深水动态压井钻井技术及水力参数设计.pdf

第 3 2卷 第 5期 2 0 1 0年 9月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PR0DUCTI ON TECHNOLOGY V0 I ． 3 2 No ． 5 S e p．2 01 0 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 0 0 5 0 0 0 8 0 5 深水动态压 井钻 井技 术及水 力参数设计 高永海 孙宝江 赵 欣欣 徐 鹏 中国石油大学石油工程学院， 山东青 岛2 6 6 5 5 5 摘要深水钻井中钻遇浅层流十分危险， 动态压井钻井方法是处理深水钻井浅层流问题的一种有效手段。文中从原理、 特 点 以及关键装备等几个方面对动 态压井钻井方法进行 了介绍 ， 并结合 工艺流程 ， 通过理论分析 ， 得 到 了钻井液密度、 排量、 混配 比， 钻井液需求总量以及泵压、 泵功率等参数的计算方法。计算结果表明， 对井底压力起主要作用的因素是密度， 需要精确控制 与混配， 在相 同压力务件下 ， 先钻小尺寸的领 眼容 易在排量满足要 求的条件下控制浅层流。 关键词 动 态压井钻井 ；浅层流 ；深水 ；控制；水力参数 中图分类号 T E 5 2 文献标识码 A St u dy o n Dy n a mi c Ki I l Dr i l l i n g t e c h no l o g y i n d e e p wa t e r dr i l l i ng G A 0 Y 0 n g h a i， S U N B a a n g ， Z H A 0 X in x in ， X U P e n g S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o f P e t r o l e u m Hu a d o n g ， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s d a n g e r o u s t o me e t s h a l l o w g a s d u r i n g d e e p wa t e r d r i l l i n g ． I t i s a n e f f e c t i v e me t h o d t o h a n d l e t h e p r o b l e ms c a u s e d b y s h a l l o w fl o ws wi t h D y n a mi c K i l l D r i l l i n g D K Dme t h o d i n a s a f e a n d s u c c e s s f u l o f f s h o r e d r i l l i n g o p e r a t i o n ． B a s i c f u n d a me n t a l ， c h a r a c t e r i s t i c a n d k e y f a c i l i t i e s o f DKD a r e i n t r o d u c e d ． Ba s e d o n t h e p r o c e s s o f DKD a n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， t h e c o mp u tat i o n me t h o d o fh y d r a u l i c p a r a me t e r s a r e o b t a i n e d t h a t d e a l wi t h k i l l fl u i d d e n s i t y , d i s c h arg e r a t e ， mi x i n g r a t i o ， t o t a l v o l u me o f mu d ， p u mp p r e s s u r e ， a n d p u mp e ffi c i e n c y e t a 1 ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e k e y f a c t o r o f b o t t o mh o l e p r e s s u r e i s mu d d e n s i t y , a n d p i l o t h o l e i s i mp o r t a n t t o c o n t r o l s h a l l o w fl o ws wi t h o u t t o o l a r g e o f mu d fl o w r a t e ． Ke y wo r d s d y n a mi c k i l l d r i l l i n g ； s h a l l o w fl o w； d e e p wa t e r ； c o n t r o l ； h y d r a u l i c p a r a me t e r 深水海底 常常潜伏着 高压浅层 流 。 