窄密度窗口精细控压钻井重浆帽优化技术.pdf

第 4 3卷第 6期 2 0 l 5年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETROI E UM DRI I I I NG TE CHNI QUE S Vo L 4 3 No ． 6 NO v．， 2 Ol 5 钻井完井 d o i 1 0 ． 1 1 9 1 1 ／ s y z t j s ． 2 0 1 5 0 6 0 0 5 窄密度窗 口精细控压钻井重浆帽优化技术 彭明佳 ， 周英操 ，郭庆丰 ， 王天博 ， 康 1 ． 中国石油钻井工程技术研究院 ， 北京 1 0 2 2 0 6 ； 2 ． 中国石油塔里木油 田分公 司， 新疆库尔勒 8 4 1 0 0 0 摘要 在我国西部深层碳酸盐地层控压钻井中， 常采用简易重浆帽作业方式， 但作业过程中存在 引起井底压 力较大波动乃至诱发井下故障的风险。针对该问题， 通过分析重浆注替期间不同阶段重浆分布的实时变化， 改进 了井筒压力控制 方法 ， 优化 了重浆帽设计工 艺 将压水 眼重 浆和 重浆 帽进行优化 组合 ， 以压水眼重 浆返 出井 口为压 力控 制节点 ， 分 5段进行压力控制设计 ， 压 力控制 区间为 O ～5 MP a ， 并以此调整 井 口实时压 力控 制策略 ， 实现 井筒 压 力波动幅度 小于-- - 0 ． 3 5 MP a 。塔 中地 区 1 3口井 的应 用显示 ， 起 下钻 中重浆 的使 用量平均减 少 2 1 ． 5 ， 注替 作 业时间平均缩短 1 7 ． 7 。现场应用表明， 该技术在精细控压钻井注替重浆帽过程中能更加有效地控制井筒压力波 动 ， 对精确控制 井筒压力剖 面、 降低 井控 风险具有较好 的应用效果。 关键词 窄密度 窗口 精 细控压钻 井 重浆帽 优化设计 中图分类号 T E 2 4 9 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 5 0 6 0 0 2 4 0 5 Opt i mi z a t i o n o f He a v y M u d Ca p i n Na r r o w De ns i t y W i n d o w Pr e c i s e M a n a g e d Pr e s s u r e Dr i l l i n g P e n g Mi n g j i a ，Z h o u Yi n g c a o ， Gu o Qi n g f e n g ， Wa n g T i a n b o e ， Ka n g J i a n 1 ．C NP C Dr i l l i n g E n g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g ，1 0 2 2 0 6 ， C h i n a ； 2 ．P e t r o C h i n a T a r i m 0 f i e l d C o mp a n y， Ko r l a ， Xi n j i a n g，8 4 1 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t W h e n ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g wa s c o n d u c t e d i n t h e d e e p c a r b o n a t e s i n we s t e r n Ch i n a ，a s i mp l e h e a v y mu d c a p mo d e wa s g e n e r a l l y u s e d，b u t i t r e s u l t e d i n l a r g e r f l u c t u a t i o n o f b o t t o m h o l e p r e s s u r e BHPa n d e v e n p r e c i p i t a t e d t h e r i s k o f d o wn h o l e f a i l u r e s ．I n t h i s p a p e r ，t h e r e f o r e ，t h e b o r e h o l e p r e s s u r e c o n t r o 1 me t h o d wa s i mp r o v e d a n d a h e a v y mu d c a p d e s i g n wa s o p t i mi z e d a f t e r a n a l y s i s wa s c o n d u c t e d o n t h e r e a l t i me v a r i a t i o n o f h e a v y mu d d i s t r i b u t i o n a t e a c h s t a g e o f h e a v y mu d i n j e c t i o n ．