控压钻井井筒数学模型研究

2018-03-27王振雷

西部探矿工程 2018年3期

王振雷

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

随着我国石油勘探与开发向深部复杂地区不断发展，窄密度窗口安全钻井问题越来越突出，在许多油田已成为钻井施工的技术瓶颈。针对窄密度窗口的安全钻井问题，目前国际上常用的方法是控压钻井技术。控压钻井技术关键在于减少井底环空压力波动并使之维持在窄密度窗口范围内，手段是通过调节钻井流体密度和在井口加回压间接控制井底环空压力[1]。

然而，井口回压加（或者减）多少要看所需井底环空压力是多少，即满足（δ为控制精度值）。

1 井底环空压力计算

如图1所示，标出了控压钻井过程中各个压力节点以及节点之间压力损失情况，其中当前井底环空压力需要通过数学计算获得，即：

公式一：

图1 控制压力钻井各节点及压力损失情况

或者：

公式二：

式中：P立压、P当前井口回压——可以直接测量得到；

P钻具内静液压力—— 可以根据P钻具内静液压力=ρ入口密度×g×h井深得到；

P钻具内压力损失——需考虑钻柱内部变径、井下仪器过流面积及流道形状和长度等因素；

P水眼压力损失—— 可以根据P水眼压力损失=得到；

P环空压力损失——需要考虑钻柱外部变径、井眼尺寸、钻井流体流动状态等因素；

P环空静液压力—— 可以根据P环空静液压力=ρ出口密度×g×h井深得到。

因此，建立控制压力钻井数学计算模型关键是对P钻具内压力损失及P环空压力损失进行计算。

考虑到控压钻井过程中钻具内部结构变化，特别是箭型回压阀、减震器、震击器、随钻测量工具等的接入对钻具内部流道的影响比较大。所以本文采用公式二进行计算，只需要再解决计算P环空压力损失的问题。

2 环空压力损失的计算

根据环空的井眼尺寸和钻具尺寸的变化将环空分成若干段进行分别计算，最后再将各段的压力损失加在一起。

图2 计算环空压力损失过程中的分段情况

具体到每一段的环空压力损失计算，则要在确定完钻井液流变形能以及该段的具体情况的基础上进行：在采用宾汉流体模型的前提下，首先是给计算过程中需要用到的参数赋值，包括钻具外径与井眼尺寸之比α，井段长度L，塑性粘度μ，平均速度v[3]。然后计算雷诺数Re，判断雷诺数是否满足Re小于2320，如果满足，则采用层流的计算方法，否则采用紊流的计算方法。在采用幕律流体模型的前提下，首先也是先给计算过程中需要用到的参数赋值，包括流性指数n，钻具外径与井眼尺寸之比α，井段长度L，平均速度v，并计算稠度系数k[4]。然后计算雷诺数Re，判断雷诺数是否满足Re小于2320，如果满足，则采用层流的计算方法，否则采用紊流的计算方法。详细的计算过程，即主要是给α以及L赋值：

由图2可知，环空压力损失计算可以首先分成2段，一段为套管段，另一段为裸眼段。

a当计算套管段时分2种情况，一种是整个套管段里面全是钻杆，另一种情况是整个套管段里面既有钻杆又有钻铤。

a.1当整个套管段里面全是钻杆，可以分为钻杆本体和钻杆接头2部分进行计算。

a.1.1计算钻杆本体的环空压力损失时，钻具外径与井眼尺寸之比钻杆本体长度

a.1.2计算钻杆接头的环空压力损失时，钻具外径与井眼尺寸之比钻杆接头长度

a.2另一种情况是整个套管段里面既有钻杆又有钻铤，需要进一步分成2小段进行计算，然后将二者加在一起完成套管段的环空压力损失计算。

a.2.1计算其中的钻杆段，同样需要分为钻杆本体和钻杆接头2部分计算。

a.2.1.1计算钻杆本体的环空压力损失时，钻具外径与井眼尺寸之比钻杆本体长度

a.2.1.2计算钻杆接头的环空压力损失时，钻具外径与井眼尺寸之比钻杆接头长度

b当计算裸眼段的时也分为2种情况，一种是整个裸眼段里面既有钻杆又有钻铤，需要先分开算然后加在一起；另一种是整个裸眼段里面只有钻铤，直接计算出裸眼段的环空压力损失。

b.1裸眼段里面既有钻杆又有钻铤时，需要分为钻杆段和钻铤段。

b.1.1其中钻杆段的计算分为钻杆本体和钻杆接头2部分。