高温深井钻井液当量循环密度预测模型.pdf

第 2 6卷 第 2期 2 0 0 9年 3月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI L LI NG FL UI D COM PL ETI ON F LUI D Vo1 ． 2 6 NO ．2 M a r ． 2 0 09 文章 编 号 1 0 0 卜5 6 2 0 2 0 0 9 0 2 0 0 3 0 0 5 高温深 井钻 井液 当量循环密度预测模型 赵胜英 鄢捷年 李怀科 耿娇娇 王利 国 杨虎。 1 ． 中国石油 大学 石油工程教育部重点实验室 ， 北京 昌平 ； 2 ． 中国石油大学提高采收率 中心 ， 北京 昌平 ； 3 ． 中国石油新疆油 田分公 司勘探 开发研 究院 ， 新疆克拉玛依 摘 要 在高温深井 中， 钻井液 密度、 流变性受压力和温度的影响较大 ， 如果 按照钻 井液地面物性 参数来 计算 当 量循环密度， 则会产 生很大误差 ， 在孔 隙压 力 与破裂 压力 差值很 小 的井 中， 可 能会产 生 井涌、 井喷 或井 漏等后 果。 从钻 井循环期 间井筒温度场模型入手 ， 建 立 了高温高压钻井液 密度、 当量静 态密度、 流变参数 以及 当量循 环 密度 预 测模 型。经实验验证 ， 所建立的高温高压钻 井液 密度 、 流 变参数模 型 的预 测值 与实测值 一 致， 相 关 系数都 在 0 ． 9 9 以上 ， 使用 当量循环密度模型比用常规方法计算结果 更为准 确。该模 型为压 力管理钻 井技术 提供 了理论 依据 ， 对 于 合 理 控 制 井 下 压 力 ， 预 防复 杂 和 事 故 的发 生具 有 指 导 意义 。 关键 词 钻井液； 预测模 型； 高温高压 ； 当量循环 密度 ； 流变参数 中图 分 类 号 TE2 5 4 ． 1 文 献 标 识 码 A 当量循 环 密 度 E c D 是 控 制 井 底 压 力 的 重 要 参 数 ， 在计算 该参 数时 ， 通常 忽略 了温度 和 压力对 钻 井液 密度 和流变 参 数 的 影 响 。对 于 常规 井 ， 这 种 影 响相 对较 小 ， 但 是在高 温 深井条 件下 ， 井底 温度 和压 力相 对地 面而 言 变化 范 围很 大 。大 量 研 究表 明 ， 温 度 和压力 可 导 致 钻井 液 密度 和 流 变 性 发 生 以下 变 化 高温 对钻 井 液 产 生 膨 胀 效 应 ， 使 钻 井 液 密 度 降 低 ； 高 压对 钻 井 液 产 生 压 缩 效 应 ， 使 钻 井 液 密 度 增 大 ； 对于油基钻井液 ， 温度升高使表观黏度降低 ， 压力 增加使 表 观 黏 度 增 大_ 2 ] 。总 之 ， 这 些 因 素都 会 造 成对 当量循 环 密度 的错 误 估算 ， 在所 钻 遇 地 层 的 孔 隙压 力和破 裂 压 力相 差 不 大 的情 况 下 ， 可 能 会 产 生井涌 、 井 喷或 井漏 等复 杂情况 ， 因此 有必 要建 立准 确预 测钻 井液 当量 循 环 密度 的数 学 模 型 ， 以合理 控 制井 下压 力 、 确 保施 工安 全 。 l 计 算模 型 从 井 筒 温度 场 的数值 模 拟 人 手 ， 首先 建 立 钻井 循环 期 间井筒 温度 分 布模 型 ， 然 后分 别 建 立 高 温 高 压 钻井 液密度 、 当量 静态 密 度 E S D 和流 变 参 数 预 测 模 型 ， 进 而计算 环 空 循 环 压 耗 ， 在 此 基 础 上 ， 得 到 一 定井 深处 的环 空 当量循 环 密度 。 1 ． 1 钻井循环期间井筒温度场模型 钻井 过程 中 ， 由于 不 同深度 的地 层温 度不 同 ， 钻 井 液与 地层 之 间存 在 温度 差 ， 从 而 发生 热交换 ， 具 体 表 现 为钻井 液 、 地层 温度 不 断变 化 。钻井 液 在 井 眼 中 的循 环传 热过 程分 为 3个 阶段 l 3 ] 。① 由地 面进 入 钻柱 ， 经钻 柱 向下 流 动 的 过 程 。钻 井 液 以给 定 的温 度进 入钻 杆 向下 流动 ， 其 温度 由沿 钻 柱 方 向 的热 对 流 速率 及 钻柱 与 环 空 之 间 的热 传 递 速 率 和 时 间 决 定 。② 钻井 液在 井底 通过 钻头 由钻 柱进 入 环空 的过 程 。