No z z l e k i l l i n g h e a v y mu d a n d h e a v y mu d c a p t wo d r i l l i n g f l u i d s wi t h d i f f e r e n t d e n s i t i e s we r e o p t i mi z e d a n d c o rn b i n e d ．A p r e s s u r e c o n t r o l d e s i g n wa s c a r r i e d o u t i 1 1 f i v e s t a g e s wi t h t h e r e t u r n i n g o f n o z z l e k i l l i n g h e a v y mu d t o t h e we l l h e a d a s a p r e s s u r e c o n t r o l n o d e 。a n d p r e s s u r e c o n t r o 1 r a n g e d f r o m z e r o t o 5 M P a ．a n d b a s e d o n t h a t 。 r e a l t i me we l l h e a d p r e s s u r e c o n t r o 1 s t r a t e g i e s we r e a d j u s t e d i n o r d e r t o e n s u r e t h e f l u c t u a t i o n r a n g e o f t h e we l l b o r e p r e s s u r e t o l e s s t h a n 0 ． 3 5 MP a ．W h e n t h e me t h o d wa s a p p l i e d t o 1 3 we l l s i n c e n t r a l Ta r i m，h e a v y mu d c o n s u mp t i o n d u r i n g t h e t r i p wa s r e d u c e d b y 2 1 ． 5 a n d i n j e c t i o n t i me wa s s h o r t e n e d b v 1 7 ． 7 ．I t wa s s h o wn t h a t t h e n e w me t h o d c o u l d k e e p t h e BHP s t e a d y mo r e e f f i c i e n t l y a n d a c h i e v e b e t t e r e f f e c t s o f p r e c i s e we l l h o r e p r e s s u r e p r o f i l e c o n t r o l a n d we l l c o n t r o l r i s k r e d u c t i o n wh e n i t wa s a p p l i e d t o t h e i n j e c t i o n o f a h e a v y mu d c a p i n p r e c i s e ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g r e g i me ． Ke y wo r d s n a r r o w d e n s i t y wi n d o w；p r e c i s e ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g；h e a v y mu d c a p； o p t i mi z a t i o n 在精 细控 压钻 井 的正 常钻 进 中 ， 井 J 氐压 力 为钻 井液静液柱压力 、 循环压耗和井 口回压之和 ； 起下钻 过程中， 井底压力为钻井液静液柱压力和井 口回压 之和， 则此时井 口回压为循环期 间井 I l 回压及环空 压耗之和 一 。因下部钻具组合无法通过旋转控制 头 ， 控压起钻中途需转为常规起钻 ， 向井内注入重浆 施加附加压力以维持井底压力恒定 。重浆沿环 收稿 日期 2 0 l j O 4 2 8 ； 改回 E t 期 2 0 1 5 - 1 0 2 l 。 作者简介 彭明佳 1 9 9 O 一 ， 男， 江 苏徐 州人， 2 O 1 3年 毕业于 河 北大学行政 管理 专业 ， 助理工程师， 主要从 事欠平衡钻 井、 精细控 压 钻井技 术等新 型钻 井技术研究j 7 _ 作。 联 系方式 0 1 0 8 0 1 6 2 2 2 8 ， p e n g mj d r c n p c ． c o n l 1 。 