考虑延伸极限的大位移水平井最优钻井液排量设计

李鑫 高德利

中国石油大学石油工程教育部重点实验室

考虑延伸极限的大位移水平井最优钻井液排量设计

李鑫 高德利

中国石油大学石油工程教育部重点实验室

钻井液排量的大小直接关系到大位移水平井延伸能力的高低，为获得最大的大位移水平井延伸极限，笔者从钻井液排量的角度出发，提出了排量的优化设计原则，并给出了最优钻井液排量的设计方法。综合利用大位移井的裸眼延伸极限原理和水力延伸极限原理，并考虑井眼清洁的需要从而确定钻井液的排量范围，最终以获得最大的水平段延伸极限为目标，确定最优钻井液排量值。应用该方法对1口大位移水平井进行分析可知，其排量允许范围为26.2～42.9 L/s，最优排量值为31.8 L/s，其对应的最大水平段延伸极限为6 251 m。进一步研究表明：首先，在任意排量下，基于上述两原理获得的两水平段延伸极限值的最小值可以作为大位移水平井的水平段延伸极限；其次，两水平段延伸极限相等时的值即为最大水平段延伸极限，其所对应的排量值即为最优钻井液排量值；最后，该最优排量值既可以保证大位移水平井获得最大的井眼延伸极限，又可以满足井眼清洁的需要，井内压力也不会超过井壁稳定和钻井泵的最大承载能力。

大位移水平井；钻井液排量；最优排量；井眼清洁；延伸极限

随着页岩气等非常规资源和海洋油气资源开发的进一步深入，大位移水平井的应用越来越广泛［1-2］。大位移水平井延伸极限是业界普遍关心的问题。大位移井的延伸极限原理主要包括3种：裸眼延伸极限原理、水力延伸极限原理和机械延伸极限原理，分别从井壁稳定、水力设计、机械装备的能力等角度预测大位移的最大测深［3］。其中，大位移水平井的裸眼延伸极限和水力延伸极限都与钻井液排量有关，排量的大小直接关系到大位移井延伸能力的高低，不当的钻井液排量设计会导致大位移水平井不能安全钻达设计井深。具体来说，水平井的长裸眼钻井过程中，井眼轨迹的特殊性易造成井眼净化不佳，形成岩屑床，钻井液排量过小会影响井眼的清洁程度；而钻井液排量过大又会对地层和钻井泵的承压能力造成影响［4］，尤其是当环空尺寸较小时，井内当量循环密度过高，这种影响就更加明显［5］。一般来说，大位移水平井的测深尤其是水平段越长，其单井产量和经济效益也会越高［6］。因此，为获得最大的大位移水平井延伸极限而进行钻井液排量的优选具有重要的意义。

1 最优排量研究存在的问题及对策

Issues and countermeasures of optimal displacement study

作为钻井的血液，钻井液是关系到钻井成败的重要因素之一。钻井液对于保持井壁稳定、减少储层伤害以及预防卡钻等井下事故具有重要作用［7-8］。对于钻井液排量，许多学者都进行了深入的研究。路保平［9］从井眼清洁、钻头润滑和快速钻井等角度给出了钻井液排量的可行区间；董礼亮［10］将满足环空携岩要求的最小排量作为排量下限，将维持井壁稳定的最大排量作为排量上限，并给出了泥浆泵在最大水马力工作方式下的最优排量；郭晓乐等［4］基于常规水力参数设计理论，并结合大位移井特点给出了优选排量范围的确定方法。梁奇敏等［11］给出了多约束条件下的钻井液排量范围确定方法，并给出了获得最大钻头水功率的最优钻井液排量。可以看出，多数研究者只给出了钻井液排量允许范围的确定方法，而对最优钻井液排量值的研究则相对较少。并且，对最优排量值的研究主要集中在获得最大钻头水功率以及钻头压降和沿程压力损失的最优分配上，缺乏为获得最大的大位移水平井延伸极限而进行钻井液排量优选的确定方法研究。

