在海洋钻井中井下测量合成基泥浆性能.pdf

国外钻井 技术 第十二卷1 9 9 7年第 1期 结论和建 议 】 必须通过细致研究钻进扭矩的各种分 量 钻柱摩擦扭矩、 钻头扭矩、 动态扭矩和机械 扭矩来分析钻进扭矩 精确的扭矩评价能够实 现更好的扭矩预测和针对性更强的减少扭矩 的 目标。 操 作 最 优 1 2 英寸井 艮 下钻 高造斜点 下 9 英 寸套管 高造斟点 8 英寸井眼下钻 低造斜点 下 5 英寸 衬管 低遣斜点 下完井管柱 高遣斟点 软管作业 高造斟点 2 分析管柱的扭矩和阻力应以套管井眼 和裸眼各 自的摩撩系数的研究为基础 。 扭矩和 阻力摩擦系数可能大大地不同于本文“ 扭矩预 测 部分介 绍的数值 ， 所以应从各井段的现场 数据中导出 。 3 钻进时钻头扭矩会变化很大并且是动 态的。应该谨慎使用钻头扭矩模型， 除非为现 场数据所证实。 更好的测量是通过 MWD的钻 进力学短节 。 蕊测中应使用保守的钻头扭矩上 限 ， 应认识到钻头类型对扭矩趋势的影响 4 油井之间甚至在某给定油井的同一井 段 ， 由于岩屑床等井眼条件 ， 套管 井眼和裸 眼 的摩撩系数可能变化很大。 收集和分析现场数 据对量化这些变化是关键的。 5 注水泥时衬管转动期 间预测扭矩 ， 要 求对照现场数据专门校准扭矩模型 注水泥引 起的效应可能太大地改变衬管的阻力行为 ． 并 产生很大的机械扭矩。因此 ， 就大位移钻井的 衬管和下入管柱的扭转能力而言， 保守原则是 可 取的 6 阻力预测依赖于精确诊断油井的摩攘 阻力和管柱的屈曲程度 。 中等程度的正弦屈曲 可 容忍， 并且不会导致阻力 的严重增加 。应 该避免管柱大范围的螺旋屈 曲， 它会导致严重 的阻力及锁死 。 冲蚀井段 可能导致受压管柱的 很大变形并且可能引起钻杆的损坏 ， 在太位移 钻进作业中， 由于上述及其它原因， 应避免冲 蚀井壁 。 7 有各种措施减少扭转和阻力的摩擦系 数并克服存在的扭矩和阻力， 以取得理想作业 的成功。 大位移钻井工程师应该备有减少扭矩 和阻力的应急措施， 以及对存在扭矩和阻力约 束的重大危险作业使用替代方法 。 8 太位移井谢面设计与扭矩和阻力行为 是相互依赖 的， 最优 的井眼轨迹 ， 取决于局部 摩擦系数及给定的油井设计和钻机极限施加 的具体作业约束 。 因此必须针对具体的靶点目 标和施工环境来优化大位移井剖面 译 自I AC／ s e E 3 5 1 0 2 上 接 第 5 1页 2 实测的环空压力损失比A P I 方法计度依赖于钻柱加速度／ 减速度。 算的压耗低很多。 5 大排量开泵和下钻诱发的动量迅速变 3 合成基泥浆的流变性和密度对温度和 化使井下压力大幅度增加 压力敏感。尽管地表静止情况下水静压力 不 译 自 S E 3 5 0 5 7 变， 但井下水静压力则不断发生变化 。 4 激 动和抽吸压力是动态变化的， 并高 维普资讯 ．W ． Wh i t e 等著 弓 t， 。 士 井深处进行测量 。 i l ． 井下停感器 使用合成基泥浆 S B M 时计算泵 压与实 际 泵压相 差高达 3 5 。如果 当量循 环密度 E C D 不可靠 ， 则潺失造成的风险很大。受水 力参数影响的有关问题还有 起下钻激动和抽 吸压力、 泥浆泵尺寸 、 水力参数优化、 井控及油 井总体设计等 。 造成 S B M 泥浆水力参数 难以预测的根 本原因也许是缺乏合格的现场数据。 全尺寸现 场试验， 虽然价格昂贵， 但非常宝贵， 因为在实 验室或浅井 中很难模拟现场的高温高压条件 。 