深水钻井当量循环密度影响规律分析

郝希宁蒋世全孙丽丽田 峥田 波

（1.中海油研究总院，北京 100028；2.中国地质大学，北京 100083；3.中海石油深圳分公司，广东深圳 518067）

深水钻井当量循环密度影响规律分析

郝希宁1蒋世全1孙丽丽2田 峥3田 波3

（1.中海油研究总院，北京 100028；2.中国地质大学，北京 100083；3.中海石油深圳分公司，广东深圳 518067）

引用格式：郝希宁，蒋世全，孙丽丽，等.深水钻井当量循环密度影响规律分析［J］.石油钻采工艺，2015，37（6）：49-52.

深水钻井中，由于深水段的影响，上覆岩层压力低，钻井液密度窗口窄，当量循环密度（ECD）的预测和控制较难。针对南海深水井通过水力学分析软件进行ECD计算模拟，并对增压泵的影响进行了分析，揭示了深水钻井ECD的影响规律，为深水钻井水力参数设计和现场作业提供了依据。研究表明：深水钻井中，不仅要通过大排量和控制机械钻速来保持井眼清洁和控制ECD，还需要考虑温度对ECD的影响，尤其是在有增压泵的情况下，ECD随着增压泵排量的增大会逐渐增大。

深水钻井； 水力学； ECD； 温度； 增压泵

近年来全球获得的重大勘探发现中，有近50%来自深水海域［1］，深水已经并将继续成为全球油气资源接替的主要领域。我国深水钻井还处于起步阶段，在开发过程中面临着种种挑战。深水低温、气体水合物、浅层气和浅层水流、钻井液密度窗口窄、大直径隔水管段携岩困难以及钻井液用量大等问题使得深水钻井更加具有挑战性［2-6］。

目前，中海油作为作业者已在南海和西非等地区完成了三十多口深水井作业，取得了阶段性的成果。然而，深水钻井水力学分析仍然是参照陆地和浅水区的方法，其适用性有待商榷。深水钻井过程中，海水温度梯度与地层温度梯度相反，且海水和隔水管之间的换热与地层和井筒之间的换热方式不同，使井筒中的传热过程更加复杂，已有一些学者对深水钻井温度场、气体水合物的预测等进行了相关研究［7-13］，但还没有针对深水钻井水力参数计算和应用进行分析。

结合深水钻井工艺特点，通过数值模拟的方法，以一口实钻井为例分井段进行ECD（当量循环密度）计算分析，揭示深水钻井中不同因素对ECD的影响规律，为深水钻井水力参数设计和现场作业提供理论依据。

1　水力参数分析方法

钻井水力学的任务是在井眼稳定和井眼清洁的条件下，合理分配水力参数，提高钻井效率，降低钻井成本，安全、高效钻至目的层，达到地质和油藏的目的。水力参数设计应满足井壁稳定、井眼清洁和经济可行的原则，具体流程如下：

（1）根据孔隙压力和破裂压力确定钻井液密度窗口，根据钻井液性能优选流变模式；

（2）根据满足井眼清洁的携岩理论计算理论最小排量；

（3）根据ECD不超过破裂压力、井眼稳定值和设备能力等限制确定理论最大排量；

（4）在最大排量和最小排量范围内，满足ECD不超过安全密度窗口的条件下，通过优选目标值确定最优水力参数。

深水钻井中，需要通过温度和压力耦合模型［14］对ECD进行更精确的预测，以控制ECD在安全密度窗口内，安全钻至目的层。

2　实例分析

2.1基本参数

以南海某口实钻井为例，其井身结构见图1。

图1　井身结构

为降低环境污染的风险，采用水基钻井液。钻具组合如下。

Ø660 mm井眼：Ø660 mm钻头+马达+浮阀+LWD+MWD+短无磁钻铤×1根+扶正器+Ø241 mm钻铤×4根+震击器+CADA+Ø203 mm钻铤×2根+Ø175 mm加重钻杆×10根+Ø175 mm钻杆。

Ø445 mm井眼：Ø445 mm钻头+马达+浮阀+扶正器+LWD+MWD+无磁钻铤×1根+扶正器+Ø203 mm钻铤×5根+震击器+Ø203 mm钻铤×2根+Ø149 mm加重钻杆×12根+Ø149 mm钻杆。

Ø311mm井眼：Ø311 mm钻头+马达+浮阀+扶正器+LWD+MWD+随钻地震+SADN+Ø203 mm钻铤Ø5根+震击器+Ø203 mm钻铤×2根+Ø149 mm加重钻杆×12根+Ø149 mm钻杆。

