宋深CP102控制压力钻井水力参数设计.pdf

大 庆 石 油 学 院 学 报 J OuRNAI OF DAQI NG PETROI EUM I NSTI TUTE 第 3 4卷 第 6 期 2 0 1 0 年 1 2月 Vo l | 3 4 No ．6 De c ． 2 0 1 0 宋深 C P 1 0 2控 制压 力钻 井水 力参数设计 韩福彬 ，张 冶 ，王 蔚 1 ．大庆油田有 限责任公 司 勘探分公 司， 黑龙江 大庆1 6 3 4 5 3 ； 2 ．大庆油 田有限责任公司 第六采油厂 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 4 摘要 以控制压力钻井井底有效压力 当量泥浆密度和地层压 力当量泥浆 密度差 为 目标函数 ， 结 合约束条件 ， 建 立 水力参数优化设计 的多元规划函数． 以该模 型为基础 ， 对宋深 C P 1 0 2 井排量 、 泵压等水力参数进行优化设计 ， 保证 了钻井 当量泥浆密度和地层压力 因数差为 0 ． 0 7 0 ～O ． 0 9 3 ， 满足 了中国石油气体 钻探 标准规定 ， 有力地保 护了储层 。 为大 庆及 其 他同类油 田油气层保护 ， 提高单井产能提供一 条途径． 关键词 控压钻井 ；水力参数 ；优化设计；宋深 C P 1 0 2井 中囱分类号 TE 2 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 1 8 9 1 2 O 1 0 0 6 0 0 7 2 0 3 大庆深井钻井过程中地层漏失、 压差卡钻、 窄密度窗 口等问题越来越突出， 控制压力钻井 MP D 技术 是解 决这 些难 题 的有效技 术手 段之一 ， 并 能提 高深层 钻井 速度 ， 及时 发现 和保 护 油气 层 ， 宋深 C P 1 0 2井 就 是 在这种 情况 下实行 的控 制压力 钻井 Ⅲ 1 ] ． 控制 压力 钻井 技术 是近 十几年 来发 展起来 的新 方法 ， 国内外学 者 做 了许 多研究 工作 ， 王果 等对控 制压 力 钻 井技 术 应 用进 行 了研 究 ， 主 要介 绍 MP D 钻井 技 术 的 目标 、 优 点 和 实现方 法 ， 加 深 了对 MP D技 术 的特 征及 相 关概 念 的 理解 ， 为 研 究 和发 展 这一 技 术 提 供 了理 论 基 础L 2 ] ． 刘 超等E 根据华 北油 田衡 6井潜 山地 层钻井 低压 易漏 特 点和 现场 井 下情 况 ， 从 压 力控 制 和 防止 井 漏 等方 面进行了控制压力钻井方案设计， 成功实现了衡 6 井的安全、 快速钻进． 黄明、 石希天等 分别介绍了控 压 钻井技 术在 川科 1 井 和 中古 8井 的成 功应用 经验 ， 进一 步推 动这一 技术 的发 展． 宋深 C P 1 0 2井位 于松 辽盆地 东南 断 陷区徐 家 围子 断 陷宋站低 隆起 带 ， 油气 勘探 目的 是为 了进 一 步评 价 宋站地 区营城组 三段火 山岩岩性气 藏 的含气 情况 ， 争 取产 能 上有 所 突破 ， 以实 现该 区块 的储 量 升级 ． 宋 深 C P l O 2井是 裂缝性 火成 岩储层 ， 具 有井底 破裂 压力 较低 ， 钻井 液密 度窗 口小 等 特点 ． 为 了有 效保 护 油气 层 ， 安全钻进 ， 该井采用了控制压力钻井工艺技术 ， 起钻时采用了憋压灌浆起钻的工艺技术． 在控制压力钻 井过程中水力参数对井眼净化、 环空压耗及井底压力控制都有着重要的影响 ， 这方面国内外可借鉴的文献 较 少 ， 因此笔 者研究 了控 制压 力钻井 水力 参数 优化设 计方 法． 1 目标 函数 控 制压 力钻井 技术 是通 过准确 预测 地层压 力 、 管理 和控 制 环空 压 力 ， 实现 精 确控 制 井 底压 差 ， 解 决钻 井 过程 中由井眼压 力控 制不 当引起 的 复杂 问题 ， 并 通过 快速改 变操 作处理 井底 压力 突变 ， 使井 底压 力始终 控 制在 安全 操作 范 围内 ， 并保 护油 气藏 ． 1 ． 1 泥浆 密度 控 制压 力钻井 井底 有效 压力 当量 泥浆 密度 和地层压 力 当量泥 浆密度 差 △ |0 为 △ J0 1 0 0 L 十一丝 二 ， 1 ’ 』D。h 式 中 P 为 环空液 柱压 力 ； P 为 环空压 耗 ； P 为井 E l 回压 ； P 为地层 压力 ； p为 密度 ； h为井深 ． 