基 金 项 目 国 家科 技 重 大 专项 “ 窄 密度 窗 口安 全 钻 井技 术 与 配 套 釜 言 釜 龛 妻 羹 项 深 层 碳 酸 盐 岩 地 层 与 井 筒 耦 合 作 用 机 理 与 压 力 目 砌 狂 制 究” 编 号 5 1 2 7 4 2 2／ 资 助 。 第 4 3巷 第 6期 彭明佳等． 窄密度 窗口精 细控压钻 井重浆帽优化技 术 空上返期间， 井 口回压降低。然而 ， 当钻具内的压水 眼重浆进入井眼环空时将对重浆注入期间的井 口回 压产生影响， 若注入重浆过程 中控制不 当而使井底 压力产生较大波动 ， 则易引起井下故 障[ 7 ] 。 目前 国 内关于该方面的研究基本还处 于空 白， 现场控压起 钻过程 中将该部分压水眼重浆 忽略不计 ， 因而易引 起井底压力较大波动 ， 尤其对于我 国西部深层碳酸 盐岩地层 如塔 中地 区窄密度窗 口地层 甚至可能诱 发井下故障 ， 存在一定 的井控风险_ 8 ] 。为此 ， 笔者 分析了精细控压钻井注入重浆过程 中控制井 口压力 时存在的问题 ， 将压水 眼重浆与重浆帽组合进行设 计 ； 以塔 中地区某井为例进行 了重浆帽设计 ， 并对简 易重浆帽和组合重浆 帽进行了差异化分析 ， 表明新 技术在保证井筒压力稳定方面效果 良好。 1 简易重浆帽及压水眼重浆参数计算 1 ． 1 简易重浆帽参数的计算 控压起钻期间 ， 重浆帽在井底产生附加压力 ， 该 压力的大小可根据控压钻井水力学软件模 拟得 出， 由此可知环空中所需重浆量及其高度的计算式为 H 一 Ap-- p f 1 pl P V HV D C _ 2 式 中 H 为重浆在环空中的高度 ， m； A p为环空中重 浆产 生 的 附 加 压 力 ， MP a P 为环 空循 环 摩 阻 ， MP a ； g为重力加速度 ， m／ s ； P ． 为重浆帽的钻井液 密度 ， k g ／ m。 ； p为钻进期间的钻井液密度 ， k g ／ m。 i V 为环空中的重浆量 ， m。 ； 为单位长度技术套管 的 内容积， m。 ／ m。 1 ． 2 压水眼重浆参数的计算 控压起钻前需 向井 内注入一定量的高密度钻井 液 ， 以防止起钻时原钻井液从钻具 内喷出， 该部分钻 井液称之为压水眼重浆 。根据控压钻井水力学模型 的模拟原理 ， 可知起钻时井 口压力、 井下内防喷工具 开启压力与安全附加压力之和即为压水眼重浆需要 产 生 的压力 ， 则 H 1一 3 、 p 2一 p J g 式中 H 为压水 眼重浆在钻具内的高度 ， m 为压 水眼重浆 的密度 ， k g ／ m。 ； A p 为环空 中压水 眼重浆 的附加压力 ， MP a 。 2 井 口回压控制策略 2 ． 1 简易重浆帽回压的控制 开启钻井泵后 ， 将井 口回压降至 P 。重浆进入 环空后井 口回压均匀降低 。设 t 为开启钻井泵 至 重浆到达井 口的时间， 则 t l V D p H 4 一 V D c-- Vc g 5 式中 t 为重浆在钻柱 内运移 的时间， S ； V 为单位 长度钻杆 的内容积 ， m。 ／ m； Q为钻井泵的排量 ， L ／ s ； t 为重浆在环空中运移 的时间， S ； Vc为单位长度钻 杆闭排钻井液量 ， m。 ／ m。 根据以上计算式可计算 出不同时间下的井 口回 压 ， 绘制成井 口回压变化曲线 见图 1 ， t 一t t 。 z 时间 图 1 简易重浆帽井 口压力变化 曲线 Fi g ．1 W e l l he ad pr e s s ur e o f s i mp l e h e a v y mu d c a p 2 ． 2 组合重浆帽回压的控制 压水 眼重浆密度与重浆 帽钻井液的密度不 同， 针对不同特性的地层 ， 钻具 内需注人 的重浆量也不 同。将该部分重浆与重浆帽进行组合设计 ， 以钻柱 内上部注满重浆帽、 压水眼重浆到达钻头、 压水眼重 浆开始进入环空、 压水眼重浆全部进入环空 、 重浆帽 开始沿环空上返等为井 口回压控制 的 5个阶段， 形 成压力控制“ 五段论” 设计方法。 当起 钻至设计的钻头深度时， 钻具 内部的钻井 液分布为 压水眼重浆距井 口一定高度 ， 重浆底部为 原钻井液 见图 2 。 开启钻井泵注重浆时井 口压力保持不变 ， 则 一 H VD P H 2 D P 1 ， ” 一 Q 。 第 4 3 卷第 6 期 彭明佳等． 窄密度窗口精细控压钻井重浆帽优化枝术 3 现场实用性分析 以塔中地 区某井控 压起钻的第 五趟钻为例 ， 以 压水眼重浆 与重浆帽组合作 为重浆注入为基 本原 则 ， 以重浆帽及压水眼重浆在井筒不 同位置 的压力 控制作为节点 ， 将井 口压力分为 5个 阶段进行实时 分析与控制 ， 并对组合重浆帽与简 易重浆帽进行差 异分析 ， 从而对重浆帽及压力控制“ 五段论 ” 的现场 实用性进行 了验证。 3 ． 1井身结构 例井 的井 深 为 7 7 6 8 ． 0 0 m， 造 斜 点 井 深 为 5 9 4 5 ． O 0 i n ， 井身结构如图 6 所示 。 ≠ 2 7 3 1 l n in 套管1 2 0 0 O 0 m ≠ 4 0 6 4 mtl l 钻头 1 2 0 0 0 0 m 造斜点井深 5 9 4 5 0 0m ≠ 2 0 0 0m m套管 6 1 1 3 O 0 m ≠ 2 4 1 3m m钻头 61 1 5 0 0 m ，入靶点井深 6 4 2 1 0 0 m ≠ 1 2 7 0mm套 管X 5 9 0 0 0 0 ～ 7 7 6 6 O 0m ≠ 1 6 8 3 mm钻头7 7 6 8 0 0 m 图 6 例 井的井身结构 Fi g ．6 Ca s i n g Pr o g r a m o f t he e x a mpl e 原钻井液密度 为 1 ． 1 6 k g ／ L， 压水 眼重浆密度 为 1 ． 4 5 k g ／ I ， 重浆 帽钻井液的密度为 1 ． 3 0 k g ／ L 。 控压起钻期 间的补偿压力为 3 ． 5 MP a ， 环空摩 阻为 2 ． 0 MP a ， 钻进期间的井 口回压为 1 ． 5 MP a ， 安全压 力附加值为 0 ． 5 MP a 。起钻前 注入压水 眼重浆为 6 ． 0 m。 ， 泵排量 为 1 2 ． 0 L ／ s ， 单位长度技 术套管 内 容积为 2 4 ． 9 0 L ／ m， 单位长度钻杆开排钻井液体积 为 2 ． 6 3 L ／ m， 单位长度钻杆 内容积为 3 ． 8 7 L ／ m， 单 位长度钻杆闭排钻井液体积为 6 ． 5 0 L ／ m。 3 ． 2“ 五段 论” 回压控 制体 系设 计 将各压力流量参 数代人式 8 一式 1 0 ， 可得 H3 1 5 5 0 ． 4 0 r n ， P - - 0 ． 9 3 MP a ， ； 一8 ． 3 mi n ， H 2 1 1 1 ． 5 0 r f l 。根据 U形 管 原 理 ， 在起 钻 至 预定 井 深 时钻柱 内和环空 中压力平稳 ， 求得 H2 2 0 6 ． 0 0 m， 则 可判断钻具 内自上而下的钻井液分布为 空气 柱高 度 3 5 5 ． O 0 1 T I ， 压水 眼重浆高度 1 5 5 0 ． 4 0 11 “1 ， 重浆底 部与钻头之问为原钻井液 。 将上述 各 数据 代 入 式 4 、 5 和 1 2 ， 可 得 t 3 一1 ． 9 rai n ， t 一1 ． 1 mi n ， t 4 5 ． 6 rai n ； 测得 P f 一 0．9 0 M Pa， 一 3 ．1 0 M Pa， P3 2 ． 07 M Pa。 精细控压钻井系统能够同时监测压力和流量等 参数 ， 对井下溢流、 漏失进行动态监控 ， 重浆注入期 间参数控制情况如图 7 所示。 茎 ＼ 世 图 7 压 力流量变化 曲线 Fi g ．7 W e l l he a d pr e s s u r e a n d f l ow r a t e 3 ． 3差异分 析 若不考虑压水眼重浆 的影响， 可将简易重浆 帽 高度设计为 2 9 1 2 ． 5 0 m， 其与组合重浆帽高度设计 对 比情况如图 8所示 。 重浆深度 2 91 2 5 0m 原钻井液 a 简易重浆帽 b 组合重浆帽 压水眼重浆 高度3 2 6 0 0 m 重浆帽高度 1 78 5 00I l l 钻头深度 2 1 1 l 5 Oi n 原钻井液 图 8重 浆 帽 高 度 对 比 Fi g ． 8 The di f f e r e nc e o ft he he a v ymu d c a p he i g ht 由图 8可知 1 在不考虑压水眼重浆的情况下 进行简易重浆帽设计 ， 由于压水眼重浆的影响 ， 将对 井底施加约 1 ． 0 MP a的压力 ， 极易在压力敏感地层 引起井漏等复杂情况 ； 2 将压水眼重浆纳人重浆帽 设计后 ， 可减小重浆 帽高度 ， 降低作业成本 ， 提高生 产 时效 ， 同时避免压水眼重浆进入循环罐导致混浆 。 石 油 钻 探 技 术 4 现场应用 窄密度窗 口精细控压钻井重浆 帽优化技术 自 2 0 1 2 年开始在塔里木油 田塔 中地 区碳酸盐岩地层 进行了现场应用 ， 迄今 已经应用 1 3口井 。该技术针 对塔中地区特殊的地质条件和苛刻的控压钻井施工 要求 ， 实现了井筒压力波动幅度小于0 ． 3 5 MP a ， 起 下钻重浆使用量平均节约 2 1 ． 5 ， 注替作业时间平 均缩短 1 7 ． 7 ， 单井复杂时率显著降低 常规控压 单井复杂时率为 6 ． 0 4 ， 组合重浆帽技术单井复杂 时率为 2 ． 7 9 ， 明显减少 了同构造井的漏失量 ， 缩 短了故障时问和钻井周期 ， 提高了机械钻速， 延长了 水平段 ， 降低了钻井成本 ， 取得了显著的经济效益。 以 T Z 8 6 2 H井 6 1 4 6 ． 0 0 ～8 0 0 8 ． O 0 I n井段控 压钻井为例说明其应用情况。该井位于塔 中 I号坡 折带 ， 缝隙发育 ， 为典型窄密度窗 口地层 ， 易漏易喷 ， 井 口控压变化最小 0 ． 3 MP a就会造成井底压力波 动 和液面 变化 。同时 ， 由于井段 超长 ， 钻井 液性 能维 护困难 ， 尤其在作业后期气泡极多 ， 起下钻期间钻井 液罐液面变化大 ， 直接影响溢流和井漏监测 。