车66区块钻井过程井底压力波动及渗流规律

李云贾江鸿.中国石化胜利石油工程有限公司技术装备处；.中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

车66区块钻井过程井底压力波动及渗流规律

李云1贾江鸿2
1.中国石化胜利石油工程有限公司技术装备处；2.中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

针对车66区块钻井过程中易出现的阻塞、地层垮塌、井漏甚至井喷等问题，基于环空流体力学并结合地层渗透性特征，分析了在起、下钻及钻井过程中产生的抽汲压力和激动压力的大小，以及钻井液黏度、密度，井深和钻井速率对其影响的规律；依据线性渗流定律，单向流体球面向心流和平面径向流模型研究了井底负压差下进入、钻过储层的渗流规律变化及正压差条件下钻井液漏失情况，得出井底压差越大、地层渗透率越高，地层流体渗流速度越高，钻井液漏失量越大。该分析结果揭示了钻井过程中井底压力波动和井下渗流规律及其相关影响因素，为井身结构设计优化提供了必要依据。

钻井；井底压力；渗流规律；井身结构设计；车66区块

在钻井过程中井底压力会随着钻井条件的改变而改变，且井底压力改变的同时，储层渗流规律也会产生一定的变化［1-2］。然而目前井底压力和渗流的变化规律尚未明确，无法进行相关预测并对钻井过程给予指导。井底压力和渗流变化规律与钻进地区的地层特征、井眼和钻柱尺寸、钻井液性能、钻进井深、钻进技术措施与操作等多种因素有关，其大小直接影响井身结构设计时的抽汲压力系数、激动压力系数等的取值，研究其变化规律能够为井身结构设计提供重要依据。文中以胜利油田新近探明开发的车66区块为例，研究其钻井过程中井底压力和渗流变化规律。车66区块属套尔河西次洼陷，位于车镇凹陷中部偏北，地质条件恶劣、构造复杂、储层埋藏深及压力层系多［3-4］。该区块钻井过程中需要钻过多组压力与岩性不同的地层，容易发生阻塞、地层垮塌、井漏甚至井喷等危险事故。研究区块钻井过程井底压力波动和起、下钻过程渗流规律，有助于井身结构的优化设计，保障钻井过程的顺利进行。

1 钻井过程中井底压力分析Analysis of bottom-hole pressure during drilling

钻井过程中，井底压力波动较为频繁，压力大小与钻井工作状态、钻井液性能等密切相关，通常在起钻过程中，井底压力最低；下钻或钻进过程中，井底压力相对较高。目前国内油田钻井工程设计和施工仍沿用Burkhardt的稳态预测模式［1］。

选取车66区块一口目标井，该井用Ø215.9 mm钻头钻进至井深4 500 m，Ø244.5 mm套管下深2 500 m（套管内径220 mm），钻柱组合为Ø215.9 mm钻头+Ø177.8 mm钻铤（内径78 mm） 200 m+ Ø127 mm钻杆（内径108.6 mm）。钻井液性能：ρm=1.5 g/ cm3，塑性黏度50 mPa·s。起钻平均速度0.465 m/ s，下钻平均速度0.93 m/s。对该井井底压力波动进行研究。分析计算方法主要为Burkhardt试验井下钻过程稳态、瞬态和实验研究波动压力对比分析，Mississppi试验井下钻过程稳态、瞬态和实验研究波动压力对比分析，且采用稳态计算模型和过程随时间点变化的动态分析计算方法［6-7］。图1为井底压力波动分析计算过程框图。

图1　波动压力计算过程框图Fig.1 Block chart for calculation of surge pressure

1.1起钻过程井底压力分析

Bottom-hole pressure during tripping out

起钻过程中抽汲压力可分为钻井液静切应力引起的抽汲压力、体积置换及钻井液黏附作用引起的抽汲压力和惯性力引起的抽汲压力3种。井底压力降低值的大小主要与3个方面因素相关：（1）钻井液静切应力；（2）钻柱上行速度；（3）环空间隙大小、钻井液密度、黏度等［5］。起钻过程中，由于不断地从井眼中起出钻具，钻柱在井内部分的体积不断减少，井眼钻井液液面不断降低，引起井底压力下降。