2.2计算结果

Ø660 mm井段采用海水钻进，开路循环，钻井液直接排到海底。由于井眼直径大，排量受泵的能力和井眼冲刷上限的约束，不能满足井眼清洁的要求。

通过数值模拟［14］，对ECD等水力参数进行分析。从图2可以看出，随着ROP（机械钻速）的增加，井眼环空的岩屑浓度增大，ESD（当量静液密度）迅速增加。因此，该段的主要问题是要尽量降低岩屑浓度，保障井眼清洁和控制ECD。在排量允许范围内，应尽可能采用大排量钻进，并控制ROP。另外，现场需要在每柱钻进的开始、中间和结束通过打稠浆的方式来帮助携岩。

图2　Ø660 mm井段不同ROP下ECD和ESD分布规律（排量4.2 m3/min，钻井液密度1.03 g/cm3）

下部井段由于大直径长隔水管段的存在，钻井液在井筒内的流动和传热更加复杂。为了提高大直径、长隔水管段的携岩能力，深水钻井中通过增压管线在泥线处向隔水管内注入钻井液，以增加环空返速以便将岩屑携带出隔水管。

如图3和图4所示，排量均为3.75 m3/min，Ø445 mm井段和Ø311 mm井段ECD分布规律相似，随着ROP的增大，ECD增加明显，另外，在泥线附近ESD出现明显的拐点。对于Ø445 mm井段钻进，泥线以下是Ø508 mm套管，由于增压泵的作用隔水管环空内返速比地层段环空大，因此隔水管环空内岩屑密度不会大于地层环空，这说明ESD的变化是由于钻井液密度自身的改变。对于Ø311 mm井段，ESD在泥线附近出现拐点的原因和Ø445 mm井段一样，从ROP为0时ESD沿井深的分布规律可以看出，此时不受岩屑浓度影响，ESD主要受钻井液密度的影响。

图3　Ø445 mm井段不同ROP下ECD和ESD分布规律（钻井液密度1.07 g/cm3，增压泵排量2.45 m3/min）

图4　Ø311 mm井段不同ROP下ECD和ESD分布规律（钻井液密度1.08 g/cm3，增压泵排量2.45 m3/min）

下面以Ø311 mm井段为例，通过软件模拟分析增压泵对井底ECD的影响。

ECD主要受钻井液密度、环空摩阻和环空岩屑浓度三方面因素的影响，理论上，若不考虑温度的影响，随着增压泵排量的增大，隔水管环空内的岩屑浓度应降低，由于隔水管直径大，摩阻压耗小，因排量增大而引起的环空摩阻增大可以忽略，因此环空ECD应逐渐减小，然而模拟结果恰恰相反，如图5所示，这说明深水钻井中需考虑温度对钻井液密度和ECD的影响。

图5　Ø311 mm井段不同增压泵排量下ECD分布规律（钻井液密度1.08 g/cm3，ROP 25 m/h）

由图6和图7中不同增压泵排量下的环空温度和钻井液密度可以看出，不开增压泵的情况下，环空温度从井底到井口逐渐降低，而随着增压泵排量的增大，从泥线处注入隔水管环空内的低温钻井液越多，其环空密度增加也越明显，因此，深水低温是ECD不可忽略的影响因素之一。

图6　Ø311 mm井段不同增压泵排量下井筒温度分布规律（钻井液密度1.08 g/cm3，ROP 25 m/h）

图7　Ø311 mm井段不同增压泵排量下钻井液密度分布规律（钻井液密度1.08 g/cm3，ROP 25 m/h）

3　结论及建议

3.1结论

基于南海深水探井进行了ECD计算分析，得到了不同因素对ECD的影响规律，提出了深水井ECD预测和控制应注意的问题，尤其是深水低温和增压泵的影响，陆地和浅水水力学分析方法已不能完全适用于深水井，需考虑以下几个方面。

（1）深水钻井中需要考虑温度和压力对钻井液性能的影响，以精确预测和控制ECD，使其在安全密度窗口之内。

（2）上部无隔水管井段，环空直径大，受井眼稳定和泵能力限制的最大排量小于井眼清洁所需的最小排量，ECD主要受岩屑浓度的影响，井眼清洁是关键，需要通过打稠浆和控制机械钻速等方法来保持井眼清洁和控制ECD。

