利用井下环空压力测量预告钻井问题.pdf

利 用 井 - V环 空 压 力 测 量 预 告 钻 井 问 题 Ma r kHu t c h i n S o n等 S。 r L ， 引 言 e一 ＼ 井下环空压力 正在成 为 所有 钻井 过程 中 的标准测量 参 数。钻井过 程 中。同时 监测环 空压力与其它 钻井 参数 ，可识别 不正 常的井 下情况并及 时提 出补救方 法 ，这 有助 于防 止 井下复杂和 事故 发生。对于 地层 破裂 压力梯 度与地层孔 隙压力 梯度相 差 甚微 的井 ．必须 准确设计和 计算环 空压力 ；而 环空流 动摩 阻 压降大，或压力余量窗 口很窄大位移井 ，高 温高压井 ，以及 深水 钻井这一 点 显得尤 其重 要 。 从前 已有文 章讨 论 钻井工 程 师应用 实 时 测量的井下 环空压 力 ，并将 当量循 环 密度和 当量静液密 度控制 在预定 的窗 口内，以防止 井漏和保 持井 眼稳 定 包 括 有效 控 制 抽 汲 、 激动和静切应力效应 。另外 可利 用环空压力 数据评 价流 体流动和 钻柱旋 转对 当量循 环密 度的影响 ，以及进行 地层稳 定试 验评 价 。准 确 的井 下环空 压力测 量数据 能更有效 地缩短 钻井周 期 ，简化 井身 结构 。 近来对环空压力数据的应用证明 当量 循环密度 变化趋 势 可预测井 复杂 、避 免 发展 成严重事故 。即使 当量循 环密度在 允 许 窗 口 内变化 ，也 能预测 出常 规作业 过程 可能不 明 显 的井 下复 杂 问题 。随着 随钻 测 量 MWD 的发展 及最近推 出的井眼 成像 和近钻头 测试 向 * 华译 周 开 吉校 等新 技术 ，MWD 钻井 特 性测 量 得到 了更 有 效地 利用 ，可为 常规地 面传 感器 提供实 时资 料 ，这样 让 钻井 人 员能 更 好 地 了解 B HA 工 况 、井 眼条 件 、优化钻 井 液性 能。本 文重 点 讲 述应 用压力 数据和其 它钻井 参数配 合更 好 了解整个 钻井 过程 ，并 用 实例分 析说 明 如何 最 大 限度 利用环 空压力 数据 预测可 能发 生的 井下复杂 问题 ，将事故 隐患 消除于萌芽之 中。 常规应用 环空 压力测 量 的主要 目的是 有 助于将 当 量循 环 密度和 当量静 液密度保持 在地层 破裂 压力梯度 、孔 隙压力 梯度 和井 眼稳定 压力 梯 度 窗 口内。其 它应 用包括 利 用环空 压力 数 据 监测井 眼净 化情 况 、提 高钻井 速度 和采用 其 它钻井方式 。 井 眼净化 图 1中 ，在 O ． 1 2 0 ，B I { A所在井段环空 开始出现堵 塞现 象 ，地 面扭 矩增加 ，转盘 负 荷增大 ，钻井变 得不 稳定。从 曲线 2知转 速 变化 ；由曲线 3知 立管压力 增加 ，这 可 能是 由于 马达扭矩 和地 面 扭矩增 加 所 致 ；曲线 4 进 一步 表明 当量循 环密度 也增 加 ，这 就证 明 了环空压力传感器上方的 B HA周 围的钻井液 流动受到限制 。此 时，根据 当量 循环 密度 的 实时监测 值 ，司钻 将 能及 时降 低排 量 ，避免 维普资讯 当量循 环密度增大到超过地层破裂压力梯度 。 塞 消除 。 然后 再上下活动钻柱 ，直到 1 5分钟后环空堵 地面锗压 地面转速 一 总幂量 I 担度 0 ” 6 I 】 0 ⋯ l 5 o O 。 ” 1 O 0 o l 0 d 2 O O 0 1 1 0 ∞ 0 ”⋯ 南 对 同 蛐 } 1 4 隆 圭 0l00 i l f持 ￡ l 0 2 帅 导 ；广 囝 1 MwD上方 环空 堵塞 图2表示在 0 1 4 4开始，环空压力传感器下 方 的 B HA和钻头 附近 出现粘 堵 ，此时立管压 力急剧增 见曲线 3 ，但 由于环空压力测 量只对压 力 传感器 上方进 行 监测 ，故 曲线 2 所示 当量循环密度未能指 出该粘 堵现象。 0 f M 5 o f o 1 5 0 l, 2 5 0 0 4 5 0 0 f o r K I F 2 5 0 R 0 P E c D 总豪量 2 0 o M／ 职 。l】 6 5 s G l - 0 { C - P M1 5 0 。 ‘ 。 1 4 0 ’ f J 立管压力增加 ‘ ⋯ 3 、 帆 警 竹 ， W 0 I I I ’ ‘ 。。。 。 lJ 2 - 帅 - l，．． 。 厨 2 MWD 下方环 空堵 塞 、 } J 维普资讯 国外钻井技术 第 l 4 卷 ’ 9 ，隼董 3期 图 3表 明钻 柱转 动 对井 眼 净化 的 影 响。 在 1 5 o o ．因定 向而停 止钻 柱 转动 见 曲线 3 。2 0分钟后 ，由于钻 屑下 沉 ，当量循环 密 度 曲线 5 下 降 。当上 下 活动 钻柱 ，调 整 泥浆马达定 方位 时 ，井 内 出现 抽汲／ 激 动压 力 脉 冲峰值 。定 向操作 共进行 1 1 5小时后 ，在 1 6 1 5恢复 钻柱 转 动 ，沉 积 在定 向井 段 的钻 屑被钻井液 重新 悬 浮 ，此时 当量循 环 密度 突 然增加 。因此 ，用 这种 方法 ，通过 实 时测 量 当量循环 密度值 ，就 能确定 转速 受 限时 因 泥浆 马达弯度较大所致 ，能 有效 悬浮钻 屑以 清洁井眼所需 的最小转速 。 立蕾压力 1 D 蜘0 *车遗窟 大掏负荷 时间 转速 捧量 0 m／ s1 0 0 H 5 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 1 3 2 啭 1 4 2 l 1扭 悱 接 ， 】 l _ 15O0 ． I ● 一 坦 - 滑 动钻 井 -6 o 0 { L 『- 1 嘲 睫转 L T l ；CD 甲 f 加 优化钻 井方法 图 3钻柱 转动 对井 眼净 化影 响 许多 习用钻井 方法 是从那 些 异乎 寻常 的 极端环境 中总 结 的经验方法 ，因此常 常过于 保守。而对诸 如太位 移钻井 和 深水 钻井 ，钻 井成本 高 ，节 约每一 分钟 的钻井 时 间都非 常 重 要 。 按照 “ 技术极 限 ”的概 念 ，钻井特 性 测 量 如环 空压 力监测 使 钻井工 程师能 研究 出特 殊 的钻 井 方法 ，用 实 际 的钻 井 液 性 能 、 温度梯度 、井 眼剖 面和地 层特 性等 来优化 钻 井作业 1 及早监 测 到溢 流 ，快速关 井 ，可 将 地层流体侵入量和套管鞋处压力梯度减至最 小 ，从而减少井控时间 2 当振 动筛上 无钻 屑返 出时 ，通 过环 空 压力测量 即可 知 环空 中的固相是否 仍处 于 悬 浮状态 ，或是否 能安 全起钻 ，从 而 可避 免 无效循环时间 ； 3 为 了更快 地破胶 ，开 泵 前先转 动 钻 柱 ，选样将 减少井 眼伤 害 的可能 性 ，节 约钻 井 时间 ； 4 若将钻柱内压与环空压力相 比，定 向钻井 人员就会 在计算 泥浆 马达上产 生 的实 际压 降时 ，不考 虑其 它环 空作用 对压 降 的影 响 ，以免混淆确定马达在并底倩 开底的压力 技术，从而减 泥浆马达的止动和磨损 ； 5 停 止循 环 后 ，如观 察 到有 钻井 液缓 慢流过 防喷器顶部 刺 叭 口导向短 节 又称井 眼可塑膨 胀或渗水 ，则需加重钻井液 。