充气控压钻井过程压力影响因素分析.pdf

第 3 1 卷 第 1 期 2 0 0 9年 2月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PR0DUCT1 0N TECHN0L0GY Vo 1 ． 31 No ．1 F e b ．2 0 o 9 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 O 1 0 0 3 1 0 4 充气控压钻 井过程压 力影响 因素分析 王延民 孟英峰 李 皋 李永杰 西南石 油大学 “ 油气藏地质及 开发工程 ”国家重点 实验 室， 四川成都6 1 0 5 0 0 摘要 常规钻井技术钻遇复杂地层时， 钻井液安全密度窗口窄， 钻井液性能可能发生剧变， 压差卡钻、 粘附卡钻、 喷漏同层、 上漏下喷和井壁垮塌等复杂问题经常发生， 甚至导致钻井作业无法正常进行， 增加诸多非钻井作业时间， 使钻井周期和费用大 幅度上升； 充气控压钻井 MP D 作为一种新的钻井技术， 能够降低甚至避免诸类钻井问题， 结合环空多相流水力学模型， 综合 分析 了钻井液排量、 注气量、 机械钻速、 井口回压和井身结构等因素对 MP D环空压力的影响， 实现 MP D环空及井底压力保持 在一定的范围内准确、 快速可调， 从而提高钻井效率， 降低作业成本。在不久的将来， 控压钻井将会是一种更安全、 更快、 更有效 的钻 井 技 术 。 关键词 控压钻井； 排量 ； 压力； 注气量； 地层压力 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 A F a c t o r a n a l y s i s o f p r e s s u r e u s e d i n ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g o n i n j e c t e d g a s W A N G Y a n m in ， M E N G Y in g fe n g ， L I G a 0 ， L I Y 0 n g j ie S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o fOi l a n d G a s G e o l o g y a n dE x p l o r a t i o n ， S o u t h we s t P e t r o l e u m U n i v e r s i ty ， C h e n g d u 6 1 0 5 O 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e n a r r o w o p e r a t i o n wi n d o w i s q u i t e c o mmo n i n c o n v e n t i o n a l d r i l l i n g ， t h e d i r t y p e r f o r ma n c e o f mu d ma y r e s u l t i n s e r i - O U S d r i l l i n g p r o b l e ms ， s u c h a s d i ff e r e n t i a l p i p e s t i c k i n g ， b l o wo u t a n d l o s s s i mu l t a n e o u s a n d h o l e c o l l a p s e ． I t ma y a ffe c t n o r ma l d r i l l i n g ， p r o l o n g n o n e p r o d u c t i o n a n d d ril l i n g t i me ， a n d i n c r e a s e c o s t ． Ma n a g e d P r e s s u r e Dril l i n g MP D ， a n e w d r i l l i n g t e c h n o l o g y , c a n b e us e d t o s o l v e s u c h p r ob l e ms ．