目标井条件下，计算不同钻井液黏度、密度，不同井深以及不同平均起钻速度下，起出一柱钻柱过程中抽汲压力随起钻时间的变化规律，如图2所示。由图2（a）可知，在目标井的相同条件下，所用钻井液的黏度越高，井底抽汲压力越大；由图2（b）可知，所用钻井液密度越大，井底抽汲压力越大，钻井液密度增加值相同情况下，抽汲压力增大趋势基本一致；由图2（c）可知，井深越深，抽汲压力也越大；图2（d）说明起钻过程中，抽汲压力分布与钻柱上行速度密切相关。

1.2下钻过程井底压力分析

Analysis of bottom-hole pressure during tripping in

下钻过程中容易产生激动压力，导致压力升高，井底压力增加值的大小主要与3个方面因素相关：（1）钻井液静切应力；（2）钻柱下行速度；（3）环空间隙大小、钻井液密度、黏度等［5］。

目标井条件下，计算不同钻井液黏度、密度，不同井深以及不同平均下钻速度下，下入一柱钻柱过程中激动压力随下钻时间的变化规律，如图3所示。

由图3（a）可知，目标井的相同条件下，所用钻井液的黏度越高，井底激动压力越大；由图3（b）可知，所用钻井液密度越大，井底激动压力越大；由图3（c）可知，井深越深，激动压力也越大；图3（d）、说明下钻过程中，激动压力分布与过程中钻柱下行速度密切相关。

1.3钻井过程井底压力分析

Bottom-hole pressure during drilling

目标井条件下，分析计算该井在钻进→静止→起钻→静止→下钻→钻进全过程中的井底压力变化规律，在钻进过程中，钻井液排量26 L/s，钻进速度10 m/h。

由于岩屑进入环空钻井液，环空钻井液密度增加了Δρm=3.9 kg/m3，环空钻井液对井底作用的液柱压力增加了Δpms=172 kPa；计算钻进循环的环空流动压耗为pa=2 497.2 kPa，井内静液柱压力pm=66150kPa；起出5立柱，环空液面下降13.75 m，则井底压力下降为202.1 kPa。

由图4可知，在钻进→静止→起钻过程中，由于环空压耗，井底压力大于静液柱压力；停止钻进关泵准备起钻状态下，井底压力等于静液柱压力；在每次取出一根立柱过程中，由于抽汲压力作用，井底压力下降，一定条件下可能会引起溢流。在静止→下钻→钻进过程中，停止钻进关泵准备下钻状态下，井底压力等于静液柱压力；在每次下入一根立柱的过程中，由于激动压力作用，井底压力增加，一定条件下可能会引起井漏；钻进时由于环空压耗，井底压力大于静液柱压力。

图3　不同井底条件下激动压力随下钻时间的变化曲线Fig.3 Changes of surge pressure with drilling time under different bottom-hole conditions

图4　下钻-钻进-起钻过程的井底动压力变化Fig.4 Changes in bottom-hole dynamic pressure during drillingtripping out and tripping-in-drilling

2 井底正、负压差下渗流规律分析Seepage patterns under negative and positive bottom pressures

在起钻过程中，井底压力降低，可能出现井底压力小于地层压力，进而导致地层流体侵入井筒的现象，在钻井工程设计中这种情况通常是不允许发生的。对不同渗透率的储层，起钻抽汲压力引起的负压，会引起地层流体侵入井筒，其中储层性质和钻开厚度会影响渗流规律和模型的选择。下钻过程中，在激动压力作用下，井底压力上升，可能导致钻井液向地层中的漏失［1］。下钻、起钻过程中引起的井底正、负压影响井底渗流规律，在井身结构设计参数选择中需要加以注意。

2.1井底负压差下渗流分析

Seepage pattern under negative bottom-hole differential pressure

2.1.1进入液体储层过程渗流分析 起钻过程中井底负压差状态下，液体储层流体的渗流特征可以按服从线性渗流定律的单相液体球面向心渗流过程进行分析［8］。球面向心渗流模型如图5。