这时 如发生井 漏 ，常会 导致 时间 损失 ，钻井 液成 本大量增加 ； 6 准确监测起下钻过程中的环空动力 压力是保 障安全 、高速起 下钻的依 据 ； 7 在高钻速地区钻井 ，如未采集环空 压力数 据 ，也 不 知井 眼真 正 的净化 效率 时 ， 应将 钻速控制在低于最优钻速 ； 8 一些 钻井工 程 师认 为在钻斜 井 段 时 维普资讯 应高转速旋 转钻 柱带 动钻 屑沉 积床。但过 高 的转速又将 使弯 壳套组 合疲 劳损 坏 ，增加 不 必要的钻井 时间损失 。 环空压力 ／ 钻 柱 内压 的其 它应用 环空压 力监 测用 于欠 平衡 钻井作 业 ，即 当量循环密 度小 于地层 压力 ，从避 免钻 井液 侵入地层 引起储 层伤 害。在充气钻井作业 中， 可根据 MWD 工具 的 内压和 环空 间的 压差 值 丹 需 堪 丑 簿 l l I l l j 设 计规 范 ， ● 、 、 r I 了 l 来优化充 气 ，从而 可大 幅度 降低 充气成本 。 与井 下 扭 矩 和 泥 浆 马 达 转 速 监 测 对 比 用于计算 马达 的机械 水 马力 ，还 可利 用排 量和 MwD 内 、环空压 力 间 的压 差值 来 确定 钻井 液马达的工作 性 能。图 4是 参 照设 计规 范内容 ，表示 了钻井液 马达在下 钻初 左 边 和起 钻前 右 的性 能特征 ，这些 数据 将有 助于 下次 马达性 能特 征发 生变化 时 ，优 化 马 达作 业参 数 ，以减少 马达受 卡频 率 ，提 高 马 达可靠性 。 替 需 肇 丑 爨 l } 1 j I } 设计规范 l I l 1． ． I I ， l l ’ ‘’ 、 I ， I ＼ l F I 1 输人水功率 输人水功率 图 4 井 下 马达起 下钻 前后 的性 能特 征 虽 然 目前 已经 有越来越 多的项 目利用 环 空压力监测 技 术 ，但仍 将会 有更 多的 其它 项 目受益于该 项 技术 ，甚 至 对于 已下环 空压 力 监测工具 的井 获得 的数 据 中，人们 对 此有 更 深刻 的认识 后 ，还可从 这些 数据 得到 更大 的 效 益。 准确度 、精确度和分 辨率 环空压 力监 测有多 种 不 同的应 用 ，有 些 应 用要求测 量误 差小 于 0． 1 4 MP a ，目前 已有 各种不 同的 准确度 、可重复 性 包括 滞后 效 应 、重现性和 测量分辨 率的压力传感 器。根 据监测要求 ，选 择具体 要求 的准确 度 和分 辨 率 的传感器是非 常重要 的 。 环 空压力监测原理 为了准 确 解释 环空 压 力传 感 器 的 响应 ， 重要 的是 要弄 清楚传 感器 的物理原 理 。环空 压力测量包括两部分 1 由位 于传感 器 垂直 上方的 井 眼环 空 内的钻 井液 的密度梯度 和温度 梯度 所产生 的 静液密度 ； 2 与钻柱 运动 、钻井液 流经 压 力传感 器 ，以及将钻井 液和 钻屑循 环 出环 空和 通 过 环空堵 塞 段 ‘ 包括 钻 屑 垫层 和 地层 膨 胀段 时所 需的累计 压力 降 ，井眼 几何结 构尺 寸变 化和液相 ，固相进 、出环空有关 的动压部 分。 要弄清不同钻井条 件 下不 同的压 力 响应 还需要知 道钻 井 液 的流变性 ，钻井 流体 在环 空中的流态 、以及 这些 特性 随井下 温度 和压 力变化的规律。 维普资讯 2 4 国外钻井技术 第 1 4卷1 9 9 9年第 3期 排 量和转速对 当量 循环 密度影 响 图 5所示 为无 固相 钻井液 流经 旋转的钻 柱环空时 ，剪切力和流态对环空压降的影响。 