。海底浅 部地层地质年龄轻 ， 压实时问短 ， 地层渗透率一般较 高。通常欠压实层的高渗透率使得高压层内地层水 以很高的流速流 向低压 区， 即浅部水层 的井涌。浅 部水层井 涌是许 多钻井问题 的起 因， 表现 为钻井 、 下套管固井出现困难， 严重时会导致井眼坍塌甚至 引起海底沉降 ， 还可能导致油井报废。浅层气埋藏 在浅部地层 ， 俗称 “ 鸡窝气 ” ， 是蕴藏在海床面以下 8 0 0 1T I 范围内未胶结地层中的天然气。浅层气井喷 有如下特点 易发生 ， 速度快 ；处理 困难；危害大； 允许波动压力低 ； 预见性差。 在钻遇浅层流时 ， 不仅没有技术套管 ， 而且通常 还没有下表层套管 ， 所以无法安装防喷器系统， 没有 防喷器情况下钻遇浅气层风险很大。此时， 常规的 借助井 口装置产生回压来平衡地层压力的压井方法 就不再适用 。一种新技术动态压井钻井 D KD 技术由贝克休斯公司提出 ’ ， 该技术通过将加重 钻井液与海水以一定 比例混合 ， 得到不同密度的钻 井液迅速泵人井筒 ， 结合环空摩阻的作用控制井底 压力 ， 防止浅层井涌并控制井漏与井壁坍塌。动态 压井钻井法 的提 出， 为解决浅层流问题提供了一个 很好 的解决办法 ， 但是当前关于该方法仅局限于概 基金项 目国家支撑计 划项 目 2 O O 8 B AB3 7 BO 2 ， 国家 自然基金 5 0 8 7 4 1 1 6 ， 山东省 自然基金 Z 2 0 0 7 A0 1 ， Y2 0 0 7 A3 2 ， z R 2 o 0 9 F Qo 0 5 联 合资助。 作者简介 高永海 ， 1 9 7 7年生。主要研 究方向为油 气井流体力 学与工程 、 海 洋石 油工程 ， 实验 师、 博 士。电话 0 5 3 2 8 6 9 8 1 9 2 7 ， E ma i l u p c g a o y h 1 2 6 ． c o m。 高永海等 深水动态压井钻井技 术及水力参数设计 9 念 I生介绍 ， 没有对相关工艺参数进行设计与计算 ， 文 中介绍了 DK D方法过程中采用 的装备 ， 并结合具体 工艺 ， 通过理论推导 ， 给出了基本水力参数的计算方 法 ， 为该钻井方法的实施提供 了理论基础。 1 D KD 技术特点与优势 Te c hn i c a l c h a r a c t e r i s t i c a n d a dv a n t a g e s o f Dy n a m i c Ki l l Dr i l l i n g D KD的实质是按 比例用海水混合加重钻井液基 浆， 使之达到预先设计好的大排量钻井液密度和流变 性要求 ， 通过改变海水和加重钻井液基浆的混合 比 例， 改变经 DK D设备出来的钻井液的密度和流变性 。 其工作原理与固井作业中的自动混浆原理相似， 根据 作业需要 ， 可随时将预先配置好的高密度压井液与正 常钻进时的低密度钻井液或海水， 通过 自动控制密度 的混浆装置 ， 自动调节到所需要 的密度 ， 实现连续不 断地 向井 内泵送钻井液。在钻进作业期间， 只要监测 到井下有地层异常高压 ， 就可以通过人为输人工作指 令， 该装置就可以立即送 出所需要 的高密度大排量钻 井液 ， 不需要循环和等待高密度钻井液 ， 真正意义地 实现边作业边加重的动态压井钻井作业 。 DK D钻井与平常钻井不同在于用加重钻井液 基浆 海水混合 ， 形成满足预先设 计要求钻井液 密 度连续钻进 的方法 ， 代替 以往常规的海水钻进 稠 钻井液一段 一段 的钻进与替入。DK D 技术本质上 是一种双梯度钻井方式 ， 适用 于未 下隔水管前 的钻 井 ， 其井底压力计算公式为 P b 。 斗 1 式中， p 为井底压力 ， P a ； P 为泥线 以上海水静液柱 压力 ， P a ； P 为泥线 以下井筒 内钻井液静压力 ， P a ； P 为井筒循环摩阻 ， P a 。 同常规井控方式 以及海水喷射钻井 比较 ， 动态 压井钻井技术具有 以下优势 1 可以有效解决浅水 流动诱发严重 的井漏 问题 ， 又是对付浅气层 、 浅水层 有效办法； 2 有效实施对当量钻井液密度 E C D 的 控制， 延伸 了表层套管下人深度 ， 从而增加后续层段 套管下人深度 ， 有利于井身结构的优化 ； 3 减少钻 井液 的运输量和储存量 ， 节省平台空 间， 降低总体成 本 ； 4 提高井壁稳定性 ， 有利于提高表层井身质量 ， 保证 固井质量 。 