为了获得最大的大位移水平井延伸极限，笔者从优化钻井液排量的角度出发，提出了排量的优化设计原则，并给出了最优钻井液排量的设计方法。第一，确定钻井液排量的范围：本研究只考虑井眼清洁、地层的承压能力和钻井泵的承载能力对排量的影响，不考虑其他因素；首次综合利用大位移井的裸眼延伸极限原理和水力延伸极限原理确定了钻井液的排量范围，文中的钻井液排量范围可以满足大位移水平井井眼清洁的需要，并且井内压力不会超过地层和钻井泵的承压能力；第二，在钻井液排量的允许范围内，本文确定了最优钻井液排量值，该排量值可以保证获得最大的井眼延伸极限。

2 最优排量的确定方法

Determination method of optimal displacement

2.1 排量的优化设计原则

Optimal design principle of displacement

（1）在该最优排量值下循环钻井液时井内压力不能超过地层的承压能力和钻井泵的承载能力。

（2）该最优钻井液排量值必须保证井眼清洁的需要。

（3）大位移水平井可以在该最优钻井液排量值下获得最大的井眼延伸极限。

2.2 钻井液排量范围的确定

Determination of drilling fluid displacement range

2.2.1 钻井液排量上限 大位移水平井的钻井液排量上限Qmax主要从2个方面进行确定：首先，考虑地层的承压能力并根据裸眼延伸极限原理确定出钻井液排量上限Qmax1；其次，考虑钻井泵的承载能力并根据水力延伸极限原理确定出钻井液排量上限Qmax2，最终取两者的最小值作为大位移水平井的钻井液排量上限，即Qmax=min（Qmax1，Qmax2）。

（1）基于地层承压能力的排量上限。根据地层因素来确定的钻井液排量上限Qmax1可以根据大位移水平井的裸眼延伸极限原理来进行确定。该原理可以概括如下：大位移水平井不能无限制的向前延伸，当其井底压力超过地层的破裂压力时，地层就会被压破，此时大位移水平井就会停止延伸，该破裂点可以称为大位移水平井的临界点，此临界点可以用式（1）进行表示［12-13］

式中，ρmix为混合物密度，g/cm3；Dv为井眼垂深，m；Δpa为环空钻井液循环压耗，MPa；ρf为水平段地层破裂压力当量密度，g/cm3。

Δpa与钻井液排量Q有着密切的关系，最终可以得到基于裸眼延伸极限原理的大位移水平井水平段延伸极限Lh1，可以表示为Q的函数

式中，ρs为固相密度即岩屑密度， g/cm3；ρm为钻井液密度，g/cm3；Cs为环空内岩屑体积分数，%；Δρav为垂直井段环空压耗，MPa；∑Δpadi为若干斜井段环空压耗，MPa；（Δp/ΔL）ah为水平段环空压耗梯度，MPa/m。在大斜度井段和水平段环空压耗计算过程中要考虑钻杆偏心的影响，需要引入偏心系数［14-15］。

Lh1存在一种极限情况，即当Lh1=0时，钻井液排量Q存在一个最大值Qmax1，Qmax1会在满足式（3）时取得。

因此，只要求得满足式（3）的钻井液排量即可求得根据裸眼延伸极限原理得到的钻井液排量上限Qmax1。（2）考虑钻井泵承载能力的排量上限。根据泵能力因素来确定的排量上限Qmax2可以根据大位移水平井的水力延伸极限原理来进行确定。该原理是指在一定的制约条件下，大位移井所能达到的极限测深，这里的制约条件主要是指钻井泵的额定泵压、环空压耗等水力参数。由于钻井泵具有额定泵压，而大位移水平井的总循环压耗（地面管汇压耗与井内压耗之和）必须小于等于额定泵压，这也就决定了大位移井不能无限制延伸，临界点处的计算模型可以表示如下［16-17］

式中，Δpg为地面管汇压耗，MPa；Δpb为钻头压降，MPa；（Δρ/ΔL）sti为第i段钻柱内压耗梯度，MPa/m；（Δρ/ΔL）ai为第i段环空压耗梯度，MPa/m；pr为钻井泵额定泵压，MPa。

Δpg，Δpb，（Δρ/ΔL）sti和（Δρ/ΔL）ai都与钻井液排量Q有着密切的关系，最终可以得到基于水力延伸极限原理的大位移水平井水平段延伸极限Lh2，可以表示为Q的函数