在低排量 时 ，转速越 高 ，由于钻 柱 旋转产 生 的剪切力使 环空压 降减 少。而 高排 量时 ，随 着转速的增 加 ，环空 压降 先减少 ，但 当进一 步提高转 速至 超 过 I O O RP M 对该 实 验特用 钻井液 时 ，由于高转 速引起 涡流 、导致 环 空压降增加 。不同钻 井液 在不 同几何 结构 和 尺 寸构成的井眼 流道 中的压降是不 同的 。 E 一 世 出 刊 譬 i ／ 2 L／ 转速 r 周 5 不 同排量 下压 降 与转速 的关 系 排 量增加 ，环 空压 降增 加 。在 机械 钻速 一 定 时，摊 量越大 ，分 散 在钻 井液 中的 钻屑 越多 ，如果 在钻屑 返 出井 口过 程 中，钻速 和 排量保 持不变 ，则 当量循 歪密 度受影 响越小 。 圈 6摩擦 压降及 钻屑 浓度 与排 量关 系 从图 6可看 出在 钻速 不变 时 ，增加排 量 ，当 量循环密 度 由于钻 屑的分 散作 用 ，最初 逐渐 降低 ，而 当排量进 一步增 加 时 ，环 空 摩阻压 降就 变得很明显 了。 斜井 中井 跟净 化受 钻屑输送 方式的影 响。 井下动力 钻具在 低排量 下钻 屑会沉 积在无转 动钻具的 井跟低 边 ，使 环空 间隙减 小 ，引起 当量循环 密度增 加。若增大排量或转动 钻柱 ， 钻屑开始 沿 井 筒 跃 移 ，当量 循 环密 度降 低 。 但 当排 量或转 速增 加到足 以悬 浮钻 屑时 ，钻 屑浓度就 会增 加到 钻井液 有效 密度 上 ，从 而 增 加 了当量循环密度 。这可从 图 3看 出。 要求压力传感 器 预测钻 井参 数对 许多 流 体动力学 响应 是 不容 易 的。若 无 预 测模 型 ， 则有必要 建 立一种现场 方法 来测定 压力传 感 器对每个 钻井 控 制 变 量 的 响应 。只 有 这样 ， 才能判 断 钻 屑对 当量 循环 密 度 的影 响 规律 ， 从而确定井眼净化得到满足 。 地层 流体进 入环空 当钻进异常 高压 地层 ，地层 流 体进入 环 空是钻井 中严重危险问题之一。流体侵入的 性质主要取决 于入侵 流体 密度 、侵入量 、侵 入速度 、钻井液 性 能 、以及井 眼和 钻柱几 何 结构及尺寸。 图 7是 典型 大井 眼和小 井 眼气 井模拟 实验结 果。环 空压力 和 当量循 环密 度 的反应主要 表现 一 是 由于较 低密 度气 体进 入到密度较 高 的钻 井液 中，使 环空 钻井 液密 度降低 ，二 是 由于气 体侵入 推 动上 部钻井 液 柱流动速度加 快 ，使 摩阻和 惯性 力 增大而 引 起环空压降增加 。 图 7左是在 典型 井身 结 构井 眼 中 ，当量 循环密度显示 出密度较大的钻 井液 被驱替后 ， 环空压降降低 上 图 。图 7右 中的小井 眼结 构 中， - 当量循环 密度 显示 出 主要 由惯性力 引 起 ，环空压力 上 图在气侵 开始初 期增 加。 当量循l环 密度 对盐水 侵 的响应 主要 由惯性 力 和较高的摩阻产生 。 标准格 式 用随钻测井和 绳索 测井 获 取 的地 层 评价 资料建 立 一个 “ 三 联合 ”测 并曲线 图 ，曲线 维普资讯 1为伽 玛 测井 ， 曲线 2为 电 阻率 ，曲线 3是 孔隙度。这三条 测井 衄线 对于 岩性 解释缺 一 巨 世 ＆ 舢 大井碾 压 井 r } 1 。 2 肿0 f _ l O O,3 ● 一_ 一 ， 不可 。同理 ，要解释 钻井测 量 ，结 合各 种 钻 井测 量数 据是很重要 的。 