达环空之 前泵压 和井底压力一直是呈升高趋势，随 后即开始迅速下降，直到充入泥浆返 回地面使压力值达到相对稳定时为止．通过观察控制 阀处的回压发现，当压力迅速升高达到稳定后，泵压和井底压 力就 基本保持稳定状态并有 根小的下降趋势． 继续维持以上状态，直到实验进行到 4 9 ． 5 rai n，这段时间里可 以观察刘整个产层段都处 于欠平衡状态 井内的压力曲线如 图 l O所示，图 1 l表示的是怙柱 内和井跟环空的气体体积 系数 ． 在实验进行劐 4 9 ． 5 rai n时缓慢开启控制闷．开始阶段回压值碱小，但随矗仍恢复在原先 的数值 上．只是泵压和井底压力有比较小的下降． 维普资讯 第4畚第 1 朋1 9 9 7年 3月 后 擒 信 井 工 覆 7 5 t胁 圈 1 O 工况 2 B囊件下井内压力变化曲线田 气体体积秉敦 田 1 工冠 2 B蠡件下环空内气体体积曩量 在实验进行到 5 6 rai n时特注入气体排量从 1 4 1 ． 6 L ／ s 减小到 9 4 - 4 L ／ s ，泥浆泵压力值迅速 降低．这是由于流体的摩阻损耗降低以及 挠性管中液柱压力舟高所引葱的，此时井底压力 几乎保持不变．在实验进行到 7 2 mi n时特气体捧量进一步从 9 4 ． 4 L J s 降低列 4 7 2 L l s．各压 力的变化情况与从 1 4 1 ． 6 L l s 降低封 9 4 ． 4 L ／ s 时基本类似． 在油层存在油气 比的情况下，一旦形成欠平衡条件就会有大量的地层气体侵入井眼． 此时仅需要很小的气体注入量就可以维持欠平衡条件下的钻井作业． 对类似的实验在油气比为 l 2的产层条件下也进行了模拟，国 l 2就是此条件下的压力 变化曲线．井内压力 环空中气体体积系数的变化情况分别见图 1 3 、图 1 4 ． 时同 札 田 1 2 工覆 2 A囊． } 下控一因t 与压力变亿关綦线 压力 MP a 圈1 3 工提 7 ． A条件下不胃时一 内曲压力壹亿●缝 在通常情况下都可以观察到相类似的泵压和井底压力的变化情况．但是如果井内气量 维普资讯 7 6． 申瑚臣使用挠性管进行欠平街 钻井的 动态模拟 较小． 即如图 1 4 所示的环空气体体积系致较小时， 仅 能观察到井底压力增加的趋势 如图 1 3 所示 ．在实验的大部分时间里，只有水平段的上部井段处于欠平衡状态井因而使得地层的 水和油侵八井简．此时地层的流体对维持欠平衡条件不能起刊什 么作用．随着井眼中气量 的减小，井底压力升高，侵入井筒并返到井口的油及混合流体的量都会减少． 气体体积粟散 田 1 4 工摁 2 A螽件下不日对同内 盼气体体积系量 环空气体注入与充气泥浆 钻井两种类型的对比 从 上面的模拟实验结果可以得出这样 的结论在井 况、储层特性、钻井流体和 其它性 能参数不变的条件下．要想使井底 的压力得到相同幅度的下降，利用在钻杆 泥浆中充气的方法 比在环空中注气体的 方法所 需要的气量要小得多．这一现象的 形成主要取决于以下两方面的因素 ①环空中充入气体的钻井液所 占据的 垂直井段长度 ②摩擦压 力损失的太小． 在利用寄生管进行环空气体 注入时， 只是在最深的气体注入位置 以上的环空井段中是气液混合两相流体．要想达到设计所要求 的井底压力降就必需提供更高的注入气体排量，而更高的气体 注入量又相应地会引趋更大 的摩擦压力损失．在充气泥浆钻井中，整个循环 系统 中都是充入气体的两相钻井液．所充 入的较低的气体量所产生的摩擦压力损失也是比较小的． 在实际模拟实验中．井眼垂深 7 0 7 m．环空气体注入位置在井眼垂撂 5 5 0 m处．钻井液 密度 1 l O O k g ／ m3 。气体在井下的密度大约为 5 5 k g ．当气体体积系数达到 l 0 ％时，充气泥 浆比环空注八多出的 1 5 7 m 的垂直充气段持会使液柱压力下降 O ． 1 6 MP a．气体体积系数 占 2 0 ％时液柱压力下降 O ． 3 2 MP a ；气体体积系数如果达到 3 0 ％时液柱压力下降 0 ． 4 8 MP a ． r 几个相关同题的 论 依据前面所述各项模拟实验所得到的结果．有必要对欠平衡作业的两个方面的技术细 节进行认真分析讨论．主要集中在两个方面 ①储层特性 圆压风机 泥浆泵的操作运行程序． 从前边所述的模拟实验过程和结果来看，储层流体特性特别是油气 比数值的大小将对 欠平衡钻井作业的操作产生很大的影响．实验结果证明产层 出气量的大小直接肜响到举升 气体的总量和由模拟实验所确定 的地面注入气体的需要量，其髟响程度的大小将取决于多 个参数的综合效果，如储层特性 包括诸如产层渗透率，油气 比、水饱和度等 、储层段的裸 维普资讯 第4巷第 1期1 9 9 7年 ， 月 油 簟 占井 工 程 眼长度、井底负压值的大小和井眼轨迹等． 在实施欠平衡钻井作业时．使井眼一直处于理想的欠平衡状态是非常重要的，尤其是 在泥浆泵和压风机起动阶段更要特别注意莲一问题，在上述的环空气体注入和充气泥浆两 种状态下的模拟过程中，在气体注入的开始阶段井底压力上升，特别是在充气泥浆模拟时 这一现象显得更为明显．在实施充气泥浆钻井作业时，如果钻头确实位于井内垂直段或斜 井段液面以上时就需要开动泥浆泵和压风机进行循环． 围 1 5 l 寸 甸 mm 化曲线 另一个需要考虑的问题是排出井 口 环空的上返排量．图 1 5表示的是在工况 2 B 条件下 的充气泥浆钻井与工况 l B 条 件下的环空注气循环时在高产层油气 比 时的液体上返排量． 在实施上述两种作业 时，气体注入之 前的泥浆泵排量维持在 3 5 0 L t s。 控制阁开启度维持不动．从图上 可以明 显看出．在实施环空气体注入作 业、 气体没有返出井 口之前排出的液体排 量迅速增加， 而当气体返出井口之后液体 排量又迅速下降． 这种现象可能会造成地 面设备的短时间过载． 结 论 欠平衡钻井作业模拟装置是先进的．利用这套模拟装置可以进行多相水力学研究、欠 平衡钻井状态下产层与井眼之间相互影响的研究 及不同的气体举升模拟和钻井作业状态 模拟等．由于多种因素的相互髟响，达到和维持欠平衡作业条件是一个复杂的过程．研制 出的这套模拟装置对开展挠性管欠平衡钻井有非常重要的借鉴作用． 符号毫义 环 空童面 鲁 【 q a r噶 的自由举升气厦量建率 f 2 一 一 固定压力攮先系教 R压 目 堪 ‘ 气悻涪解连率 一_质量比搠 一气俸体积系教畦总气体体 数 a f q 口 下囊格0 一一 羁 - 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