Co mbi n e d wi t h t he h yd r a ul i c mod e l of mu l t i p ha s e flow i n a n nul u s ，t hi s p a pe r a na l y z e s t h e e ffe c t of s uc h f a c t or s a s t he v ol ume of mud ，t he v ol ume o f ga s ， ROP ,b a c k pr e s s ur e a n d we l l pr o fil e o n a n nul u s p r es s ur e i n M PD， a i mi n g a t qu i c k a nd a c c u r a t e a d j u s t me n t o f t h e a n n u l u s p r e s s u r e a n d t h e b o t t o m h o l e p r e s s u r e wi t h i n a c e r t a i n r a n g e ． S o t h e d r i l l i n g e ffic i e n c y i s e n h a n c e d a n d t h e c o s t i s r e d u c e d ． I n n e a r f u t u r e ， M P D wi l l b e d e v e l o p e d wi t h mo r e s e c u r i t y a n d v a l i d i t y ． Ke y w o r d s MP D； fl u i d v o l u me ； p r e s s u r e ； i n j e c t e d g a s v o l u me ； f o r ma t i o n p r e s s u r e 伴随着油气层的长期开采 ， 国内外 主力油气 田 大多进入开发的中后期， 不同程度地面临地层压力 衰竭与下降 ， 因此造成地层坍塌密度降低 ， 且与地层 压力梯度接近， 钻井过程中呈现出窄压力 、 甚至负压 钻井液密度窗口， 并 由此产生漏喷同层 、 井壁垮塌等 一 系列钻井问题 Y - 3 ] 同时随着裸眼井段的增加， 井 底温度和压力也随之发生改变 ； 且有多套压力体系 的复杂裸眼井段 ， 从而使 钻井液性能发生剧变 ， 卡 、 漏 、 喷及井壁垮塌等复杂问题进一步加剧， 甚至导致 钻井作业无法正常进行 ；面临这种复杂 的地层 ， 采 用常规钻井装置和方法很难满足当前钻井作业需要 [4 -6 ] 。因此 ， 在今后的油气勘探 中， 如何在诸类储层钻 进将成为国内外各大油气 田增产上储的主要手段。 然而 ， 充气控压钻井一MP D Ma n a g e d P r e s s u r e Dr i l l i n g 作为一种新的钻井技术 ， 使用稍高于地层压 力梯度的钻井液 ， 地面通过混合器 向钻井液上水管 基金项 目 受国家 8 6 3计 划项 目 “ 全过程欠平衡技术与装备 ” 资助 ， 编号 2 0 0 6 A A0 6 A1 0 4 。 作者简介 王延民， 1 9 7 7 年生。西南石油大学在读博士研究生， 主要从事控压钻井 MP D 、 欠平衡钻井及气体钻井过程的流体力学计算、 携岩和压力控制等 方面的研究工作。电话 0 2 8 8 3 0 3 2 2 1 0 ， 1 5 9 0 2 8 2 5 1 3 2 ， E ma i l x j wy mk e l 1 6 3 ．t o m． c r l 。 3 2 石 油钻采工艺 2 0 0 9年 2月 第 3 1 卷 第 1 期 线中适当充气 ， 利用欠平衡设备和技术 ， 能够方便快 速调节环空钻井液 当量循环密度 ， 使井底压力保持 在一定范围之内， 降低或避免上述钻井问题 ， 减少非 生产作业时间。但钻井过程 中， 钻井液排量 、 注气量 及井 口回压等lT程参数与地层压力及环空安全携岩 尤为重要 ； 文中重点考虑地层 产出气与注入气在环 空形成的气液两相流 ， 利用水力学 的严格推理与计 算 ， 保证 了井筒环空井 口的安全携岩且精确控制井 底压力 ， 对进一 步深化和完善充气控压钻井 的理论 研究及现场应用具有重要 的现实意义。 1 控压钻 井的使用现状与基本概念 St a t u s q uo a n d ba s i c c o n c e p t o f ma na g e d p r e s s u r e dr i l l i n g MP D技术在陆上钻井使用已有相当长 的时间， 其应用 了较为先进的欠平衡设备及方法使钻井液从 立管到出口形成一个闭合 、 承压 的循环系统， 实现钻 井优化 的一种工艺 】 。其意图是方便 、 快速调整环 空和井底压力等参数 ， 随意控制钻井作业过程 中地 层流体有控制地进入井筒环空 ， 而不是通过调整钻 井液密度来改变井底的压力。 目前美国 7 5 ％ 的井使用这种 闭环 、 承压的控压 钻井技术进行作业 。国内陆地控压钻井技术 已经在 塔里木油 田公司的奥陶系和南堡油 田第三系地层陆 续展开 ， 避免 了邻井钻井过程 中发生的井 下复杂情 况 ， 已取得较好的效果 。 