（3）下部井段泵的能力可满足井眼清洁的要求，需要重点关注ECD。通过大排量且必要时需牺牲机械钻速来保证井眼清洁和控制ECD在安全密度窗口之内。

（4）下部井段需要通过增压泵来辅助大直径长隔水管段环空的携岩，在文中计算条件下，随着增压泵排量的增大，其注入环空的高密度低温钻井液越多，井底ECD也随之增大。

3.2建议

深水钻井水力学分析目前仍是参照浅水和陆地的方法，随着动力钻具等先进工具的应用，以最大钻头水功率等常规的喷射钻井水力参数优化方法不能完全适用于深水钻井水力学分析，需要不断的完善与改进。深水钻井井筒流动规律和水力学分析还需进一步的研究。

（1）鉴于各参数之间相互影响，需针对深水钻井建立一个耦合的井筒流动和传热模型，另外，如防止地层冲刷的排量上限值等各经验参数的选取需要在实践中不断完善。

（2）进一步完善深水钻井水力学计算分析方法，建立1套针对深水钻井的水力学计算的标准和软件。

［1］周守为.南中国海深水开发的挑战与机遇［J］.高科技与产业化，2008（12）：20-23.

［2］刘正礼，胡伟杰.南海深水钻完井技术挑战及对策［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：8-12.

［3］谢玉洪.南海西部深水区自营油气田勘探开发现状及展望［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：5-7.

［4］S. ROCHA L A，JUNQUEIRA P，ROQUE J L. Overcoming deep and ultra deepwater drilling challenges［R］. OTC15233，2003.

［5］CLOSE F，MCCAVITT B，SMITH B，et al. Deepwater Gulf of Mexico Development Challenges Overview［R］. SPE 113011，2008.

［6］SHAUGHNESSY J，DAUGHERTY W，GRAFF R，et al. More ultra-deepwater drilling problems［R］. SPE 105792，2007.

［7］宋洵成，管志川.深水钻井井筒全瞬态传热特征［J］.石油学报，2011，32（4）：704-708.

［8］翟羽佳，汪志明，郭晓乐.深水钻井水力参数计算及优选方法［J］.中国海上油气，2013，25（1）：59-63.

［9］KABIR C S，HASAN A R，KOUBA G E，et al. Determining circulating fluid temperature in drilling，workover，well-control operations ［R］. SPE 24581，1992.

［10］RORNERO J，TOUBOUL E. Temperature prediction for deepwater wells: A field validated methodology［R］. SPE 49056，1998.

［11］EIRIK K A，AADNOY B S. Optimization of mud temperature and fluid models in offshore applications［R］. SPE 56939，1999.

［12］高永海，孙宝江，王志远，等.深水钻探井筒温度场的计算与分析［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2008，32（2）：58-62.

［13］管志川.温度和压力对深水钻井油基钻井液液柱压力的影响［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2003，28（4）：48-52.

［14］WANG Zhiming，HAO Xining，XUE Liang，et al. Numerical simulation on deepwater drilling wellbore temperature and pressure distribution. Petroleum Science and Technology［J］. 2010，28（9）: 911-919.

（修改稿收到日期 2015-10-26）

〔编辑 薛改珍〕

Analysis on infuence law of equivalent circulating density in deepwater drilling

HAO Xining1，JIANG Shiquan1，SUN Lili2，TIAN Zheng3，TIAN Bo3
（1. Research Institute of CNOOC，Beijing 100028，China； 2. China Uniνersity of Geosciences，Beijing 100083，China；3. Shenzhen Branch of CNOOC，Shenzhen 518067，China）

In deepwater drilling，owing to the impact of deepwater section，the overburden pressure is low，and the density window of drilling fluid is narrow，so that the prediction and control of Equivalent Circulating Density（ECD） becomes more difficult. ECD computational simulation is carried out through hydraulic analysis software for deepwater wells in South China Sea，and the impact of booster pump is analyzed，and the influence laws for ECD in deepwater drilling is discovered，so as to provide the basis for hydraulic parameter design and field operation of deepwater drilling. The research indicates that: in deepwater drilling，it is not only necessary to keep the wellbore clean and control the ECD by adopting the large displacement and controlling the penetration rate，but also necessary to consider the impact by temperature on ECD. In particular，under the circumstance that there is booster pump，ECD will increase gradually as the displacement of booster pump increases.

deepwater drilling； hydraulics； equivalent circulating density（ECD）； temperature； booster pump

TE52

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0049-04 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.012

国家重大专项课题“深水钻完井工程技术”（编号ZX201105026-001）部分研究成果。

郝希宁，2010年毕业于中国石油大学，现主要从事钻井水力学和井控等井筒流动方面的研究，钻井工程师，博士。电话：010-84526701。E-mail：haoxn@cnooc.com.cn。