如果 忽略 钻井 液 经 过 钻 头 时 热 能 的增 量 ， 则 在 井底 ， 环 空与钻 柱 中钻 井 液 的 温 度相 同 。③ 钻 井液 通 过环 空 向上 流 动到 达地 面 的过程 。钻 井液 向上 流 动 ， 其 温度 由钻 井液 与 钻 柱 及 地 层 的 热交 换 率 和 时 间决定 。 为建 立合 适 的 控 制 方 程 ， 引入 下 列 假 设 条 件 。 ① 流体 中 的轴 向热 传导 与轴 向对 流相 比可 以忽略不 计 ； ② 由于环 空及 钻柱 内的流体 基本 处 于紊 流状 态 ， 基金项 目 8 6 3国家高技术研究发展计划“ 复杂油气藏资源勘探开 发技术” ， 并获 教育部“ 长 江学者 和创 新团 队发 展计 划” I RT0 4 1 1 资助 。 第一作者简介 赵胜英， 工程 师， 1 9 7 3年生， 1 9 9 5年毕 业于 石油大学 华东 石 油工程专业 ． 现在 中国石 油大学 北京 石 油 天然气工程学院攻读 博士学位 ， 主要从事油气井工程及油 气层保护技术 工作。地址 北京市 昌平 区中国石油 大学石油 工程教 育部重点实验室； 邮政编码 1 0 2 2 4 9 ； 电话 O 1 0 8 9 7 3 3 8 9 3 ； E - ma i l z y 3 5 1 6 1 6 3 ． o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 2期 赵 胜英 等 高温深 井钻 井液 当量循 环 密度预 测模型 3 1 假设环 空及钻 柱 内 的流 体 没有 径 向稳 定梯 度 ； ③ 流 体 的热 容 、 密度 、 热传 导系数 等参 数 随温度 变 化 的程 度不显 著 ； ④ 由于钻 柱和套 管均 为钢 材 ， 热 传 导性 能 好 ， 认 为井筒传 热 过 程 中， 钻 柱 和套 管 无 热 量 损失 ； ⑤ 由流 体黏性 耗散产 生 的热量可 忽 略不计 。根据 热 力学第 一定律 及传热 学基本 原理 ， 推 导 出钻柱 内、 环 空 内 、 地 层 内及井壁 上能量 平衡方 程分 别为 1T， ． 、 An fD l VD 2 7 r r I u[ 丁 『 ， r 一 T A 2， f ] V r f K D U[ TD 一 z， f ]十 2 7 r r h 。 h f [ 了 n 。 ， ， f 一 TA ， ] AI 、 2 Tf ， ， z， ￡ K f l r aTl r， z， f 、 _一 p fC f_ rO r l _J 3 2 [ JI lr h f [ Tf ， t 一 TA ， t ] 一 2 丌 r I K r 兰 ] L 刁r r ， 一 }1 4 控 制方程 的边 界 条件 如 下 钻 井 液 人 口温 度 已 知 ， 即 TI 0， 一 T【 b ， 5 在 井底 ． 钻 柱 内流 体温度 与环空温 度相 等 ， 即 丁I 一 L， ￡ 一TA z L ， f 6 地 层无穷远 处温 度 等 于 同一 深 度无 穷 远 处 的 温度 ， 即 Tf r， ， f 一T 7 控制 方程 的初始 条 件如 下 假 设 在初 始 时 刻 地层 和 井筒 内的温 度为原 始地层 温度 ， 即 - r 1 ． 0一T ．、 ， 0一 Tf r， ， 0一 T． 8 式 中 ， 丁 和 分别为钻 柱 内流体 、 环 空流 体和 地层 温度 ， C； T 。 。 为 钻 井液 地 面 温 度 ， C ； A。和 A 分别 为钻 柱 内 、 环空横 截 面积 ， m ； V 和 分别 为 钻柱 内 、 环空 内钻井液 流速 ， m／ s ； 10 和 分 别为 钻井 液密度 、 地 层 密度 ， k g ／ m。 ；C 。和 C 分 别 为循 环 流 体 比热 、 地 层 比热 ， J ／ k g C 和 r h 分 别 为钻 柱 中径半 径 、 井 眼半 径 ， m； K 为地 层热 传导 系 数 ， w／ m C ； h 为 井 壁对 流换 热 系 数 ， w m C ； 丁 z 为地 层原始 温度 、 深 度 及地温 梯 度的 函数 。为 了 保 证解 的稳定性 ， 采 用 求解 过 程 无 条 件稳 定 的全 隐 式有 限差分 方法对 控制方 程进 行数值 求解 。 1 ． 