首 先 - U , ml 循环 流体 的流 变模式 ， 然 后计算 相应 的雷诺 数 判 别 流态 ， 进 而 确定 范 宁 摩 阻 因数 - 厂 ， 最 终 获 收稿 日期 2 0 1 0一O 7 3 0 ； 审稿人 艾池 ； 编辑 关 开澄 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 1 ． 作者简介 韩福彬 1 9 7 0 一 ， 男 ， 硕士 ， 高级工程师 ， 主要从事钻井工程技术方 面的研究 7 2 第 6期 韩福彬等 宋深 C P 1 0 2控制压力钻井水力参数设计 得循 环 系统 的环 空压 耗情 况 ， 则 为 声 一 ， 2 Dh D 。 式 中 ．0 为 泥浆密 度 ； Q为平 均 流量 ； D 为井 眼 直径 ； D 为钻 铤外 径． 对 于宾汉 流体 ， 其 层 流和紊 流 的范 宁摩 阻 因数 N 为雷 诺数 分 别为 2 4 0 ． 05 7 一 一 ’ 对于 幂律 流体 ， 其 层流 和紊 流 的范 宁摩 阻 因数分 别 为 r 24 r a 一 一 ’ 式 中 。 一 ， 6 一 ， 为 流性指 数 ． 把式 2 代入 式 1 得 f 二 一 _ 盘 ] △ lD P m 1 O o f g 。 h 。 手 D h ～ D p 。 ． g ． l‘ ’ l J 1 ． 2 约束 条 件 1 施 工排 量 能够 携带 岩屑 ， 保证 井 眼净 化 2 现场 只根据 泵压 适 当降 低排 量 ， 实 现 钻进作 业 ． 现场 带 螺杆 钻 具 钻进 作 业 时 ， 排 量为 7 ～8 I ／ s ， 泵 压 为 2 0 2 2 MP a ； 现 场不 带螺 杆 钻具 钻进 作业 时 ， 排 量 为 8 ～9 I ／ s ， 泵 压 为 2 0 2 2 MP a ． 以式 3 为 目标 函数 ， 结 合约 束条 件 ， 构成 多元 规划 函数 ， 采 用优 化 控 制 理论 与方 法 ， 可 实 现对 钻井 水 力 参数 优化 设计 ． 1 ． 3 A p的 最优 取值 1 A p ％0 ， 为欠 平 衡钻 井 ． 该种 钻井 方式 可 以 降低储 层 伤 害 ， 及 时 发 现 常 规钻 井 中易 错 过 的储 层 ， 建 立 地 面与油 气藏 之 间 良好 的渗流 通道 ， 同时可 以提 高 钻井 速 度 ， 并解 决 钻 井 过程 中 的漏 失 、 涌 一漏 等复 杂 情 况． 因此 ， 如果 地质 条件 和 现场 具备 施工 条件 ， 这 是理 想 的钻井 方式 ． 2 △ p 一0 ， 为平衡 钻 井． 3 △ p 0 ， 为过平 衡 钻井 ． 此 时 ， 井 内液柱 压力 高 于地 层孔 隙压 力 ， 对 刚破 碎 的岩石 有 压持 作 用 ， 影 响 破岩效率 ， 使钻速下降， 同时液相和一些 固相颗粒会侵入油气层 ， 而产生储层伤害． 因此 ， 对于过平衡钻井 要严格控制井底压差 ， 对于气井 ， 中国石油气井钻探标准规定钻井 当量泥浆密度在地层压力因数基础上附 加 0 ． 0 8 标 准 附加 为 0 ． 0 7 ～0 ． 1 5 ， 以保 护储 层 ． 由式 3 可知 ， 可 以通 过调 整 泥浆性 能 ， 改 变注 入排 量 和调 节 井 口回压 的方式 ， 使 △ p在 钻 进及 起 下 钻 过程 中达 到 最优值 ． 2 欠平衡钻 井可行性 地层 压力 的准 确 预测是 控 压钻 井水 力参 数优 化设 计 的基 础 ， 宋深 1 0 2井邻 井 试 油 油 层 中部 实 测 压力 见 表 1 ． 由表 1 可 知 ， 宋深 C P 1 0 2井 是地 层压 力 因数 为 1 ． 0 7的火 山岩 气藏 ． 表 1 宋 深 1 0 2井邻 井试 油 油 层 中 部 实 测 压 力 该井采用油基泥浆的低密度液相 ，其性能 密度 ， 0 ． 9 2 g ／ c m。 ；塑性黏度 ， 3 5 mP aS ； 动切力 ， 1 0 P a ． 排量 为 8 L ／ s ， 井 深 为 3 7 7 0 m 时 ， 宋 深 1 0 2井实 现全 过程 欠平 衡 钻井 可行 性 分析 见表 2 ． 由表 2可知 ， 应用 该 种 低密度 油 基泥 浆 ， 在排 量为 8 L ／ s 的情 况下 开 泵循环 时 ， 环空 压耗 为 6 ． 7 7 MP a ，井底 为 正压差 ，钻井 73 大庆石油学院学报 第 3 4 卷2 o l o年 密度 泥浆 密度 和地层 压力 因数 最 小差 值 为 0 ． 0 7 ； 停 泵 时 ， 井底是负压差 ， 差值为 0 ． 1 5 ，因此采用油基泥浆的 低 密度液 相全 过程欠 平衡 在该井 无法 实现 ． 3 水 力参数设计 为 满 足 中 国石油 气井 钻 探标 准 ， 实 现 良好 的 油气 层保护 ， 要求利用欠平衡装备 ， 通过优化钻井水力参 数 ， 实现对该井井底压力 的有效控 制， 降低钻井液密 度 ， 保证 井底 压 差 ． 