2 动态压 井钻井技术关键装 备 Ke y e q u i p me n t s 0 f d 1 k il l i n g t e c h n o l o g y 在浅层流风 险区域进行钻探 时， 存在许 多不确 定性。为 了使基浆和海水能够迅速 、 均匀地混合 ， 得 到合适密度的钻井液对井底压力进行控制 ， 需要以 下基本 系统装备 设计软件 系统 、 多相混合 系统以 及实时监测系统 。 2 ． 1 设计 软件 系统 De s i g n e d f o r s o f t wa r e s y s t e m 设计软件系统主要对钻井时井筒压力进行计算 并提供钻井液参数 。地层孔 隙压力 、 破裂压力 以及 浅层 流位置确定后 ， 就可 以采用设计 软件系统进行 钻井液密度与排量设计 。设计软件系统可 以将地层 孔隙压力 的预测值转化 为当量钻井液密度值 ， 钻井 液最小流速以及 最大钻速等参数也一并算 出 ， 并且 可以计算在不 同机械钻速和不同泵排量条件下 的钻 井液需求量 以及加重钻井液基浆 的需求总量 。结合 加重钻井液基浆 的密度 以及海水密度， 通过计算给 出两种流体的混配 比， 为后续作业提供指导。 2 ． 2多相混合系统 M ul t i pha s e hy b r i d s y s t e m 多相混合 系统是 DK D技术 的关键装 备。主要 由快速连接管路 、 球形 阀、 高精度 电磁流量计、 混合 舱 器 、 剪切泵等组成。 基本的工艺流程如图 1 所示 。 高密度压井液 、 海水或轻质钻井液通过 2个或更 多 分支管路注入到混合舱 ， 经过混合舱 的混合与稀释 ， 混配好的压井液注入到井 口， 经 由环空返回海底 ， 完 成动态压井钻井作业。 泵 泵 图 1 多相 混合 系统 工 艺 流程 Fi g． 1 P r oc e s s c ha r t o f mul t i ph a s e h yb r i d s ys t e m 多相混合系统经过 了 6年多 的开发 ， 现在 已经 发展 了 3代系统 。第 1 代系统具备 了基本 的动态压 井钻井功能 ， 但是还存在许多问题 ， 如混合腔体积大 而笨重 ， 不 能迅速安装 等。第 2代系统使用 了一个 双重作用的混合器 ， 该混合器不仅可以提供 DK D 作 业所需要 的混 配功 能， 还能够提供剪切 功能 ；另外 该系统测量精度也有所提高。 当前 使 用 的是 第 3 代 混合 系统 ， 如 图 2所示 。 该系统改进 了功能 ， 并进行 了模块化设计。第 3代 l O 石油钻采工艺 2 0 1 0年 9月 第 3 2卷 第 5期 系统具有 以下特点 结构紧凑， 可组装在一个工具 箱 内运到井上 ； 容易在 4 - 6 h内完成装配；使用第 3 代混合器 舱 ；有高精度计量系统 ；能同时混合 3 种不同流体。该混合系统能够很好地满足深水浅层 动态压井钻井的施工要求 。 图 2第 3代 多相 混合 系统 F i g ．2 T h i r d g e n e r a t i o n mu l t i p h a s e h y b r i d s y s t e m 2 ． 3 实时监测系统 M o n i t o r i ng s y s t e m in r e a l t i m e 实时监测系统主要是综合利用 随钻环空压力 的 测量数据或其他测量数据， 解释环空压力， 同时结合 随钻测 井 L WD ， 对地层参数进行实时测量 ， 及早 发现浅层流 ， 获得地层压力参数。实时监测系统一 般由机械部分和测量与电子控制部分组成。 环空压力 主要依靠 随钻环空压 力 AP WD 测 量。A P WD主要是实 时测量流动和静止期 间井 眼 和环空压力 ， 对井涌进行早期监测。地层 流体侵人 环空时 ， 流体温度升高 、 压力降低 。该方法经常将测 量的压力转化为泥浆泵静止时的钻井液等效静态密 度 E S D 以及泥浆泵工作时的钻井液当量循环密度 E C D 。E S D必须始终高于地层孔隙压力 ， 否则将发 生井 涌。同时 E S D要尽可能地高于控 制井喷 的最 小压力 ， E C D必须低于地层破裂压力。 随钻测井技术是随钻测量技术的新发展 ， 测量 的参数较随钻测量更多 ， 对地层参数 的预测也更为 准确。其基本原理为 通过测量 电阻率、 自然伽马、 地层密度 、 地层孔隙度 、 中子伽马计数率 、 地层的宏 观热中子俘获截面以及滑行波通过地层传播的时差 等 ， 对地层参数进行实施监测与预报 ， 及早发现地层 异常状况 ；同时对钻井液 电阻率 、 自然伽马值 、 声波 时差及密度等参数进行实施监测 ， 及早发现井筒 内 流体物理性质的变化 ， 对井涌进行及早预测。 