式中，Δpstv为垂直段钻柱内压耗，MPa；Δpstd为斜井段钻柱内压耗，MPa；Δpav为垂直井段环空压耗，MPa；∑Δpadi为若干斜井段环空压耗，MPa；（Δp/ΔL）sth为水平段钻柱内压耗梯度，MPa/m；（Δp/ΔL）ah为水平段环空压耗梯度，MPa/m。

Lh2也存在一种极限情况，即当Lh2=0时，钻井液排量Q存在一个最大值Qmax2，Qmax2会在Lh2=0时取得，即需要满足式（6）。

因此，只要求得满足式（6）的钻井液排量即可求得基于水力延伸极限原理的Qmax2。

至此，根据裸眼延伸极限原理确定了一个钻井液排量上限Qmax1，又根据水力延伸极限原理确定了一个钻井液排量上限Qmax2。最终，取两者的最小值作为大位移水平井的钻井液排量上限

2.2.2 钻井液排量下限 大位移水平钻井需要保证一定的环空钻井液排量以达到井眼清洁的目的，因此存在一个钻井液排量下限Qmin，对此前人已经做了很多的研究［18-20］。笔者据此分别得到考虑井眼清洁需要的直井段及小斜度井段的最小排量Qmin1，大斜度井段的最小排量Qmin2以及水平段的最小排量Qmin3。整个大位移水平井的钻井液排量下限Qmin可以取三者中的最大值

2.3 最优钻井液排量

Optimal displacement of drilling fluid

任意的钻井液排量下都对应一个大位移水平井的水平段延伸极限Lh，如图1所示，它是该井基于裸眼延伸极限原理和基于水力延伸极限原理得到的2个水平段延伸极限Lh1和Lh2的最小值［21］，需要满足式（9）

以获得最大的水平段延伸极限Lhmax为目标，确定最优的钻井液排量值Qopt，它需要满足式（10），即Lh1（Q）=Lh2（Q）。

图1 水平段延伸极限确定示意图Fig.1 Schematic diagram on the determination of horizontal section extension limit

水平段延伸极限的最大值Lhmax将在Qopt处取得，可以表示为式（11）。

3 应用实例及讨论

Application case and discussion

现针对一口大位移水平井进行钻井液排量设计，确定钻井液排量范围以及最优钻井液排量值。该井造斜点处井斜角0°，造斜点垂深1 956.3 m，造斜点处水平位移0 m，斜井段造斜率20.55（°）/（100 m），目标段井斜角90°、垂深2 241 m、前水平位移280 m。井身结构：导管Ø558.8 mm钻头+Ø476.3 mm套管×30 m，一开Ø444.5 mm钻头+Ø339.7 mm套管×700 m，二开Ø311.2 mm钻头+Ø244.5 mm套管×2 407 m，三开Ø215.9 mm钻头，输入模型的数据见表1［22］。

表1 输入模型的数据Table 1 Design data of casing program

根据文中条件，并假设水平段破裂压力不变，将得到的基于裸眼延伸极限原理的水平段延伸极限Lh1和基于水力延伸极限原理的水平段延伸极限Lh2随钻井液排量Q的变化曲线绘制于图2，可以用来确定大位移水平井的钻井液排量范围、最优钻井液排量值Qopt以及最大的水平段延伸极限Lhmax。

图2 钻井液排量范围和最优排量确定示意图Fig.2 Schematic diagram on the determination of drilling fluid displacement range and optimal displacement

从图2可以看出，随着钻井液排量的增加，根据裸眼延伸极限原理得到的水平段延伸极限曲线Lh1先增加而后又减小，其与横坐标的交汇点处的横坐标值即为根据裸眼延伸极限原理得到的Qmax1，代表地层所能承受的最大钻井液排量。此时，Qmax1=45.1 L/s。根据水力延伸极限原理得到的水平段延伸极限曲线Lh2也随钻井液排量的增加也先增加后减小，并且该曲线与横坐标的交点也是一个是根据水力延伸极限原理得到的钻井液排量最大值Qmax2，代表泥浆泵等水力设备能够提供钻井液循环的最大排量值。此时，Qmax2=42.9 L/s。

