小井眼欠平衡钻井回压控制分析.pdf

第2 1 卷第 2期2 0 0 0年 6月 新 疆 石 暑 由科 技 信 息 2 9 3 小井眼欠平衡钻井回压控制分析 新疆 石油管理局钻 井工艺研究 院 摘 要 影 真正意义上的欠平衡钻井必须保证地层漉体能搭持续稳定地从环空返出。这就要求必须配备性能适宜的钻井液 ， 并在井口施加一定的回压，回压过小，地层中的油、气返出量可能会加 大，增加危险回压过大，则会接近设备承 压极限值 ，同样增加危险。本文从地层压力、环空气侵液柱压力、小 井眼环空摩阻、地面管汇摩阻、退出漉体动能 等方面系统分析了回压的取值． 主题词钻井 井控 回压 液柱压力 炙平衡 1 地层天然气在环空的入侵分析 随着 老油 田的持续 开采和 新油 田的不断开 发，已有越来越多的人认识到了合理开发和保护 油气层的重要性。欠平衡钻井允许地层流体进入 环空，这就大大降低 了油气层污染的可能。其 中 泥浆 、油、水不可压缩 ，而气体是可 以压缩的。 为方便研究 ，可将环空 中的流体看成液 、气二相 流 。其中的液相包含泥浆、油 、水 ，气相即为地 层中的天然气。气相在环空不断上返 的过程 中． 由于压力降低体积是不断膨胀的 ．特别是当接近 井口 0 2 0 0 to 时，膨胀最快，可能会给井口 造成回压 。在欠平衡钻井过程中，虽然允许加回 压及气体返 出，但超过一定范围后也会影响钻井 的安全。所 以研究气侵就显得尤为重要。 分析认为，气体侵入井内可能有以下几种途 径 1 当 。时．即液柱压力小于地层压力 时．气体可以气态或溶解状态侵入泥浆中。起钻 时 ．由于停止循环、抽吸作用等原因，可能会在 井底积聚大量气体。 2 被钻头破碎的岩石孔隙中如果有气体存 在，气体将自然侵入泥浆。由于钻头破碎的岩石 体积不大 ，气体侵入量也不会很大 。其量 同井径、 钴速 、岩石孔隙度 、天然气饱和度等 因素有关 。 如果钻遇溶洞或裂缝．气体侵入量可能会加大。 3 在 新开钻而未 下套管 的井眼 ．如 果泥饼 质量不好．或受压力激动等原因被破坏时．可能 定 幻 ， 曰 』 有气体侵入 。 在普通方式钻井过程中，只有后 2种情况会 发生。两欠平衡钻井，上述 3种情况均 可能发生， 尤以第 1 种出现得频繁。 地层压力是 以地层流体 的流动而体现在施工 中的．在欠平衡钻井作业中．当地层中的油、气、 水侵入环 空后 ，液柱压力小于地层压力时，才真 正意味着欠平衡钻井的开始。随着地层中油、气、 水在环空中的上升．其中的气相在压力不断降低 的情况下 ，体积也在 相应地膨 胀，使返出的泥浆 量大于泵进井内的泥浆量，从而降低了环空液柱 压力，所以要保持继续钻进，必须在井 口施加一 定的回压 以平衡地层的压力 。 2 回压的计算分析 合理地控制回压将关系列钻井 的安全及储层 的保护．所以研究影响回压的因素就显得十分重 要。 根据设各和地质要求 ． 回压一般控制在 0 ～5 ． 6 MP a ，但其值在此范围内究竟取多大将直接关系 到地层流体是否能稳定持续地返出，以便实现真 正意义上 的欠平衡钻井 。分析认为，回压可 以通 过下式表示 一P p l 1 式 中 △ p 回压，MP a ； P 地层压力 ，MP a p 环空液柱压力 ，MP a ； 环空摩阻．MP a 维普资讯 3 0 新 疆 石 袖 科 技 f i r 患 2 0 0 0 年 6月 P ． 地面管汇摩阻，MP a P 返 出流 体 动 能所 折 算 出 的压 力，MP a 由于 P ． 、P 同 P P 、P 、P 相 比十分小，可忽 略不计，所 以 1 式可简化为 列 出伯努力能量方程为 p 一 l ．V ／ 2 g P p ／ 2 g pm h 若采用工程单位制 。上式可变为 2 一p 一 一P O 6 2 ． 1 地层压 力的计算 多年来研究开发 了各种检测预报异常高压 的 技术，有在钻井以前的地面地球物理方法，也有 在钻进过程中的钻井参数方法和其它方法 。现介 绍 d指数法和钻井参数计算法 。 2 ． 1 ． 1 d指 数 法 d l __0 ． 0 5 4 7 v ． ] 0 ． 0 6 8 4 P 3 式 中 d 钻压指数，无因次 _ |广 一 机械钻速 ，m／ h ； Ⅳ一转速，r t mi n P _ 一钻压，k N D 钻头直径 ，mm。 