通过实时监测系统 ， 可 以实现环空压力 的实时 监控 ， 并结合测量数据分析井眼工况、 溢流情况、 压 井情况 、 钻井液密度 、 排量等， 为井底压力控制 以及 钻井液密度设计提供参考 ， 指导现场钻井施工作业 。 3 动态压井钻井工艺参数计算 Dr i l l i n g t e c h n o l o g y pa r a me t e r c a l c ul a t i o n du r i n g d y n a m i c k i l l 3 ． 1 压井液密度及排量 De ns i t y a nd d i s c h a r g e r a t e o f k i l l fl ui d 计算动态压井钻井所需密度及排量 的原则是 在该密度与排量下， 井内的流动循环摩阻加液柱压 力略大于地层孔隙压力而小于地层破裂压力。发现 浅层流后 ， 要按照计算好 的密度与排量迅速泵入环 空进 行压井 。 根据海上钻井的特殊条件 ， 压井液密度满足 p r p 1 g h p f r p w g h 2 式 中， 为浅气流地层压力 ， P a ； P 为动态压井钻井 时的钻井液密度 ， k g ／ m ； h为泥线距井底深度 ， m； 为海水密度 ， k g ／ m ； h 为水深 ， m。 如果钻井过程中已经有浅层气或浅层水涌人井 筒 ， 则应用多相流动方程组进行求解 ， 动态确定钻井 液密度及排量。 钻井液密度可以根据地层破裂压力求得 p 丝华 ㈥ ⋯ 式中， P 为终了钻井液密度 ， ／ m ； P 为地层破裂压 力 ， P a 。 钻井液的最小排量应满足携岩要求 ， 最大排量 应满足井壁稳定性条件 ， 且不能压漏薄弱地层。 3 ． 2 加重钻井液基浆用量 Ba s e flu i d v o l ume o f we i g ht e d d r i l l i ng fluid 无 隔水管 段开钻 一 般用海 水 喷射钻进 ， 然 后 应用 DKD方法 ， 使用 加重钻 井液混 合海水 钻进 。 计 算钻 井液基 浆用量 需知 道井段 长度 、 机 械钻 速 RO P 、 加重钻井液基浆 密度 、 动态压井钻井排量和 混配 比等 。见图 3 。 甲板 图 3 计算 DK D 所钻 井段 钻井液用量示意 图 F i g - 3 Ch a r t o f d r i l l i n g fl u i d c a l c u l a t i n g v o l u me i n DK D we l l i n t e r v a l 高永海等 深水动态压井钻井技术及水力参数设计 如图 3所不 ， h为井深 ， h b d 为动态压井钻井施32 的钻井液总量- b钻进该段前钻井液充满钻柱 的体积 段长度 ， D K D施工段需要 钻井液总量为钻进 h 段 之和 。 w ] 4 式中， f 为钻 h 段所需时间， s ； 方程 中单位均为 钻井液基浆体积 ， m ； 为海水体积， m 。 国际单位 ， 将排量转化为常用的单 位 L ／ s ， 机械钻速 方程 4 、 6 结合方程 v v , v 2 ， 即可得到需要 转化为常用 的单位 m／ h ， 则方程 4 2 5 tJ 储备 的加重钻井液基浆 的最少量 以及海水用量 孚 w 孚 3V．23o 动 态 压 井 钻 井 的 泵 压 5 P u mp p r e s s u r e o f D KD 式 中， V为钻 井液总量 ， m ； Q为泵排 量 ， L ／ s ； h 为 泵压为钻柱 内外静液柱压力差与各段循环摩阻 动 态 压 井 钻 井 施 工 段 长 度 ， m； R 。 为 机 械 钻 速 ， 之和 ， 具体表示为 m ／ h ； L 为钻杆 长度 、 钻铤长度 ， m； 为钻杆 内径 ，P b △ b △ 。 △ 一 p 1 1 0 8 c m ；ac 。为钻铤内径 ， c m。 其中， 钻头压降 加重钻井液与海水的混配 比用如下公式进行计0 ．0 5 ／ 9 1 Q2 算 z X p b 百 9 P 。 v 2 6 钻柱 内压耗 鲫～ P 0 - P P 7 案 10 ／ 1／p l一 一 H 式 中， P 。 为加重钻井 液基浆 密度 ， k g ／ m ； 为加重 环空压耗 ．2 h i ⋯ 式中， P 、 △ 、 △ p 。 、 △ 分别为泵压 、 钻头压降 、 钻柱 内压耗 、 环空压耗 ， MP a ； Q为钻井液排量 ， L ／ s ； C为 喷嘴流量系数 ， 无因次 ； A 为喷嘴面积 ， c m ； B为常 数 ， 内平 钻 杆 B 0 ． 