图5　球面向心渗流模型Fig.5 Model for spherical centripetal seepage

由单相液体稳定渗流的数学模型，描述球面向心稳定渗流过程，根据达西定理得体积流量表达式

式中，rw为井眼半径，m；Re为储层供给半径，m；pw为井内压力，Pa；pe为储层供给压力，Pa；μ为渗流流体黏度，Pa·s；k为渗透率，μm2。

按单相液体球面向心渗流过程，分析起钻过程中的井底抽汲压力对渗入流量的影响。假定在某地层钻进过程中，井眼直径为215.9 mm，渗入流体黏度为10 mPa·s，分析不同渗透率地层和不同负压差条件下井底液相渗流速度。如图6、图7，在相同条件下，一定的地层渗透率，随着起钻抽汲引起井底负压差值增大，地层流体渗流进入井筒的渗流速度会增大；在其他条件相同情况下，一定的井底压差，对渗透率较大的地层，地层流体渗流进入井筒的渗流速度会较大。

图6　抽汲井底负压差与渗流速度关系Fig.6Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs

图7　地层渗透率与渗流速度关系Fig.7Correlation between formation permeability and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs

2.1.2进入气层过程渗流分析 起钻过程井底负压差状态下，气层储层流体的渗流特征，可以按服从线性渗流定律的单相气体球面向心渗流过程进行分析。由于是气体渗流，体积流量随压力会发生变化，在稳定渗流情况下，质量流量是常数［8-9］。

按单相液体球面向心渗流过程，分析起钻过程中的井底抽汲压力对渗入流量的影响。假定在某地层钻进过程中，井眼直径为215.9 mm，渗入气体黏度为0.010 5 mPa·s，设井内钻井液密度为1.5 g/cm3，井深4 500 m，地温梯度为2.5℃/100 m。分析不同渗透率地层和不同负压差条件下井底气相渗流速度。如图8、图9，在相同条件下，一定的地层渗透率，随着起钻抽汲引起井底负压差值的增大，地层气相渗流进入井筒的渗流速度会增大；在其他条件相同情况下，一定的井底压差，对渗透率较大的地层，地层气相渗流进入井筒的渗流速度会较大。

图8　抽汲井底负压差与渗流速度的关系Fig.8Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during initial penetration of gas reservoirs

图9　地层渗透率与渗流速度关系Fig.9Correlation between formation permeability and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs

2.1.3钻过液体储层过程渗流分析 起钻过程井底负压差状态下的钻过液体储层的渗流特征，可以按服从线性渗流定律的单相液体平面径向稳定渗流过程进行分析［8］。平面径向渗流模型如图10。

由单相液体稳定渗流的数学模型，描述平面径向稳定渗流过程，由达西定理，分离变量积分得该平面径向流井筒入流体积流量表达式

按平面径向流渗流过程，分析起钻过程中的井底抽汲压力对渗入流量的影响。假定在某地层钻进过程中，井眼直径为215.9 mm，渗入流体黏度为10 mPa·s，Re=1 000 m，h=10 m，分析不同渗透率地层和不同负压差条件下的液相渗流速度。如图11、图12，在相同条件下，一定的地层渗透率，随起钻抽汲引起井底负压差值的增大，地层流体渗流进入井筒的渗流速度会增大；在其他条件相同情况下，一定的井底压差，对渗透率较大的地层，地层流体渗流进入井筒的渗流速度会较大。

图11　抽汲井底负压差与渗流速度的关系Fig.11Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during drilling of fluid reservoirs

图12　地层渗透率与渗流速度关系Fig.12Correlation between formation permeability and seepage velocity during drilling of fluid reservoirs

2.1.4钻过气层过程渗流分析 按服从线性渗流定律的单相气体平面径向渗流过程，分析起钻过程井底负压差状态下的渗流。由于是气体渗流，体积流量随压力会发生变化，在稳定渗流情况下，质量流量是常数［9］。