由 Ma r a t h o w石油公司领导 的一特别 小 组成 功地在墨西哥海湾一 口测量井深 1 2 7 1 0 英尺 的井 中安装仪器并收集了大量的水力参 数数据 。 该小组的骨干人员由钻井承包商和主 要的服务公司代表组成。 本项 目的首要 目的是收集足够的数据 ， 以 便解决泵压和 E C D实测值与计算值之间所产 生的误差。其次是测量和评估波动 与抽 吸压 力、 钻头压降、 当量静态密度及泥浆温度分布 。 检测仪表和测试程序 测试 井选在墨西哥海湾南 P a s s 8 9区块 ， 水深 4 2 0英尺。 l 1 英寸单一重量的中间套管 下至测深 1 2 7 1 0英尺， 固井后进行测试。测量 时 5英寸钻杆柱下至 1 2 4 3 9英尺 垂深 1 2 1 8 6 英尺 。用 P AO台成基钻井液， 密度 1 1 ． 5磅／ 加仑 ， 即钻中间套管井段用过的泥浆。 很明显， 钻机费用是最紧迫的问题 ， 为减 少钻机时间， 使用了井下多套传感器。这种方 案有效地提高了数据质量 ， 因为可同时在不同 { 邢娅汪海 阁译 夏月柬校 钻柱上安装了三套传感器。 上传感器组安 装在测深约 3 4 0 0 英尺处， 正好位于最大井斜 角 2 4 。 的井段下面 。 中传感器组位于测深 8 4 0 0 英尺处， 该处泥浆循环温度预计达到最大 下 传感器组安装在测深约 1 2 4 0 0英尺处 ， 正好位 于 1 o ％英寸的牙轮钻头及带浮箍的钻头短节 上面。该段井眼倾角在井底处为 1 1 。 。 选 择喑 里泊顿 HMR记 忆式记录仪作为 井下传感器记录仪 。 这些记录仪可存储 3 2 0 0 0 套数据 ， 并且可通过编程以固定或变化的速率 去收集数据 。以后 ， 这些存储的数据转到微机 上进行分析 。 据报道这些高精度记 录仪可以在 3 5 6 F的高温下 测量压力迭 1 6 0 0 0 p s i ， 而误差 仅为士1 ． 0 p i 。 。 2 ． 地面数据采集 使用泥浆录井仪 等传统设备对 泵 压、 泵 冲、 泥浆出口温度进行连续记录 附加的地面 数 据采集设备还有一个 1 0 0 0 0 p s i 的电子压力 传感器， 一个放射性密度计 ， 一对 6 06 0 0加 仑／ 分钟的涡轮流量计 这些设备都与哈里泊 顿 C o mp u --P a c 数据采集系统连接， 并 以 1 秒 的间隔进行记录 。 测试进行 以前 ， 隔离开一个 泥浆池 ， 把地 面泥浆体积限定在 2 2 O 桶， 从而把调节泥浆的 循环时间减至最短。 这样做 同样也减少了地面 泥浆温度的变化， 并将泵校准以有助测试。在 四个不 同流量下把泥浆泵人 到一个 标定的泥 浆罐 中， 检游菜体积排量 。 测量的排量为0 ． 1 0 3 桶／ 冲， 而井队以前甩的是 o ． 1 0 0 桶／ 冲。因此 决定 万一涡轮流量计损坏就把泵冲作为备用 维普资讯 4 8 国弭 圭 占 井技 术 第十二卷1 9 9 7 年 第 1期 的度量 准 。 3 ．试验程序 试验程序分为几个部分 ， 大部分都成功地 完成了。流动试验是关键部分， 它包括在不同 流量下的测试 ， 但其它部分也很令人感兴趣。 下面按时间顺序列 出计划的九项活动 1 监测正常下钻时的激动压力 ； 2 测量模拟钻井接 单根时的压力 短期 不循环之后 ， 紧接着全排量循环 ； 3 流动试验 。 在大流量范围内， 测量井下 环空与钻桂内的温度与 压力 ； 4 循环 一段 P A o基流 体 ， 以评估 静承 压力的降低及其与钻井液的混合程度； 5 堵塞一个喷嘴 测量钻头压降的变化 ； 6 评估加入减阻剂以后的影响； 7 在静态下测量温度和静承 压力的变 化 8 在不同管柱运动速 度下， 测量激动／ 抽 吸压 力 ； - 9 在正常起钻速度下， 监测抽吸压力。 