控压钻井使用欠平衡的设备 ， 就其循环 系统本 身来讲 ， 属于闭环 、 承压的钻井液循环 系统 ； 能够满 足方便 、 快捷地调整井底及环空压力， 从而使用最短 的时间来处理和满足钻井工程上的需要 ， 使整个钻 井过程 中井底压力近乎保持恒定 ；国际钻井承包商 协会 I A DC 对控压钻井一MP D作 了如下的定义 MP D是一种经过改进的钻井程序 ， 可以较精确地控 制整个环空井筒 的压力剖面 ； 其 目的是要确定井底 压力 ， 进而来控制环空的压力剖面 [ 5 ’ 。 其主要技术特点是 与常规开式压力控制体系 不同 ， MP D依靠 闭合 、 承压的钻井液循环体系 ， 可 以 更精确地控制整个环空压力剖 面， 使得地层流体有 控制地进入环空。 这种循 环体系需 要通过环空 钻井液水力 学 的 精确计算和模拟 ； 主要参数包括 钻井液性能、 钻井 液密度、 钻井液泵排量 、 充气量 、 机械钻速 、 岩屑类型 及尺寸、 岩屑与气体迟到时间， 井身结构与钻具组合 等。从 而合理地预测 、 解释实施控压钻井过程 中整 个环空压力剖面及相应 的控制压力措施。 2 影响井底压 力的主要参数分析 Ef f e c t s o f ma i n p a r a me t e r s f o r b o t t o m ho l e p r e s s u r e 2 ． 1 环空两相流模型选择 M o de l s e l e c t i o no ft wop ha s eflo w i na n nu l a r s p a c e 根据前人研究成果 ， 综合 分析气液两相流模型 主要有以下 3种 均相流模型、 分相流模型和漂移流 动模型。 均相流模型将两相混合物视 为均匀介质 ， 没有 考虑两相问的相互作用 ， 忽略了相间滑移 ； 分相流模 型将气液两相 流动 中的气相与液相分开 的流动 ， 模 型中各相流动也是孤立的 [ 1 0 ] o漂移流动模型是针对 均相流模型 、 分相流模 型与实际 的两相流流动之 间 的偏差而提出的特殊模型 ， 其实质是加入了气相在 钻井液 中滑脱作用 ； 既考虑了两相之间的相对运动 ， 又兼顾考虑了环空气液 比 6 c 见方程 1 和流速沿过 流断面的分布规律 _ 】 u ； 气液 比是两相流流型判别的 重要 因素之一 ， 能更好地反映环 空不 同流态的流动 特性及相间作用 ， 文中采用漂移流动模型。 a A ／ A 1 式 中， A 为环空过流 面中气体所 占面积 ， m ； A为过 流断面面积 ， m 。 2 ． 2井筒压降模型 Bo r e ho l e pr e s s u r e dr o p mo de l 充气 控压 钻 井井 筒环 空压 降 的推 导 ， 可根 据 B e g g s ． B r i l l 的方法模型为基础 的压降计算方法进行 推导 ， 并考虑岩屑固相的影响。 假设外界与气 液两相混合物互不作功 ， 从稳定 流动的多相流机械能守恒 出发 ， 得 出单位质量 的气 液固多相混合物的计算公式 笔 [笔 ] [ ] [笔 ]， 2 下标 1 、 2 、 3分别代表摩 阻压力梯度 、 重力压力梯度 和加速压力梯度 ， 即总压力梯度是三者之和。 2 ． 3 井底流体侵入过程分析 An a l y s i s o n t he i nt r ude d pr o c e dur e of bo t t o m h o l eflu i d 在 充气控压钻井过程 中， 如果 地层产气或高汽 油 比的凝析油气藏 ， 这些地层产 出流体随着环空 向 上流动过程 中， 压力逐渐降低 ， 当压力低于泡点压力 Y - r L 等 充气控压钻井过程压力影响因素分析 3 3 时， 小气泡便从环空钻井 液中析 出、 聚并 、 长大 、 滑 脱 ， 对井 E 1 压力的控制及安全携岩极为不利， 钻前要 充分根据邻井资料进行评价 ； 该类流体的侵入可以 根据平面径向流模型来描述 。 2 P ～P f q _弋 B o IIn I 3 I I ，．w J J 式 中， 为地层 有效渗透率 ， m ； H为储层有效 厚 度， m； P 。 为地层压力 ， MP a ； P f 为井 底流压 ， MP a ； 为地层产 流体黏度 ， mP a s ； B 。 为地层油体积系 数 ， 无因次 ； r e 为泄油半径 ， m； r w为井眼半径 ， m； S 为表皮系数 ， 无因次。 从平 面径 向流方程可 以看出， 影响井底流体产 量 q的可控因素 是井底流压 P ， 井底 流压P 受方 程 2 及井 口回压的直接影响 ； 通过井 口回压可快 速传递到井底 ， 改变井底流压 ， 控制井底流体 向钻井 液入侵 ； 进一步控制井筒合理的流型， 避免井 口环雾 流的出现 ， 满足安全携岩要求 。 