按平面径向流渗流过程，分析起钻过程中的井底抽汲压力对渗入流量的影响。假定在某地层钻进过程中，井眼直径为215.9 mm，渗入气体黏度为0.010 5 mPa·s，Re=1 000 m，h=10 m，设井内钻井液密度为1.5 g/cm3，井深4 500 m，地温梯度为2.5℃/100 m。分析不同渗透率地层和不同负压差条件下的井底气相渗流速度。图13、图14，在相同条件下，一定的地层渗透率，随起钻抽汲引起井底负压差值的增大，地层气相渗流进入井筒的流量速度会增大；在其他条件相同情况下，一定的井底压差，对渗透率较大的地层，地层气相渗流进入井筒的流量速度会较大。

图13　抽汲井底负压差与渗流速度的关系Fig.13 Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during drilling of gas reservoirs

图14　地层渗透率与渗流速度关系Fig.14 Correlation between formation permeability and seepage velocity during drilling of gas reservoirs

2.2井底正压差下渗流分析

Seepage pattern under positive bottom-hole differential pressures

下钻过程中，井内压力较大，激动压力引起的井内正压差作用会使钻井液向地层中漏失［10］。井底的钻井液漏失过程，按服从线性渗流定律的单相液体球面向心渗流逆过程分析，分析下钻过程井底正压差状态下的渗流特征，（pe-pw）＜0，由（1）式计算得体积流量为负值。

按单相液体球面向心渗流过程的逆过程，分析下钻过程中的井底激动压力对钻井液流入地层的影响。假定在某地层钻进过程中，井眼直径为215.9 mm，钻井液黏度为20 mPa·s，分析不同渗透率地层和不同正压差条件下的液相渗流速度。结果表明，激动压力引起井底正差压，导致钻井液漏失进入地层，一定的地层渗透率，钻井液漏失进入地层的速度随井底正压差的增大而增大。

3 结论Conclusions

（1）抽汲压力和激动压力随着钻井液密度、黏度以及井深的增大而增大；在起、下钻过程中，抽汲压力和激动压力与钻柱上、下行速度密切相关；同时，揭示了在钻井的钻进→静止→起钻过程和静止→下钻→钻进过程中井底压力的变化规律。

（2）钻过储层钻进过程，基于单相介质平面径向稳定渗流定律分析表明：相同条件下，一定的地层渗透率，随起钻抽汲引起的井底负压差值增大，地层流体渗流入井的流量、速度增大；其他条件相同情况下，一定的井底压差下，地层流体进入井眼内的渗流速度随着地层渗透率的增大而增大。

（3）激动压力引起井底正压差，井内压力较大时，井内正压差作用会引起钻井液向地层中漏失。地层渗透率一定时，钻井液漏失进入地层的渗流速度随着井底正压差增大而增大。

（4）在井身结构设计中，以井段钻进设计最大钻井液密度作为井内液柱压力计算的基础，使计算结果更符合实际井内压力状况。同时考虑地层的渗透性特征，在下一井段钻进过程中套管鞋处的地层不引起井漏条件下，可适当降低激动压力系数、破裂压力安全系数的取值，从而修正各层套管的允许下入深度，进一步优化井身结构设计。

References：

［1］樊洪海，褚元林，刘希圣. 起下钻时井眼内动态波动压力的预测［J］.石油大学学报：自然科学版，1995，19（5）：36-41.

FAN Honghai， Chu Yuanlin， LIU Xisheng. Prediction for wellbore dynamic surge pressure while tripping a drillpipe ［J］. Journal of the University of Petroleum China：Edition of Natural Sciences， 1995， 19（5）： 36-41.

［2］蒋祖军.用动态法研究井内波动压力［J］.石油钻采工艺，1991，13（3）：39-44.

JIANG Zujun.Analyze well bore surgepressure with the dynamic method［J］. Oil Drilling & Production Technology， 1991， 13（3）： 39-44.

［3］姜新越，李齐富，孙家栋，刘悦来，王健民.车66区块复杂地层优化钻井技术［J］. 天然气技术，2010，4（3）：53-55.JIANG Xinyue， LI Qifu， SUN Jiadong， LIUYuelai，WANG Jianmin. Optimized drilling of complicated formation in Che 66 Block［J］. Natural Gas Technology，2010， 4（3）： 53-55.