测量的数据与结果 测量了环室压力与温度随时 间的变化规 律。由于测量的数据多， 文中给出的大量数据 都 已用 3 0 秒间隔取了平均值 ， 作了对照表 ， 便 于分析 。数据本身的特征没有明显的变化 。 1 ．系统压力 图 1和图 2 分别将流动试验时测 量的压 力和采用 AP I R P 1 3 D计算的压力进行了对 比。流变模式则采用 AP I 通报 建议的分段幂 律模式。计算采用 1 5 0 。 F下的流变数据 ， 如表 1所 示 。 表 2给 出在大气压条件下 ， 不同温度时的 附加流变数据 表 中给出采用分段幂律模式和 屈服幂律模式 YP L 所得到的流变参数。 屈服 幂律模式中的有关参数值是采用曲线拟合法 而得到， 该方法保 留了 6 0 0转／ 分钟和 3 0 0转／ 分钟下的原始数据 ， 优于一般的曲线拟合法 1 循 环压力 在整个试验流量范围内， 计算的泵压都远远低于实际泵压。 计算值与实 测值的差别主要 出现在流量为 4 0 0加仑／ 分钟 以后的数值 ， 表 明f可砸 出在 紊流 压耗 的计算 上。实测泵压在高流量下 6 6 5加仑／ 分钟 比 计算值高 1 3 0 0 磅／ 英寸 。似乎是过渡流出现 时的实际流量 比计算值要高 ， 但也有可能在循 环系统的某些部分在很低的流量下过渡流就 已开始出现 。 2 环空压力 图 1 表 明实际环空压力远 比采用 AP I 公式计算 的压力值低 。图中下面 的那条曲线是采用最小二乘法对井服中、 下传 感器在所有流动试验 中测量到的全部数据进 行拟合的结果。 该图中空方块代表流量逐渐上 升时测量的压力。 而实点则代表流量逐渐下降 时测量的压力 表 1 钻井液性能 5 5 高 3 温 0 0 高 F5 蓦 z． 。 温度 ， F 1 5 0 电稳定 ， 伏 6 0 2 R 6 O 0 9 2 石灰 ， 磅／ 桶 6 5 R 3 0 O 5 8 固相 体积百分 比 ． 2 1 R2 0 0 4 6 台成剂 体积百分 比 、 5 7 R1 0 0 3 2 水 体积 百分 比 ， 2 2 R6 l 0 合成剂 ／ 水 7 2 ／ 2 8 R3 8 柱正的固相百分 比， 1 8 7 8 低 比重 固幅百分 比， 1 0 2 3 P V． 疆泊 3 4 低 比重同相 ， 磅／ 桶 9 8 1 9 YP， 磅／ 1 o 0英尺 2 4 高 比重 固相百升 比， 8 ． 铀 l 0秒凝腔8 高 比重 周幅 ， 磅／ 桶 1 8 5 1 - 1 0分凝腔 3 2 氯化物 ， 毫 克／ 开 5 5 ． 0 3 钻柱内压力钻柱内压耗 占去了泵压 的大部分 。正如图 2所示， 实测泵压与计算泵 压之 间的差别正是 由于计算钻柱 内压耗的误 差所引起 。可能的解释如下 a ．目前的 AP I 方程中不包括温 度和压力 对合成基泥浆影响的校正。 b ． AP I 通报中推荐的 D o d g e --Me f z n e r 摩 擦系数关系式可能不适用 。 维普资讯 4 9 表 2 现场句 I 童数据和漉童馘 8 0 l O O 1 l O ● 1 2 0 1 3 b F Da t a API Y PL D_ t a API Y P L Da t a API Y P L Da t a API Y P L Da t a API Y P L R6 0 0 2 0 9 2 0 9 2 0 9 1 55 l 5 5 l 5 5 1 3 1 埔 l 1 3 1 l l 4 l l ‘ 1 2 4 1 0 6 1 O 6 1 0 6 R3 0 0 l 2 o l 2 0 1 2 O 9 1 9l 9 1 7 9 7 9 7 9 7 0 70 7 0 6 6 6 6 66 R2 0 0 8 9 8 6 ． 