2 高温高压条件下钻井液密度预测模型 国 内外 高温 高压钻井 液 密度预测 模 型 主要 有复 合模 型和经 验 模 型 。复合 模 型 以 Ho b e r o c k等 人 的模 型为代 表 ； 经 验模 型 以 鄢捷 年 】 、 Ku t a s o v L 6 等 人提 出 的模 型为代 表 。利 用解 析法 推导 出钻 井 液密 度 与温度 、 压力之 间 的关 系式 为l 7 】 p P， T一 p e x p l r P， 丁 I 9 r P， T一 [ P P ， P P。 T T o T T T。 T P P。 T ] 1 0 式 中 ， P 。和 分 别 为 地 面 压 力 和温 度 ； 、 、 ⋯ r 和 r 为钻 井 液 特性 常数 。与 以前 的模 型 相 比 ， 该模 型更 为全 面地考 虑了温 度和压 力对 钻 井液 密度 的影响 ， 因而预 测结果 更真实 、 准 确 。通过钻 井 液高 温 高压密 度实 验 ， 利用 多 元 非线 性 回归 分 析方 法 确 定 了模 型 中 的 特 性 常 数 。 使 用 美 国 设 计 安 装 的 P VT测 量仪进 行 了高温高 压 钻井 液 密度 实验 ， 利用 实 验数据对 该模 型进 行 了验 证 ， 结 果 表 明 预测 值 与 实 验值高度 一致 ， 相关 系数都 高达 0 ． 9 9以上 ， 见图 1 ～ 2 。这说 明该模 型适用 于水 基和 油基 钻井 液 ， 较准 确地 反映 了温度 、 压力对 钻井 液密度 的影 响 。 、 吕 、 喜 P a 图 1 油基钻井液密度测量值与计算 值的比较 P{ a 图 2 水基钻井液密度测量值与计算值的 比较 1 ． 3 钻井液 当量 静态密 度计算 模型 在钻 井过程 中 ， 由于 钻 井液 受 到 温 度 和压 力 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 8年 3月 影 响 ， 发生 膨胀 和压缩 ， 因 而其密 度 并不 恒 定 。 当量 静态 密度 是表示 钻井 液在 井筒截 面 任 意一 点所 受 液 柱压力的当量密度值 ， 它是钻井液密度和液柱高度 的函数 ， 用公式 表示 为 ESD 一 1 1 式 中 ， P 。 为地 面 压 力 ， MP a ； P 为 井 深 H 处 的静 液 柱压 力 ， MP a ； H 为井 深 ， m。采 用 迭 代 数 值 计 算 方 法建 立 了钻井 液 循 环期 间 E S D 模 型 。设 一 口井井 深 为 H， 将 井筒 内钻 井液 沿 井 深平 均 分 为 个 计 算 节 点 ， 选 择迭代 计算 步长 △ h H ／ 。首 先利 用上 述井筒 温度场模 型计 算 出循环 期 间钻 井 液温 度 随井 深 的变化 T 一 T h i 一1， 2， ⋯ ， n 12 假设 在长 度 为 △ 的井 筒 流体 单 元 体 内， 钻 井 液 温 度 、 压力 和密度 是均 匀 的 ， 井底 静液 柱 压力 的迭 代 方 程 为 P | _ ]一 P △P 一 P g △ 矗 |0 。 e x p[ F P ， T ] i 一1， 2， ⋯ ， ， z 13 其边 界条件 为 P 一 0 一 P。， 丁 h 一 0一 T。 1 4 利 用上 述迭 代 方程 和边 界 条件 ， n次迭 代 计算 后 ， 可 得 环空井 底静 液柱 压力 为 P P 、 一g o 。 ∑ z 。 △ 1 5 从 而 得到钻 井液 E S D计算 模 型 D 一 告 砉 z z 1 ． 4 高温高压钻井液流变参数预测模型 关于钻 井液 高 温 高 压 流 变 特性 ， 国内 外 已 有不 少学 者进 行 了研 究 ， 建 立 了 相 应 的 模 型 ] 。但 有 的模 型过 于繁琐 ， 不便 于 现场计 算 ； 有 的模 型 只适 用 于某 种基 油 的油基 钻井 液 ， 使 用范 围很有 限 ； 还 有 的 模 型 主要是 针对 表观黏 度 ， 而在 钻井 现 场作 业 中 ， 钻 井 液流 变模 式一 般 选 择 宾 汉 模 式 ， 用 于 钻 井 水 力参 数计 算 的主要 流 变 参数 为塑 性 黏 度 和 动 切 力 ， 故 不 能 满足 水力计算 要 求 。 