根据 该技术的设计原则 ， 尽量在缝洞系统走低限 ， 控压起 钻期间对 2种密度的重浆进行组合 ， 以压水 眼重浆 返 出井 口为压力控制节点 ， 分 5段进行压力控制设 计 ， 并以此调整井 口实时压力控制策略， 观察井底 的 压力、 出入 口流量变化及钻井液溢漏情况 ， 顺利通过 多个薄弱层 ， 保证既不发生严重溢流 ， 也能及时控制 因井底压力持续升高而可能诱发的井漏 ， 实现小溢流 量状况下的安全作业 ， 规避了重浆压井导致井漏 的风 险， 成功钻穿长水平段多套缝洞单元 ， 全程“ 零漏失” 、 “ 零故障” ， 完钻井深 8 0 0 8 ． 0 0 m， 垂深 6 3 2 7 ． 6 0 m， 水 平位移 1 9 9 7 ． 0 0 m， 水平段长 1 5 5 1 ． 8 7 m， 施工取 得圆满成功 。 5 结论 1 利用 组合 重 浆 帽技 术 能 够 成 功 买 现水 平 钻 穿碳酸盐岩储层多套缝洞单元 的 目的， 有利于提高 我 国西部深层碳酸盐岩地层水平井 的钻井速度， 减 少井下故障， 提升井筒供液能力 。 2 合理的井 口压力分段控制策略是实 现组合 重浆帽设计的关键 。只有依据控压钻井水力学模拟 软件对重浆帽及压水眼重浆在钻柱及环空 内的运移 速度做 出实时准确的模拟 ， 并结合现场经验及理论 计算进行修正 ， 才能保证井底压力恒定 。 3 现场施工过程 中， 为提高安全压力 附加值 ， 常注入过量压水眼重浆。当起钻至设计重浆帽深度 时 ， 会有部分压水眼重浆进入井筒 ， 因此采用组合重 浆帽设计时， 如何判断钻具 内的压水眼重浆位置及 准确计算剩余重浆体积， 是 以后的主要研究方向。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 彭 明佳 ， 刘伟 ， 王瑛 ， 等． 精细控压钻井重 浆帽设计及 压力控 制 方法 _ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 1 5 ， 3 7 4 1 6 1 9 ． P e n g Mi n g j i a ， I i u We i ， Wa n g Yi n g ， e t a 1 ． De s i g n o f h e a v y g r o u t a n d p r e s s u r e c o n t r o l me t h o d f o r f i n e p r e s s u r e c o nt r o l d r i l l i n g I- j ] ． Oi l Dr i l l i n g＆ P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y ， 2 0 1 5 ， 3 7 4 1 6 1 9 ． [ 2 ] 杨雄文， 周英操， 方世良， 等． 控压钻井分级智能控制系统设计 与室 内试验 _ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 4 1 3 1 8 ． Ya n g Xi o n g we n， Zh o u Yi n g c a o， Fa ng S h i l i a n g， e t a 1 ． De s i g n a nd l a b o r a t o r y t e s t o f h i e r a r c h i c a l i n t e l l i g e nt c o n t r o l s y s t e m f o r ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 O1 1 ， 3 9 4 1 3 1 8 ． [ 3 ] 姜智博 ， 周英操 ， 刘伟 ， 等． 精细控压钻井 井底J土力 自动控制 技 术初探 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 1 2 ， 3 2 7 4 8 5 1 ． J i a n g Z hi b o， Zh o u Yi n g c a o， Li u W e i ， e t a 1 ． Au t o ma t i c c o n t r o l o f h o t t o mho l e p r e s s u r e d u r i n g p r e c i s e l y ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g _ lI J ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y ， 2 0 1 2 ， 3 2 7 4 8 5 1 ． [ 4 ] 周英操 ， 杨雄文 ， 方世 良， 等． P C DI 精 细控压钻井系统研制 与 现场试验 l_ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 4 7 - 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