7 8 7 3 6 9 6 6． 6 6 7 ． 3 6 0 5 8 ． 8 5 9 ． 4 53 5 2． 6 5 3 ．2 5 1 5 0 5 0 6 R1 0 O 5 0 5 0 5 1 ． 5 44 44 4 1 3 3 8 3 8 3 7 ． 5 3 5 5 35 3 4 3 4 3 3 R6 1 0 11 5 9 ． 9 1 l 12 ． 3 1 0 ． 7 1 l l 2 1 0． 7 1 0 1 O． 7 9 ．6 l 1 1 o ． 6 I O 1 R3 8 8 9 9 ． 2 9 ． 3 8 8 8． 3 8 8 8 3 PV 8 9 8 9 8 9 6 4 6 4 6 4 5 2 5 2 5 2 44 44 4 0 40 40 YP 3 1 3 l 3 1 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 6 26 2 6 2 6 26 26 D． 8 0 0 ． 7 7 0 7 3 0 ． 7 0 0 ．6 8 K 0 ． 8 7 O ． 8 l O． 89 o ．9 3 0 ．9 9 0 ． 5 2 O ． 4 5 O． 4l 0 4 2 0 ．4 1 K 3 ． 6 4 4 ． 5 9 4． g1 4 3 O 4 ．3 5 F 5． ‘9 7 ． 3 2 7 ． 3 8 6． 3 7 6 ． 9 3 O． 8 3 0 ． 8 2 0 ． 7 9 O． 7 6 0 7 K 0 ． 6 9 0 ． 5 4 0 ． 5 6 O． 6 O O 6 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 。 F Da 协 API Y PL Da t a API Y PL Da 姐 API Y PL Da t a API Y P L DB t a API 一PL R6 0 0 9 7 97 9 7 9 2 9 2 9 2 8l 8 1 8 1 7 5 7 5 7 5 6 4 R3 0 0 6 0 6 0 5 8 5 8 5 8 52 5 2 5 2 4 8 4 O ， 4 0 R2 0 O 4 7 4 5 ． 3 4 5 9 4 6 44 ．3 4 4 ． 8 4 2 4 0 ． 1 40 ．5 3 7 3 7 3 7 ． 2 3 1 3 0 4 3 0 5 Rl 0 O 3 2 3 2 2 9 ． 8 3 2 3 2 2 9 6 2 8 2 8 2 6 ．9 2 6 2 6 2 ‘ ． 5 2 0 2 0 l 9 5 R6 1 0 1 0 ． 5 9 5 l O 10 ． 5 9 ． 6 8 9 2 8 1 7 6 ． 9 6 ． 5 4 5 5 R3 8 8 8． ‘ 8 8 8 ． ‘ 7 7 6 9 5 S 5 ． 4 4 4 3 5 P V 3 7 3 7 37 3 4 3 4 3 4 2 9 2 9 2 9 2 7 2 7 2 7 2 4 2 4 2 4 YP 2 3 2 3 23 2 4 2 4 2 4 2 3 2 3 2 3 2 l 2 l 2l 1 6 1 6 1 6 0 6 9 0 ． 6 7 0 ．6 4 0． 6 喜 0 ． 6 8 K 0 ． 8 5 0 ． 9 7 1 ．0 3 O 9 2 0 ． 6 2 0 ． 4 0 0 4 0 0 ．4 0 0． 47 0 ． 46 K 4 ． 