因此 ， 对 密 度 为 0 ． 9 2 g ／ c m。 、 塑性 黏度为 3 5 mP a S 、 动切力为 1 0 P a 性能的泥浆， 进行 水 力参 数优化 设计 ． 在不 同施 工排 量 下 ， 运 用 式 1 对 循 环压 耗情况 进行模 拟计 算 ， 结 果见 图 1 ． 由图 1 可 知 ， 当施 工 排量 为 0 ． 0 0 8 ～0 ． 0 0 9 r n 。 ／ s ， 开泵循 环 时环空 压耗为 6 ． 7 7 ～7 ． 5 0 MP a ， 环空 当量 泥 浆 密度 为 1 ． 1 4 O ～1 ． 1 6 3 g ／ c m。 ． 当井 口 回压 为 0 MP a 时 ， 钻 井 当量 泥浆 密 度 与地 层 压 力 因数 差 为 0 ． 0 7 0 ～ 0 ． 0 9 3 ， 泵压 为 2 0 ． 7 ～2 2 ． 5 MP a ， 可 以实现 该井 的优 质 表 2宋深 1 0 2井欠平衡可行性分析 凸_ ＼ 遨 图 1 宋深 C P l O 2井水力参数计算压 降分析 安全钻进． 在短起下钻作业过程中， 采用地面循环、 井 口憋压 6 MP a ， 短起下钻． 该井通过欠平衡装备实现 对井底压力的有效控制 ， 降低钻井液密度 ， 减少井底正压差 ， 从而实现 良好的油气层保护． 每次下钻循环录 井显示 后效很 大 ， 现场点 火 8次 ， 次 次着火 ， 最 高火焰 超过 3 m． 4 结 论 1 建立 了以控制压 力钻 井井 底有效 压力 当量 泥浆密 度和地 层压 力 当量 泥浆 密度 差为 目标 函数 ， 结 合 约束条件 ， 组成多元规划函数 ； 利用控压钻井设备 ， 结合该模型 ， 通过调整泵压、 排量和井 口回压等水力参 数 ， 实现对 井底 压力 的有效 控制． 2 利用建立的多元规划 函数对宋深 1 0 2井控压钻井水力参数进行优化设计 ， 保证 了钻井当量泥浆密 度和地 层压 力 因数差 为 0 ． 0 7 0 0 ． 0 9 3 ， 实 现 了良好 的油 气层保 护 ， 能够 预 防井 漏发 生． 参考文献 [ 1 ] 严新新 ， 陈永明 ， 燕修 良． MP D技术及其在钻井中的应用 E J ] ． 天然气勘探开发 ， 2 0 0 7 6 6 2 6 6 ． [ 2 ] 王果 ， 樊洪海 ， 刘刚 ， 等． 控制压力钻井技术应用研究 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 3 4 3 8 ． E 3 ] 刘超 ， 周玉海 ， 吴红玲 ， 等． 控制压力钻井技术在衡 6井的应用[ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 1 3 3 4 3 7 ． [ 4 ] 黄明． 控压钻井技术在川科 1 井 的应用E J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 2 3 1 1 4 一l l 7 ． [ 5 ] 石希天 ， 刘斌 ， 徐金风 ． 中古 8井控压钻井实践 与认识C J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 2 2 7 7 7 9 ． [ 6 ] 孙振纯 ， 夏月泉 ， 徐明辉． 井控技术[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 7 ] 常瑛 ， 刘顺利 ， 冯久鸿 ， 等． 一种气体钻井井底流体侵入量 的简易算法E J ] ． 大庆石油学 院学报 ， 2 0 1 0 ， 3 4 1 6 0 6 3 ． [ 8 ] 郝希 宁， 汪志明 ， 薛亮 ， 等． 泥浆帽控压钻井裂缝漏 失规律[ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 1 5 4 8 5 1 ． [ 9 ] 杨振杰 ， 张喜凤 ， 岳砚华， 等． 对完善和发展复合钻井 液钻井技术的思考与认识E J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 4 ， 2 4 1 o 5 O 一5 5 [ 1 O ] 张利生 ， 宋周成 ， 白登相 ， 等． 注气控压钻井技术在塔里木油 田的应用[ J ] ． 长江大学学报 ， 2 0 0 8 ， 5 3 1 6 8 1 7 0 ． [ 1 1 ] 王岩 ， 韩辉 ， 闰铁 ， 等． 气体钻井水平井注气量模 型修正[ J ]． 大庆石油学 院学报 ， 2 0 0 9 ， 3 3 3 6 9 7 4 ．