该 项研 究使 用先进 的 Rh e o C h a n 7 4 0 0型高 温高 压旋 转黏 度计 ， 进 行 了高温 高 压 油 基 钻 井 液 流 变性 实 验 ， 实 验 温 度 高 达 2 0 4 ． 4 ℃ ， 压 力 高 达 1 0 3 ． 4 MP a 。通 过对实 验 数 据 进 行 多 元 回归 分 析 ， 建 立 了 如下预 测油 基钻 井 液 表 观 黏度 、 塑性 黏度 和动 切 力 的统一 数学 模型 。 厂 P， T一 _厂 。 ， T o e x p A T T 。 B 一 户o C T T。 P。 D T ～ T。 。 ] 1 7 式 中 ， 厂 P， T 代 表 温 度 为 T 和 压 力 为 P 条 件 下 的 表 现 黏度 mP a S 、 塑 性 黏 度 mP a S 和 动 切 力 P a ； -厂 p 。 ， T 。 代 表 温度 为 T。 、 压 力 为 P 。 条 件 下 的表 观黏 度 、 塑性 黏 度 和 动 切 力 ； 厂 P 。 ， T 。 、 A、 B、 C、 D为钻 井 液 的 特 性 常数 。式 1 7 的相 关 系 数 尺 均 大于 0 ． 9 9 。从 如 图 3 ～ 图 5所 示 的 拟 合 结 果 可 见 ， 该模 型能 够 较 准 确地 描 述 油 基 钻 井 液 的表 观 黏 度 、 塑性 黏度 及 动切力 与 温度 和压 力 的关 系 ， 有助 于 现场 水力参 数 的精确 计算 。 P a 图 3 油基钻井液表观黏度计算值 与测 量值 的对 比 器 Pf a 图 4油基钻井液塑性黏度计算值与测量值 的对 比 P 图 5 油基钻井液 动切 力计 算值与测量值 的对 比 1 ． 5 钻 井液 当量循 环 密度 E C D 预测 模 型 钻井 液 的当量循 环 密度 可定 义 为钻 井 液 的 当量 静态 密 度 ES D 与钻 井液 流 动造 成 的环空 压 力损 失 ∞知 H H H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 8年 3月 O 1 0 0 0 目 举2 0 0 0 3 0 00 4 0 0 0 O P} a 2 O 3 O 4 0 图 l O 环空井底压力与 常规方法计算结果 的比较 p _￡ D | 、 图 】 1 环 空 钻 井 液 当 量 循 环 密 度计 算 结 果 采 用建 立 的预 测模 型 的计 算 结果 与 常规 方 法计 算结 果相差 甚 远 ， 在 井 深 4 0 0 0 m 处 环 空 压 耗值 相 差可 达 0 ． 4 5 MP a ， 环 空压 力值相 差可 达 1 ． 8 0 MP a ， 因此 对 于深井 、 超深 井 和高温井 ， 将 环 空钻 井 液 的相 关 性能 参数进 行 预 测 非 常 必要 ， 只 有这 样 才 能准 确 地预测 和控 制钻 井循 环和静 止 时 的井 底压 力 。 3 结 论 1 ．建 立 了 高 温 高 压 条 件 下 环 空 钻 井 液 密 度 、 ES D 预测模 型 ， 该模 型更 为全 面地 考 虑 了井 筒 温 度 分布 及压 力对 钻 井 液 密度 的影 响 ， 因而 计 算 结 果 更 接 近井下 的实 际情 况 。 2 ．通 过油 基钻 井液 高 温 高压 流 变 性 实 验 ， 运 用 多元非 线性 回归分析方 法 建立 了高 温 高压 钻井 液 表 观黏度、 塑性黏度 、 动切力预测模型 ， 该模型相关 系 数 达 9 9 以上 ， 有助 于水 力参 数 的精 确计 算 。 3 ．利用迭代数值计算方法建立了 E C D计算模 型 ， 该模型较常规计算方法更为准确， 为合理控制井 下 压力 、 预 防事 故 的发生 、 确保 施 工安 全 提供 了理 论 依 据 。 [ 1 ] 参 考 文 献 Ha r r i s O O ，Os i s a ny a S 0． Eva l ua t i o n o f Eq ui va l e nt Ci r c u l a t i ng De n s i t y o f Dr i l l i n g Fl ui ds Und e r Hi g h P r e s s u r e ／ Hi g h T e mp e r a t u r e C o n d i t i o n s[ R] ． S P E 9 7 01 8， 2 0 05 [ 2 ] B a i l e y T J ．