由 3 式可推导出修正过的 d 指数 为 d 型 4 式 中 d 修正过的 d指数，无因次； p 广 _ 一 正常地层压力梯度的当量泥浆密 度 ，g t c m ； p 实际所用泥浆密度，g ／ c m 。 当 d 指数算 出后，可用下式计算地层压力 5 U c 口 式中d 该井深处正常基线的 d 指数 值 ，无因次 d 该井深处的实际 d 指数 ，无因 次； p 以当量密度表示的正常地层压力 梯度 日 井深，m。 2 ． 1 ．2 钻井参数计算法 在欠平衡钻井过程中，如果油 、气 、水 已进 入环空，那么若在环空中计算地层压力将较为繁 琐，并且还会带来一定的误差。而钻柱内泥浆未 受污染，可在钻柱内计算地层压力 在钻头两边 式 中P ． 立压 ，MP a ； P 钻柱内液柱压力，MP a P 钻柱 内泥浆摩阻 ，MP a ； P 钻头压降，MP a ； P 。 。 地面管汇摩 阻，MP a ； n 泥浆进入钻头前的速度，m ／ s ； 泥浆进入钻头后的速度，m ／ s h 钻 头高度，m。 1 钻柱 内液柱压力计算 如0 0 0 I g p , H 2 钻柱内泥浆摩阻计算 考虑到小井 眼中钻柱与井 眼尺寸 同比例减小 与常规井 眼相 比 ，因而 钻柱内的流动也 以紊 流为主 。钻柱 内紊流压耗 计算如下 G l L i d 口 。 7 式中。 ． 业 G2 3 n b-- 4 b 5 a n 3 ． 9 3 t 5 0 b 1 ． 7 5 一 f 7 ￡ 钻具长度，n l ； Q 流量 ，i n ／ s ； 钻柱 内径，n l 流性指数，无因次； 石 稠度系数 ，无因次。 3 钻头压降的计算 式 中 c 喷嘴流 量系数 ，无因次 ，0 ． 9 5 ～ 0 ． 9 8 喷嘴当量直径面积 ，c m 。 4 地面管汇摩阻 的计算 地面管线损耗产生在立管、水龙头和方钻杆 中 。由于地面 管线损耗取决于地面管线的尺寸和 结构，使得其计算较为复杂。可用如下方程进行 维普资讯 第2 l 眷 第2 期 刘伟等小井眼欠平衡钻井回压控制分析 3 】 计算 1 5 8 ． 7 3 ￡ 。 Q I ‘ 矿 式中 E 地面装置系数．其值取决于立 管、水龙带、水龙头、方钻杆尺寸，无因次 一 泥浆塑性粘度，mP a ‰ 2 ． 2 环空气侵液柱压力计算 当地层气体侵入环空后．势必造成泥浆返出 与泵入量的不等．环空液柱 P 值必将有所减小 ， 现研究气侵后环空液柱P 的交化 。 假设 1 气体在上返过程中为等温过程 2 计算时忽略气体质量 同泥浆质量相 比 ； 3 气体在环空中的流动是连续的，即无 滑脱现象 1 L气侵泥浆返出地面后，假设气体所占体 积为 ， 则泥浆体积为 1 --v L ，I L气侵泥浆质 量为 1 v e 1 一V g 8 式 中 p。 返回地面 的气侵泥 浆密度 ， g ／ e ra ； v 。 I L 气侵泥浆返出地面气体所占 体积，c m ； p g 入侵天然气地面密度，g ／ c m ； P 纯泥浆密度，g ， c 11 1 。 根据假设条件．忽略气体质量，由 8 式 可得 一 环空中任一处压力 由地面压力和泥浆 自重 组成为 p ；根据假设条件，体积为 V的地 面气体在井深 h处体积应为 p ， 则 在井深 h处的泥浆密度为 舞 ⋯ 式中 在井深 处的泥浆密度，g m’ ； 地面压力，MP a 。 由经典压力公式P 9 ． 8 1 P F g d H得 中 9 ． 8 1 p b d H 9 ． 8 1 p 1 一 p o P 0一 阴 1 丑I 司啊 口 J 仔 】 n P a P m 9 _ 8 I Hc 1 1 当 H0时．p 0 ，可得 c 1 一 ～ 将其代入 1 1 式可得 c - ， 2 ． 3 小井眼环空摩阻的计算 由于气体的可压缩性质，气体只有在接近地 面 0 2 0 0 n 1 时膨胀才开始加快。因此，可以 认为在井深 2 0 0 m 以下时，由于气体体积小，并 没有排出太多的泥浆，因此气体侵入量的大小对 环空摩阻变化影响可以忽略。小井眼钻具尺寸较 小，因此若用普通尺寸的环空压耗公式去计算摩 阻将会产生很大的误差 分析认为，可将小井眼 钻杆环空段视为层流状态；钻铤、接头环空段枧 为着流状态。 对于钻杆环空层流段 面㈤ Bl l Kl l 等 式中 旋转因子 其值同钻柱转速有 关。