3 实例计算 A c a s e s t u d y 3 ． 1 基础参数 Ba s e p a r a me t e r s 以新疆某井三开井身结构及钻具组合 为例 ， 二 开直径 1 7 8 mm技术套管下深 4 4 2 3 m； 井深 4 9 5 0 m； 直径 1 4 9 mm牙轮钻 头； O1 2 1 mm钻铤 1 根 ； 直径 1 2 0 mm螺杆钻具 1 根 ； 直径 8 8 ． 9 mm加重钻杆 4 2 0 m， 其余为直径 8 9 mn l 斜坡钻杆。地面温度 2 O℃， 地温梯度 3 o C／ 1 0 0 m； 大气压力 1 1 0 P a ， 地层压 力系数 1 ． 1 6 MP a ／ 1 0 0 m， 机械钻速 2 ～ 4 m／ h 。 空 气 密 度 1 2 9 3 g ／ c m ， 氮 气 密 度 1 2 5 7 g ／ c m ， 天 然 气 密 度 7 1 3 g ／ c m3 ， 聚 合 醇 体 系钻 井 液 密 度 1 ． 1 5 ～ 1 ． 1 7 g ／ c m ， 塑性黏度 l 0 ～ 2 5 mP a s 。 3 ． 2 井口回压对环空流态的影响 Ef f e c t o f b a c k p r e s s ur e o n a nn u l us fl o w pa t t e r n 由于气液两相流动规律 的复杂性 ， 国外早在 2 0 世纪 5 0年代开始此项研究工作并取得重大发展 ； 文 献 中流型和流态介绍较多 ， 但对于充气控压钻井垂 直管两相流动 ， 普遍认可有 以下 4种流型 [ 1 ， 即泡状 流、 段 塞流 、 搅动流、 环雾流。其中以泡状流携岩效 率最好， 而环雾流恰好与之相反 ； 在施_T过程中根据 实际 晴况调整工程参数 ， 避免井 口环雾流的出现， 提 高携岩效率。 钻井液排量为 1 2 L ／ s ， 气侵量 1 0 L ／ s ， 注气量 l 6 m ／ mi n ， 其 他参数 同上 ； 利用上述模 型与流态 的判 断 ， 对环空在不同井 口回压下 的流动规律进行计算 与分析 ， 结果见图 1 。 1 0 8 0． 6 0 ．4 0 ．2 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 深度／ m 图 1 环空气液比与井 口回压关 系曲线 F i g ． 1 T h e c u r v e s o f g a s - l i q u i d r a t i o a n d b a c k p r e s s u r e 从图 1可以看出， 随着井 口回压从 0 ． 1 - 5 ． 0 MP a 的增加 ， 在同一井深环空气液 比呈逐渐下降的趋势， 特别是在距井 口 5 0 0 m范围内尤为突出 ， 井 口处气 液 比 为 0 ． 2 ～ 0 ． 9 8 ， 变化较明显 ； 井 口施加 回压的变 化 ， 也直接影 响到环空流态的转变， 表 1 为不同回压 下环空的流态随井深的变化情况。 表 1 不 同回压下环空流态分布 T a b l e 1 F l o w p a t t e r n o f d i ffe r e n t b a c k p r e s s u r e 对 比表 1 可 以看出， 在相同注气量与钻井液排 量条件下 ， 井 口回压 的改变直接影响到环空的气液 比o 【 ， 而直接表现 出来的是环空流态的转变 ； 当井 口 加 0 ． 1 MP a回压时， 环空发生 了4种流态的转变， 这 在钻井过程 中不是理想 的结果 ； 而井 日回压增加到 5 ． 0 MP a 时 ， 全井段为泡状流， 这种流态在满足井底 压力与井 口设备安全条件下 ， 是充气控压钻井设计 的理想 目标。 而井底压力 的变化更是控压钻井设计的关注焦 点 ， 注气量与 回压的变化对井底压力的影响见表 2 。 表 2 不同注气量与 回压下井底压 力 MP a T a b l e 2 T h e b o t t o m p r e s s u r e o f d i ff e r e n t g a s i n j e c t i o n 注 气量 回压 回压 回压 回压 ， m 0 ． 5M P a l MPa 2MPa 3M P a l 0 5 3． 5 5 4_ 3 55．6 56 ． 9 1 2 5 2． 9 53 ． 9 55． 3 5 6． 5 l 6 51 ． 8 5 2． 9 5 4． 6 5 5． 9 l 8 51 ．2 5 2． 4 5 4．3 5 5． 6 20 5 0． 7 5 1 9 53 8 55 ． 3 3 4 石油钻采工艺2 0 0 9年 2月 第 3 1卷 第 1 期 所钻井段井底压力为 5 3 - 3 MP a ， 从表 2中分析 来看 ， 井底压力对注气量与回压 的改变非常明显 ， 井 口回压 为 0 ． 