［4］李博. 车镇凹陷车66区块储层发育控制因素探讨［J］.内江科技，2014，35（1）：133-134.

LI Bo. Discussion of control factors for reservoir development in ChezhensunkenChe 66 block［J］. Nei Jiang Ke Ji， 2014， 35（1）： 133-134.

［5］郝俊芳.平衡钻井与井控 ［M］. 北京：石油工业出版社，1992.

HAO Junfang.Balance drilling and well control［M］. Beijing： Petroleum industry press， 1992.

［6］ BURKHARDT J A. Wellbore pressure surges produced by pipe movement［J］. Journal of Petroleum Technology，1961， 13（6）： 595-605.

［7］LEBELE-ALAWA B T， OPARADIKE F E. Analysis of the effects of valve propagated pressure surge on pipe flow［J］. Engineering， 2011， 3（11）： 1098-1101.

［8］朱圣举. 不同渗流方式下的压力波传播规律［J］. 新疆石油地质，2002，23（6）：522-523.

ZHU Shengju. The law of pressure spread in different flow states［J］ . Xinjiang Petroleum Geology， 2002， 23（6）：522-523.

［9］何应付，张亚蒲，刘学伟. 煤层气藏单相气体渗流特征实验研究［J］. 中国煤层气，2009，6（1）：10-14.

HE Yingfu， ZHANG Yapu， LIU Xuewei. Experimental research on permeation characteristics of single phasegas in CBM Reservoir［J］. China Coalbed Methane， 2009， 6 （1）： 10-14.

［10］李大奇，康毅力，刘修善，陈曾伟，思娜. 裂缝性地层钻井液漏失动力学模型研究进展［J］. 石油钻探技术，2013，41（4）：42-47.

LI Daqi， KANG Yili， LIU Xiushan， CHEN Zengwei，SI Na. Progress in drilling fluid loss dynamics model for fractured formations［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2013， 41（4）： 42-47.

（修改稿收到日期 2016-02-27）

〔编辑 薛改珍〕

Bottom-hole pressure fluctuation and seepage pattern during well drilling in Che-66 Block

LI Yun1， JIA Jianghong2
1. Technology and Equipment Department， SINOPEC Shengli Oilfield Service Corporation， Dongying， Shandong 257000， China；2. Drilling Technology Research Institute， SINOPEC Shengli Oilfield Service Corporation， Dongying， Shandong 257000， China

Drilling operations in the Che-66 Block are susceptible to blocking， formation collapsing， lost circulation， blowout and other complexities. Based on fluid dynamics in annulus and with consideration to formation permeability features， magnitudes of swabbing pressure and surge pressure produced during tripping and drilling operations were analyzed， together with effects of drilling fluid viscosities， densities， well depths and ROPs. In accordance with linear seepage theory， models for unidirectional fluid spherical centripetal flow and plane radial flow were deployed to determine seepage patterns and lost circulation of drilling fluids during penetration of reservoir formations under negative pressure. Research results show that higher bottom-hole differential pressure and formation permeability may lead to higher speed in seepage of formation fluids and higher volume of drilling fluids lost. The conclusions highlighted fluctuation in bottom-hole pressure during drilling， together with seepage pattern and relevant influencing factors. The research results can provide necessary foundation for optimization of borehole structural design.

drilling； bottom-hole pressure； seepage law； borehole structural design； Che-66 Block

LI Yun， JIA Jianghong. Bottom-hole pressure fluctuation and seepage pattern during well drilling in Che-66 Block［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 144-149， 154.

TE254

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0138-06

10.13639/j.odpt.2016.02.002

李云（1964-），1985年毕业于石油大学（华东）钻井工程专业，现主要从事钻井工艺方面的研究与管理工作。通讯地址：（25700）山东东营中国石化胜利油田工程有限公司技术装备处。电话：13854619359。E-mail：jiajianghong79@163.com

引用格式：李云，贾江鸿.车66区块钻井过程井底压力波动及渗流规律［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：138-143，155.