5 1 6 5 5 ， 贯 眼钻 杆 B 0 ． 5 7 5 0 3 ； 为钻杆外径 ， c m； L 。 为钻杆长度 ， m； 为钻铤外径 ， c m； 为第 i 段井简直径 ， c m； ／ 4 , 为第 i 段井筒长度 ， m； 为钻井液塑性黏度 ， P a S 。 3 ． 4 动态 压 井所 需泵 的水 力功 率 Pu m p e f fic i e nc y o fDKD 0 ． 7 3 b Q 式中， Ⅳ h 为动态压井所需泵功率 ， HP 。 3 ． 5 算例分析 Ca s e a na l ys i s 曲线和井筒压力与钻井液密度关系 曲线。 水 深 1 2 6 0 m， 09 1 4 ． 4 mm结 构套管 至海床 以下 8 0 m， 01 2 7 mi l l 钻具 ， 正常地层压力系数 1 ． 0 4 ， 假定钻 头在海床以下 5 0 0 m时钻遇高压浅气层 ， 地层压力系 数 1 ． 1 ；结构套管下深处破裂压力最低 ， 压力系数为 1 ． 0 8 ；钻井平 台上配备加重钻井液密度为 1 ． 8 g ／ m ； 采用 DK D方 法钻进 0 6 6 0 ．4 mm井 眼或 0 3 0 4 ． 8 mm 领眼钻进 。图 4 、 图 5分别为排量与钻井液密度关系 图 4排量 与钻 井液 密度 关系 Rel a t i o n c u r v e of d r i l l i n g flui d d e ns i t y a n d di s c h a r g e r a t e ￡ 刀 ／ M Pa 0 5 1 0 l 5 2 0 4 0 0 } ＼ ＼ 、、、＼ 、 一-- 一 加 重ak 钻 井 液 ． 。 1 2 0 0 1 6 0 0 ＼＼ 、 J ＼ } ＼ }、＼ 图 5 井筒压 力与钻 井液 密度 关 系 F i g ． 5 Re l a t i o n c u r v e o f d r i l l i n g fl u i d d e n s i ty a n d we l l b o r e pr e s s ur e 1 2 石油钻采工艺 2 0 1 0年 9月 第 3 2卷 第 5期 由计算结果可 以看 出， DK D钻 进时， 对井底 压 力起主要作用的因素是密度， 需要精确控制与混配 ， 在相同压力条件下 ， 先钻小尺寸的领眼容易在排量 满足要求 的条件下控制浅层流；钻井液密度较大时 容易压漏导管鞋附近薄弱地层 ， 因此 D K D钻进时需 要结合井底压力控制与薄弱地层处 的环空压力综合 考虑密度与排量。 4 应用情况 Ap p l i c a t i o n 在墨西哥 湾 ， 此方法 已用于 1 5个动态压井 钻 井 作业 中， 作 业平 均水深 1 2 6 4 ． 9 2 m， 在过 去 的几 年 中平均 每年增 加 3 5 3 ． 5 7 m， 其 中最大 的水深 达 2 7 0 5 ． 1 m。平均每个项 目的加重钻井液基浆体积大 约为 1 9 8 7 ． 2 8 m 。这些井用 DK D方法分别进行了 05 0 8 mm、 5 5 8 ． 8 mm 以及 0 6 6 0 ． 4 mm 井 眼 的钻 探 ， 作业后套管顺利地 下至井底 ， 固井成功 。在最 大钻速 、 最小排量和最低钻井液密度条件下未发生 钻头泥包 事故 。由于减少 了非生产时间和套管柱 数 目、 加深 了套管坐放位置 、 缩 短 了钻井周 期 以及 减少 了对后勤工作 的要求 ， 给作业公司带来 巨大的 效益。 动态压井钻井技术最初应用于墨西哥湾地 区用 来处理深水钻井作业工程 中遇到的浅水流问题 ， 目 前已在深水表层钻井作业 中应用 ；并从最初对付浅 水流问题扩展到整个表层钻井作业 的过程 ， 逐步发 展为表层钻井作业的一种关键技术。 5 结束语 Co n c l u d i ng r e m a r k s 采用动态压井钻井方法是处理深水钻井中的浅 层流问题 、 保证深水表层钻井作业顺利进行 的一种 有效途径 。对动态压井钻井技术的一些关键技术与 设备进行 了介绍， 并在此基础上结合工艺流程 ， 对动 态压井钻井技术关键的水力参数进行了初步计算 ， 得到了水力参数 的计算 方法与设计原则 ， 为动态压 井钻井方法的实施提供了理论基础。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] AD A MS N J ， KU HL MAN G G． C a s e h i s t o r y a n a l y s e s o f s h a l l o w g a s b l o 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