1 MP a时， 井 底储 层段的气 侵量 同样也 会增加， 井 口可能会 出现环雾流， 这不但不能满足安 全携岩 ， 同样井控设备也可能 出现失控 ， 引发事故。 避免诸 类事故发生直接 的办法是先对井 口施 加 回 压 ， 加大钻井液排量 ， 然后 降低甚至停止井 口注气 ， 调整钻井液性能直到满足环空安全携岩与适当的井 底压 力统一 4 结论与建议 Co n c l u s i o n s 1 由于充气控压钻井是近几年才开始应用 ， 可 借鉴 的实例与研究还不多 ， 而且都是在复杂地层下 实施 ， 所以在钻前建立数学模型 ， 对其水力学进行模 拟与评价 ， 对现场钻井有重要 的指导意义。 2 由于使用 了充气设备 ， 对钻井液脱气设备与 钻井液的 自身脱气性能也有较高的要求 ； 保证在正 常钻进过程中井 口设备能够处理地层突然大量产气 的能力 。 3 充气控压钻井使用了稍高于地层压力梯度的 钻井液密度 ， 配合井 口回压可以方便 、 快速调整 当量 循环密度 ， 对 突发钻井事故处 理较 为灵活 、 方便 ， 能 够在平衡点附近安全钻进 ， 尤其是地层含 H ， S ， 可以 快速调整 当量循环密度 、 使之稍 高于地层压力安全 钻进 ； 在不久的将来 ， 控压钻井将会是一种更安全 、 更快 、 更有效的钻井技术 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] S V E 1N S y l t o ， S VE I N E r i k E i d e ， S T E 1 NA R T o r v u n d ． H i g h l y a d v a n c e d mu l t i t e c h n i c a l M P D c o n c e p t e x t e n d s a c h i e v a b l e HT H P t a r g e t s i n t h e No r t h S e a l R j． S P E ／ I A DC 1 1 4 4 8 4 ， 20 0 8 ． [ 2] ME D L E Y G E OR G E H ， DE N NI S Mo o r e ， S AG A R Na u d u r i ， e t a 1 ． S i mp l i f y i n g MP D l e s s o n s l e a rne d l R j． S P E ／ I A DC 1 1 3 68 9， 2 0 0 8 ． [ 3] S I L V A N G S A ， L E UC HT E N B E R G C ， G I L I C ， e t a 1 ． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g r e s o l v e s p r e s s u r e d e p l e t i o n r e l a t e d p r o b l e ms i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e H T H P K r i s t i n F i e l d [ R] ． I ADC／ s P E 1 1 3 6 7 2 ． 2 0 0 8 ． 1 4 j B J OR K E V O L L K n u t S ， MO L D E D a g O v e ． R O MME T V E I T Ro l v, e t a 1 ． M PD o p e r a t i on s o l ve d dr i l l i n g c h a l l e n g e s i n a s e v e r e l y d e p l e t e d HP ／ HT r e s e r v o i r ． I ADC／ S P E 1 1 2 7 3 9 ， 2 0 0 8 ． [ 5] 严新新， 陈永明， 燕修 良． MP D技术及其在钻井中的应 用 [ J ]． 天然气勘探与开发， 2 0 0 7 ， 3 0 2 6 2 6 9 ． YAN Xi n xi n，CHEN Yo ng mi n g ，YAN Xi ul i a ng ．M PD a n d i t s a p p l i c a t i o n t o d ri l l i n g[ J ]． Na t u r a l G a s E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t , 2 0 0 7 ， 3 0 2 6 2 - 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