L o w T o x i c i t y Oi l Mu d s A Kn o w l e d g e o f Downh ol e Rhe o l ogi c a l Be ha v i or As s i s t s Su c c e s s f u l F i e l d Ap p 1 i c a t i o n [ R ] ．S PE， 1 9 8 6 [ 3 ] 李 嗣贵 ， 邓金根 ， 蔚 宝华 ， 等． 高温井 地层破裂 压力计算 技术[ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 5 增 2 5 6 6 9 5 6 7 3 [ 4 ]Ho b e r o c k I L ．B o t t o mh o l e mu d p r e s s u r e v a r i a t i o n s d u e t O c o mp r e s s i b i l i t y a n d t h e r ma l e f f e c t s [ c ] ．P a p e r pr e s e nt e d a t t he 1 9 82 1 ADC Dr i l l i n g Te c hno l o gy Co n f e r e ne e，Hous t on，1 98 2 9 - 1 1 [ 5 3 鄢捷年 ， 李 元． 预 测高 温 高 压下 泥浆 密 度 的数 学模 型 [ J ] ． 石油钻采工艺 ， 1 9 9 0 5 2 7 3 4 [ 6 ] Ku t a s o v I M．E mp i r i c a l c o r r e l a t i o n d e t e r mi n e s d o wn - h o l e mu d d e n s i t y [ J ] ．Oi l c Ga s J o u r n a l ，1 9 8 8 ，2 2 12 61 - 6 3 [ 7 ] 张金波 ， 鄢捷 年． 高温高压钻 井液密度 预测新模型 的建 立[ J ] ． 钻井液 与完 井液 ， 2 0 0 6 ，2 3 5 1 - 3 [ 8 ] P o l i t t e M D．I n v e r t o i l mu d r h e o l o g y a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e[ R] ． S PE ／ I ADC D r i l l i n g Co n f e r e nc e he l d i n i n Ne w Or l e a ns ，Lo ui s i a na，SPE ， 19 85 6- 8 [ 9 3 F i s k J V，J a mi s o n D E．P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f d r i l l i n g f l u i d s a t h i g h t e mp e r a t u r e s a n d p r e s s u r e s [ R ] ．S P E， 1 98 9 E l O ] 鄢捷年 ， 赵雄 虎． 高 温高 压 下油 基 钻井 液 的流 变 特性 [ J ] ． 石油 学报 ， 2 0 0 3 3 1 0 4 1 0 9 [ 1 1 ] 鄢捷年 ，李志 勇，张金波 ．深 井油 基钻 井液在 高温 高 压下表观黏度和密度 的快速预测方 法[ J ] ．石油钻探技 术 ． 2 0 0 5，3 3 5 3 5 3 9 [ 1 2 ] 周福建 ， 刘 雨 晴． 水包 油钻 井 液 高温 高 压流 变性 研 究 [ J ] ． 石油学报 ， 1 9 9 9 3 7 7 8 I E 1 3 ] 陈庭根 ， 管 志川．钻 井工 程理 论 与技 术 [ M] ．山东 东 营 石油大学 出版社 ， 2 0 0 0 1 4 2 1 6 4 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 2 6 ； HG F 0 9 2 A6 ； 编辑 张 炳芹 Ⅲ／ 撒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m