l 一 l ] 1 【 ．． l I 墨 i l 窘 I I ● I o LM f 一 I 400 。 l _ ●-● J - 2 0 1 J 。’。i l l ， 、 ‘ ． 1 1 f n l 0 2 0 3 0 4 0 0 时间 mi n l 0 2 0 3 0 4 0 时问 mi n 图 7井控 模拟 试验 现行石 油工业 中，影 响 环空压 力数 据解 释 的因素之 一是 有许 多种不 同数据显示格式 ， 却又常常缺 少关键 的相关 联数 据 ，从 而不 能 判断 出影 响环空 压 力的 多种 不同 因素 ，最终 难 以确 定 出现各种井 下复 杂征兆 的具体井 眼 位置 。 因此在显示压 力数据 时 ，应 同时列 出其 它钻井变 量 排 量 、立 管 压 力 、钻 柱 转 速 、 钻速 、钻井 液进 出 H性 能 、进 出 口温 度 、总 气量 、钻屑输 送 比 ，泥 浆池 液 面 ，钻机 升 降 度及该地 区 已钻 井史 。否 则，离开 这些 钻 井 参数 ．只 能简单评估 是否根据地层压 力梯度 、 井 眼稳定 压力梯 度和 地层破 裂压力梯 度将 当 量循环 密度 控制在预定的极 限窗 H内。 钻井事 故常 常导至 钻 速降 低 ，若 以井 深 为数据显 示 尺度 ，则大量 测 量数 据会 压缩 在 井深标尺 方 向上 。因此对 钻复 杂层 段 ，把测 量数据按 时 间顺 序 显示 更 有 利 于 详 细 分 析 但 按井 深显示数据 的方法在结 台 B HA相对于 岩性边界 的位置 预估 钻井 事故 时仍 然很重要。 邑 世 吲 * 在曲线 图 上 标指 出其 它 钻 井相 关 资料 ， 如钻头类型 、B HA设 计 、起下钻 时钻井 液流 变性及起下钻后 B HA和钻头情况。对钻井特 性 测量 曲线 熟悉 后 ，如 同从地 层评价 测量 曲 线图 中可 辨 出岩 性和 地层 流体类 型 一样 ，从 所建立的 钻井格 式 中，很 容 易辨 出各种 钻井 工 况或事故 ，如起 下 钻 、接单根 、井 眼净 化 差 、卡钻等 。 钻 井设 计和培 训 井下 测量 是钻井 人 员 的视觉 ，它将 使 钻 井工程师和司钻对 B H A 和井眼状态有更多的 了解。但井 下 测量 传感器 ，如环 空压 力 测量 工具 ，只能使 钻井 人员 在有 限 的范 围 内控 制 井下情况 。 当地层压 力和破 裂压 力梯 度间 的余量 较 小时 ．可利用 环空 压力 数据来 调 整钻井 液 密 度 。但 当钻井 液 流变特 性使 流动 摩阻压 降大 于压 力梯 度允 许余 量 时 ，则 需 要调整 套 管程 序 或改 变钻 井 液 性 能 ，否 则 不 能 正 常钻 井 。 维普资讯 2 6 国外 钻井 技术 第 l 4卷1 9 9 9年 第 3期 成功 的钻 井要求有 良好 的钻 井设 计 。 高质量 的监测 数据能 提 高人们 对 出现 井 下复杂物理 过 程的认 识 ，同时也 有利于 建 立 加强模型 ，用 于设 计 高难度 井。 另外应 花 大 力气 培训工 程师和 钻井 人员 ，掌握新技术 实例研 究 下 面 以实 例说 明如何结 合其它钻井参数 ， 利用 环空压力测 量数据 预测 和避免 可能 发生 的 井下 复 杂情 况和 事 故 。 1 ． 大位移 井 在一 口大位 移 井 内， 由于 1 2 0 5钻 进 中 断 ，大量钻 屑 聚积 成 团 ，这些 钻 屑在进 入 垂 直 井段前 沿大 位移斜 井段 运移 了 5小 时。在 4 4 0当量循环密度 开始 上升。