大位移水平井钻井液排量上限为Qmax= min（Qmax1，Qmax2）=42.9 L/s。钻井液排量的下限可以根据文中钻井液排量下限部分的分析进行求解，此时得到钻井液排量下限为26.2 L/s。

并且，满足式（10）的钻井液排量即为获得最大水平段延伸极限的最优钻井液排量值 ，也就是图2中两曲线的交点所对应的横坐标值，从图2可以看出，Qopt=31.8 L/s。此时对应的水平段延伸极限Lhmax=6 251 m。

4 结论

Conclusions

（1）以获得最大的大位移水平井延伸极限为目标，从钻井液排量的角度出发提出了钻井液排量的优化设计原则。

（2）分别考虑井眼清洁需要、地层承压能力和钻井泵的承载能力要求，综合利用大位移井裸眼延伸极限原理和水力延伸极限原理确定了钻井液的排量范围。文中设计实例中钻井液排量为26.2～42.9 L/s。

（3）给出了最优钻井液排量的设计方法及需要满足的条件。根据裸眼延伸极限原理和水力延伸极限原理得到的两水平段延伸极限都随着钻井液排量的增加而先增加后减小。两水平段延伸极限的最小值即为大位移水平井的水平段延伸极限Lh。并且，任意钻井液排量下，Lh各不相同，当Q＜Qopt，水平段延伸极限Lh主要受地层的承压能力限制；而当Q＞Qopt，水平段延伸极限Lh主要受钻井泵的承载能力限制。最大水平段延伸极限Lhmax会在最优钻井液排量值Qopt下取得。文中设计实例中，最优钻井液排量值Qopt为31.8 L/s，在该排量值下可以获得最大的水平段延伸极限。

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（修改稿收到日期 2017-03-13）

〔编辑 薛改珍〕

Optimum drilling fluid displacement design of large displacement horizontal well considering extension limit

LI Xin,GAO Deli
Key Laboratory of Petroleum Engineering Education Ministry,China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China

Drilling fluid displacement has the direct effect on the extension capacity of extended-reach horizontal wells.To maximize the extension limit of extended-reach horizontal wells,the displacement optimization design principle was put forward from the aspect of drilling fluid displacement,and the design method of optimal drilling fluid displacement was proposed.The displacement range of drilling fluid was determined by taking into consideration the demand of hole cleaning.According to open-hole extension limit principle and hydraulic extension limit principle of extended reach well comprehensively,the optimal displacement of drilling fluid was determined with the maximization of horizontal section extension limit as the ultimate target.This method was used to analyze one extended-reach horizontal well.It is shown that the allowed displacement is in the range of 26.2-42.9 L/s,and optimal displacement is 31.8 L/s,corresponding to the maximum horizontal section extension limit of 6 251 m.Based on further studies,several understandings were obtained.First,for any displacement,the minimum extension limit of two horizontal sections which are obtained based on the above mentioned two principles can be taken as the horizontal section extension limit of extended-reach horizontal well.Second,the value in the occasion the extension limit of both horizontal sections is equal is the maximum extension limit of horizontal sections,and its corresponding displacement is the optimal displacement of drilling fluid.And third,at the optimal displacement,the extension limitof extended-reach horizontal well can be maximized,the demand of hole cleaning can be satisfied and the subsurface pressure is kept below the maximum bearing capacity of wellbore stability and drill pump.

extended-reach horizontal well; drilling fluid displacement range; optimal displacement; hole cleaning; extension limit

李鑫，高德利.考虑延伸极限的大位移水平井最优钻井液排量设计 ［J］.石油钻采工艺，2017，39（3）：282-287.

TE243

：A

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: LI Xin,GAO Deli.Optimum drilling fluid displacement design of large displacement horizontal well considering extension limit［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 282-287.

李鑫（1990-），2014年毕业于中国石油大学（北京）油气井工程专业，主要从事油气井力学与控制工程方面的研究工作。通讯地址：（102249）北京市昌平区府学路18号。电话：010-89733702。E-mail：lixin0102@126.com

高德利（1958-），1990年毕业于中国石油大学（北京），主要从事油气井力学与控制工程方面的研究工作。通讯地址：（102249）北京市昌平区府学路18号。E-mail：gaodeli@cast.org.cn