4 8 4 4 8 3 ． 0 2 2 48 2 ． 0 2 F 6 ． 8 3 6 ． 6 4 4 9 ‘ 3 ．4 8 2 05 0 ． 7 6 O ． 7 3 0 6 9 0 ．6 8’ O 71 K O ． 4 9 O ． 57 O 6 7 0 ．6 7 0 ． 4 9 维普资讯 5 0 国外鲇井技术 第十二馨堋年第 1 期 c - A P I 推荐的摩擦系数中没考虑管壁粗 流量值是该油田钻井时经常使用的数值。 为提 糙度的影响。虽然管子都是喷塑的， 但其粗糙高数据统计质量并检测迟滞现象 ， 其中 7 种流 程度是很明显的。 量用于逐渐增加的流动 ， 7 种流量用于逐渐减 d ． 通过接头时泥浆突然收缩与膨胀诱发弱的流动， 如图3 所示。 另外， 四种附加的流量 的压耗增加未考虑进来。 钻杆内径为 4 ． 2 7 6 英用在中间补充， 以便更好地保证测量结果 。在 寸， 而接头的内径则分别为 2 ． 7 5 和 3 英寸。 1 4 ． 5小时和 1 5 小时之间出现的一次流量峰 4 钻头压耗计算的钻头压耗与实测值值， 这是模拟接单根后的瞬时开泵。 泵停止 l o 吻合很好 。 投有想把钻头同其上面连接的短节分钟 ， 之后很快把流量开到最大。这样施加于 隔离起来 。 测量值是井下内外传感器上的净压环空上的附加载荷很明显。 差。 2 泵 压泵压变化 同流量变化 非常相 2 ．流动试验 雀 一 罂 憾 、 ， 芒 堆 ／ ／ 0 ／ ／ ／ L ， ／ _ ／ 碗量加仑 } 钟 图 1 测量和计算 的环 空压耗对 比曲线 2一 AP I 公式计算值 ； 3一实蔼值 f ． ／ ‘_ ．1 ’ ／ ‘ ’／ 0一 ． L 一 ／ 图 2 钻柱 内压耗 测量值和 计算值对 比 2 一实测值 ； 3 一A P I 计算值 流动试验是为了得到不同流量条件下地 表和井下压力数据 由于时问限制， 对每一个 流量仅限于稳定十分钟。 逐步降低流量时这一 时间足以保障地表和地下压力读出。 但逐步升 高流量时井下压力并不能完全稳定。 1 流量从 6 5加仑／ 分钟 到 6 6 5加仑／ 分钟共计有 l 8 种流量用于流动试验。后面的 似， 并且在每一个流量下都稳定。只有个别一 些压力变化出现了异常 ， 这是 由于流量增加和 减小所造成的不同结果。 3 当量泥浆循环密度当量循环密度是 把环空压力传感器处测得 的绝对压力转换成 密度数值而得到 当量循环密度在井底最高 ， 而在井 口则最低 。这一点是预计到的， 因为当 量静态密度也是在井底最高， 在井口最低。 流动试验时井下压力需要较 长时间才能 稳定下来 ， 尤其在井底和环空中间部位 ， 在 l 5 至 1 6 小时之间取得的数据特别明显。该测量 结果清楚地表明非牛顿流体的剪切时间特性 和触变性能 在 l 4 ． 7 小时和 1 8小时之间流量 的快速增加对测量结果影响很大。 对测量结果 仔细观测后发现 ， 在每一流量下完全稳定下来 的时间大约为 3 O多分钟。 4 当量循环密度增量当量循环密度增 量是当量循环密度减去当量静态密度所得到 的结果。当量静态密度是在 1 4 ． 5小时左右静 止十分钟 以后 开始计算的 ， 井 口、 井眼中间和 井底传感器处的当量静态密度分别为 I I ． 4 5 、 I 1 ． 5 1 和 I I ． 5 6磅／ 加仑 。没有试 图去决定每 一 流量下的当量静态密度 ， 虽然由于温度和压 力变化会使该值出现微小变化 同当量循环密度变化相反 ， 当量循环密度 增量在井口最高 ， 在井底最低。该结果同以前 的钻杆偏心度研究结果一致， 钻杆偏心度可能 是造成当量循环密度实测值和计算值不同的 主要原因。 