大量 的钻 屑可 将 当量 循 环 密度 提 高 至超 过 地 层 压 力梯 度 ， 预计 可能 发生 井下严 重 事故 ，于 是采取 上下 活动钻柱 ，有 控制地 排除 钻屑 ，从而 避 免 了 井下复垫情况和事故发生 。 2． 深水钻 井 由于在 深水钻 井 中常会 遇到 固结松 散 的 沉积层 ，因此地 层破 裂压 力梯 度、地层 压力 梯度 、与井眼稳定 压力梯 度值 问的余量 非 常 有限 ，而 且井 控 节流 管汇 周围 的冷却作 用使 摩阻压降增加 。 在钻 井设 计 中 ，如预 计 可 能将 钻 到 高压 井段 ，为建立 井 涌安全 允 许 限度 应进行 紧急 井控模拟 试验 。这 些试 验应 以肯 定能 预测 到 的最小井 涌余 量为 基础 。井涌余量 应列 入 环 空压力数 据显示图中 由于低排量 时胶 体 的阻力 作 用 以及 钻 井 液密度梯度 和 温度梯 度 的影 响 ，在进行 漏失 测试或地层 稳定 测试 时 ，发 现在套 管鞋 处 用 压力 传感 器检测 的当量 密度梯 度值 与采用 钻 井液 静液 柱压力 和立管 压力求 得的地层 压 力 当量 密 度梯 度值 相 差 0． 2 9 9 6 g ／ c m3 。在 一些 关键情况 时 ，可利用 井下 测 量数据 去确 定地 层破裂压力梯度 ，以避免 出现误 差。 开始钻进 时可利 用环空 压力数据 将 当量 循 环密度 和 当量静 液密 度控制 在设计 的安全 窗 口内，同时 加强 现 有井涌 的监 测 方 法。 有 时在钻进 中泥浆 池液 面无 变 化 ，且进 出 口钻 井液流量不变 ，但是 当量循 环密度开 始下降。 这时从井温 曲线 上看 出 ，环 空钻 井液 温度 略 有上升 ，基于 当量 循 环密度 的反应 ，司钻 推 断有微量气 体 侵入 ，便停 钻循 环 出少 量 的入 侵气体 。 结 论 1 ． 本文列举 了井下环 空压力测 量 的许 多 应用 ，其 目的是对 井下 复杂 和事 故 预测和 防 止 ，并将事故 隐患 消灭在萌芽 中。 2 ．利用井下钻井特 性参数 测量能优 化钻 井作业 ，降低成本 。 3 ． 环空 压力测量准 确解 释取决 于钻 井人 员在弄清监 测 原理 的 同时 ，再结 合其 它钻 井 参数进行分析 评价 。 4 ． 推荐 一种钻 井特 性参 数显 示的标 准格 式 ，其 中包括 所 有 的钻井测 量 参数 ，叉方 便 更好地进行 钻 井预测 ，从而 使钻 井 工程 师对 钻井过程 有更好 的了解和认 识 ，作 出更好 的 钻井设计 。 5 ． 为 了充分获取井 下环 空压力 测量 的信 息和应用效 益 ，要 求全 体钻 井人 员 的互相 合 作 ，互相传授 知识 如 MWD工程 师的知识 、 钻井液工程 师 的专业 技术 知识 、钻 井液录 井 人员的观察 报 告 ，以及 司钻 和定 向钻 井人 员 的经验等 。 6 ． 开钻前充分评估 和调 节钻井 液 的配方 和流变参数 优 化对成 功地 钻 井至关 重要 。钻 井人 员设计 的各 种现场作 业 限制条 件必须 留 有足够 的调整 范围 ，以便 能控 制 当量循 环 密 度和 当量静液 密度 。 7 ． 井控 模拟试验揭 示 了井下环 空压力 实 时测量的重要 性 ，以及 可将 用于 压力允 许 余 量较小的随钻地层压力 预测 。 8． 井下环空压力测量 使 很多钻 井难度 大 的井成功 进 行 ，并 能准 确地 控 制 钻 井 环 境 ， 减少和消除井下复 杂及 事故 ，缩 短钻 井时问 ， 提 高行程钻速 。 泽 自S P E 4 9 1 1 4 维普资讯