转速较低时，随转速增加小井眼环空压耗减 小，但减小的幅度很小；在较高的转速条件下， 钻柱旋转对压耗的影响很大 。 R ．． 啪 偏心因子 其值同钻柱偏心度 有关，偏心度增大，小井眼环空压耗则降低 。 D 套管内径或钻头直径，m。 D 钻柱外径，m。 对于钻铤、接头环空紊流段 p Hl l 篙 等 3 对小井眼欠平衡钻井工艺的几点认识 1 在常规井眼中，环空压耗仅 占泥浆泵输 出功率的 1 0 ％左右，而在小井跟中，水功率的 维普资讯 ， Z ， ／ 一 弓 Z ／ ， f 3 2 新 矗} 石 泊 科 抽l- 1 t患 2 0 0 9年6月 分配方式发生了很大的变化．环空压耗一般要占 总压力损失的 7 5 ％以上。国外一些极端算法甚 至认为要占 9 0％。因此在计算小井眼环空压耗 时，不能采用普通井眼环 空压耗计算模式 。 2 气体在井深 2 0 0 m 以上时体积膨胀才开 始加快，在井深 1 0 0 m 左右时可以膨胀 1 4倍左 右．因此地面气侵很严重的泥浆，看起来好象有 大量气体侵入，但实际上井底只有少量的气体进 入泥浆 。所 以在欠平衡设备 旋转 防喷器 、节流 管汇、液气分离器、燃烧管线等完备的条件下． 正常循环泥浆，并加 以适当的回压，是完全 可以 保证安全钻进的。 3 决定回压的参数很 多，应注意维护钻井 液的性能，选择合适的排量，以期达到欠平衡钻 井的目的。在钻井过程中，应尽量避免钻具在井 内长时间静止而不循环．还应尽量缩短接单根的 时间，以避免井内聚集更多的气体，增加潜在的 危险。 4 当计算 出并施加回压 后，地层流体的侵 入将会减小 ，当减小到一 定数值时，井 口所需回 压也必须减小 ．以确保地层流体能持续返出。这 时，可用计算出的回压做为已知数．代替环空气 侵泥浆柱计算式中的地面压力计算出新回压 参考丈献 1 ． 谢 国民， 獒 拱海 。 小井眼最 忧水力学 设计 及分析 ． 石 油钻探技术 ．1 9 9 8 ．2 6 2 2 ．汪海阁，白仰 民．小井眼环空压耗的室内试验研 究 ．石油钻采 工艺 ．1 9 9 8 ．2 O 4 3 ．栗广科．负压钻井技术在探井中的初步应用．石 油钻探技术．1 9 9 8 ．2 6 2 4 ．寥荣庆，熊继有．钻井水力学．试油与天然气钻 井用钻头研究译文集．重庆 重庆大学出版社，1 9 9 2 ，4 收稿 日期 1 9 9 9 1 0 1 4 新一代 笪 苎 堂 塑 晕 匪 垒 型 础迥 D P I 的 工 程 师 们已 认 识 到 用 于 钻 出 套 管 鞋 的 常 规 双 心 钻 头 存 在 许 多 力 不 平 衡 的 问 题。该公司通过使用一种新设计．甲改变力的方向并增加切削齿的覆盖，大大提高了这种双心钻头的应用效果． s D e e d R e a n e r C S D 或C a s i n g S h o e D r i l l e r 钻头不仅具有S p e e d R e a me r 双心钻头的全部优点，而且还可钻水 泥和浮动装置，且钻出的斯井段直径较大．自 1 9 9 9年 5 月首批试钻以来，已经成功地完成了6次油田钻井． 疆西哥漳深水井包括 3 次连续曲 C S D钻井．第 t 只 C S D I 4 4 钻头钻井时，通过的井鼠尺寸为 3 1 1 I m m，井碾 可扩大到 3 7 4 ． 6 m m，领暇尺寸为 2 4 4 ． 5 m r n 。该钻头使用 了 1 3 r n m的 P D C齿，并与马达恩成一起钻 出 3 4 6 ． I m m 的套管鞋．该套管 内的水泥证明它并未全部被钻掉，且 C S D钻头便在 7 ． 5 h内就钴 出了2 4 3 ． 8 m 曲表面凸起曲水j 】 邑 和 浮动装置．然后，该钻头在 2 4 ． 1 4 m ／ h的机械钻速下继续钻井，便用 2 6 ． 5 h 就钻出了6 4 0 ． 0 8 m 曲新直井，省掉 了一 次完整 的起下钻． 一 名操作者说 使用 C S D钻头设计在 7 0 d的油井作业中能排除达 6次的起下钻 或 3 4 d 。第 4 代双心 C S D 钻头的开发代表着一种新产品，该产品将给垒球的深水井作业带来好处 。在受控曲机械钻速下进行定向钻井时，力 平衡被改进的C S D钻头可滑动．使定向得到最佳控制． 江波石油钻头股份有隈公司研究 开发部科研处 戴敏译 2 0 O 0 ． 0 5 ． O 6 维普资讯