该井的井身剖面表明钻杆在井口较 居中 在井底偏心较大 。 维普资讯 国界 钻井技术 5 1 盎 弋 曩 一 培 图 3 流 动试验 中使用 的流量 ， 包括 在 1 4 ． 7小时 时模拟接单报后的开泵 喜 龆 l l H一 叶 11。 l H ， 1 二 牛 E j I r 匕 妇 ， { 叫1 l I L {珂 { } 叶一 T{ l 1 一 I 下 逝 r - l j平 Il 上 ／ 、 一 ㈠ { 1 l ／ l 1 l l| ，I{ l 1 i} 处泥浆温度与地温相 同， 为 1 6 0 。 F。 由于温度变化 ， 所 以静 水压力 也不 断变 化。除了移动陀螺仪引起的拢动， l井下压力稳 步增加 。这一趋势不必视为标准 ， 因为静水压 力波动决 定于开始的温度剖面和很 多影响井 下温度的参数。 ’、 ．，j ， ． 2 合成基泥浆段塞2 0桶段塞 比重为 、0 8 0 1 的 P AQ合成剂 以 6 7 0加仑／ 分钟 的排 ＼ 萤注本并常 以监测压力的变化， 并观察它与 泥浆的混合情况。 这样可模拟现场有时使用的 ’低密度／ 低粘度段塞流情况 。其结果用当量循 环密度的变化来表示 当段塞依次通过环空各 传感器时， 当量循 环密度减步基本相同。但通 过每个传感器的时间基本上都延长了一倍。 这 说明段塞柱已被拉长。 、 3 起下钻时激动， 抽吸压力测量了从 井底起出最后 1 0根立根和刚下入 1 0 根 立根 时井底压力的变化 很 明显， 下入立根时压力 增加达 3 0 0磅／ 英寸 ， 而起出立根时最大压力 减小为 1 6 0磅／ 英寸 。 图 4 三组 传感器分别测量的环空与钻 柱内温度 5 环空和钻柱内温度图 4 给 出了流动 试验中环空温度的变化， 这些数据可用于绘出 循环时的温度近似剖面。 6 钻头压降钻头压降象泵 压一样 稳 定， 由于使用的喷嘴尺寸大 ， 所以钻头压降很 低。 2 英寸的大尺寸喷嘴基本上代表了该 油 田．钻8 1 进 3 z 时使用的喷嘴 ， 虽然 P D C钻头会有 更多 的喷嘴 ， 但该项 目实施时并无 P D C钻头， 因此仅限于三牙轮钻头的三个喷嘴情况 。 3 ．特殊试验 为充分利用该项目所提供的机会， 进行了 一 些特别感兴趣的试验。结果讨论如下 1 静态温度剖面为下陀螺仪铡井静止 了较 长时间， 从 2 2小时到 3 0小 时这段时 间。结果很明显 位于环空上面三分之二中的 泥浆变凉 ， 下面三分之一泥浆较暖 ， 而中间部 分环空中的泥浆温度则相对较为稳定。 交会 图的交点在垂深 8 0 0 0英尺以下， 该 4 ．钻井液流变性 除了传统的流变性测量以外 ， 还使用了范 氏 7 0模型和 Hu x l e y --B e r t r a m粘度计测量 了 高温高压泥浆流变性能。H u x l e y --B e r t r a n同 样提供了高温高压临界密度。 在测试温度和压 力范围内 高达 1 8 0 。 F和 7 3 0 0 p s i 泥浆高温高 压性能变化趋势良好 。 AP t 推荐的分段幂律模 式很适合描述其性能。 结 论 该项 目收集的数据对 了解合成基 泥浆的 井下性能非常有用。 为达到试验目的而在该项 目中使用的测试方法和设备工作很好 。 使用多 传感器组尤其有用。 试验资料为将来进行模型 化大大改善合成基泥浆 的水力学计算 ， 打下了 坚实基础。 其它的主要结论如下 1 实测 的钻柱 压力 比按 AP I方程计算 的压力高得多。 这也辫释了实际泵压与计算泵 压差别较大的问题 。 下转第 2 8页 维普资讯