控压钻井解决碳酸盐岩地层环空压力波动研究

2018-05-22郭庆丰许朝辉门明磊

西部探矿工程 2018年5期

康健，郭庆丰，许朝辉，门明磊，张鑫

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102200）

石油钻井过程中，起下钻、接单根引起井底压力变化会影响钻井作业从而造成井控风险。大量的实践表明，25%以上的井喷、井漏及井壁坍塌等复杂钻井情况是由波动压力造成的[1]。如何有效地减小井内的波动压力一直是钻井设计及施工的难点。裂缝性发育的碳酸盐岩地层多半为气井，为了降低波动压力对井底压力的影响，现场通常在泥浆密度设计中增加安全附加值（油水井0.05～0.1g/cm3,气井0.07～0.15g/cm3），对于地层压力窗口正常的井这样是可行的，但对于裂缝性碳酸盐岩地层井，为了保证井下安全，波动压力必须保持在地层所允许的压力窗口范围之内。

精细控压钻井技术能够实时精确控制井底压力，有效实现安全钻井的技术，主要解决窄密度窗口钻井难题[2]。使用精细控压钻井技术的井多数都较为复杂，其中在窄密度窗口下，应用较为广泛。在钻井作业中，任何造成压力波动的工序都可能出现安全事故，对波动压力准确地计算和精确地控制是必须面临的挑战。精细控压技术控制在钻井作业中产生的波动压力具有显著的效果。

1 波动压力分析计算

现场钻井作业过程中，波动压力主要是由泥浆在井筒内流动所产生的[3]，其中主要包括泥浆流动克服静切力、粘滞力和上提下放钻具惯性造成的波动压力。

1.1 泥浆静切力引起的波动压力

现场调配的泥浆一般都有静切力。泥浆泵再次开启、起下钻过程中，瞬时波动压力主要是泥浆静切力产生的。计算公式如下：

P波=

4ρ0H

(D2-D1) （1）

式中：P波——波动压力，Pa；

ρ0——泥浆密度，Pa；

H——环空液面至钻头的高度，m；

D1——井眼直径，m；

D2——钻柱外径。

由式（1）能够看出，在其他变量一定的情况下，泥浆静切力引起的波动压力随着静切力增大而增大。对于压力敏感地层，引发井漏原因往往是由开泵、起下钻泥浆静切力较大，泥浆静切力产生的阻力，使得井底压力大于漏失压力。所以现场调配合理的泥浆静切力对减小波动压力尤为重要。

1.2 泥浆粘滞力产生的波动压力

下钻过程中，钻具下放，泥浆反方向流动，由于钻具表面的粘附因素，使得泥浆在环空内向上的流动中发生的摩擦损失造成的压力。

（1）环空平均流速计算：

式中：VQ——起下钻速度，m/s；

Q1——管柱内流量；

其他符号如上。

（2）波动压力计算：首先计算雷诺数，分析不同的泥浆流态情况，计算波动压力。

层流时：

式中：H——井深,m；

其他符号如上。

絮流时：

式中：f——范宁阻力系数，其他符号如上。

1.3 钻具惯性引起的波动压力

在起下钻时，钻具上提或者下放具有一定的加速度，环空的泥浆也会跟着反方向流动产生了惯性力，即是钻具惯性力引起的波动压力，计算如下。

正常情况下钻：

钻具装有止回阀：

式中：a——加速度，m/s2；

其他符号如上。

分析以上3种常见的引起波动压力的因素，其中在现场起下钻由于钻具惯性造成的波动压力最大，在裂缝性碳酸盐岩地层极其容易引发井下复杂事故。

2 精细控压钻井系统解决波动压力方案

2.1 实时调节井口回压保持井底压力恒定

井口回压的调节主要通过控压钻井装备来实现，

雪花飘一走，我再也听不到刷夜这个词了。村庄安静了一些时候。后来我有幸被一位老干部看重，到乡政府当了副科长，而这时田青青已是县政府办公室副主任。我们都成家了，她的丈夫是公安局刑警队长，我的妻子是村里的养猪饲养员，这种差距使我在心理上很不平衡。我知道自己做了许多有益的工作，但很少有人发现。肉埋在饭里吃，谁看得见肉呢？

在钻井过程中通过控压钻井装备与工艺的有效结合

[4]。根据采集的排量、套压和井底压力等数据，结合水力计算软件合理的逻辑判断，实时对比实际井筒压力与目标压力，发出控制节流阀的信号。通过精细控压钻井系统节流系统，调节节流阀开度实时控制井口回压，实现控制井筒压力的目，保持井底恒压，从而减小井筒波动压力。各压力关系如图1所示。

图1 井底压力模式组成

在正常起下钻过程中，受波动压力影响很大，井底压力保持恒定的情况下有：

式中：Pj——井底压力；

Pb——波动压力；

Po——静液柱压力。

其中起钻过程中波动压力取正值，下钻过程中波动压力为负值。

2.2 回压补偿系统在环空内实时补浆

图2 井身结构示意图

3 实钻过程中波动压力控制

以塔里木某井为例，该井斜深5403m，垂深4837m，水平段长365m。该井在三开后进入A点（5038m）前100m（4938m），开始进入精细控压钻进流程。以该井三开后井深为5100～5200m为例，起下钻过程中波动压力及井口压力的控制。

3.1 基本参数

（1）井身结构（见图2）。

（2）泥浆性能。泥浆密度1.08～1.30g/cm3，漏斗粘度45～60，动切力5～15，塑性粘度6～18，初切力2～4，终切力5～15，API失水不大于5，HTHP不大于14，含砂量不大于0.2，pH值不小于11。

（3）钻具组合。Ø171.5mm钻头+Ø127mm螺杆钻具+转换接头×331×NC38（母）×0.5m+Ø120.7mm浮阀+Ø120.7mm无磁钻铤+Ø120.7mmPWD+Ø120.7mm无磁悬挂短接（MWD）+Ø88.9mm无磁承压钻杆+转换接头×NC38（公）×HT40（母）+Ø101.6mm斜坡钻杆S135I+Ø101.6mm加重钻杆S135I+Ø101.6mm斜坡钻杆S135I。

（4）井深5100～5200m正常钻进参数。表1为井深在5100～5200m正常钻进时精细控压钻井系统实时记录的部分参数。

3.2 波动压力实时控制

为了减小由于加速度对波动压力造成不定性因素，延长RCD胶芯寿命，在精细控压施工过程中，控制起下钻速度不大于0.3m/s。在钻具内装有止回阀情况下，由公式（6）可知波动压力的大小与钻杆下入深度H及起下钻加速度a大小决定的。

表1 精细控压数据监测

图3 起下钻—波动压力与井口回压模拟

波动压力随着加速度a的周期性变化，保持井底压力不变，井口压力也要随着波动压力的变化而变化，图3为在精细控压钻井起钻过程中，波动压力与井口回压控制模拟曲线。

在起钻过程中，波动压力表现为抽吸压力，井底压力随着抽吸压力在的增大而减小。由公式（7）可知，控制井底压力Pj恒定，随着波动压力Ph的增大，井口回压PW同时也要增大。该井在正常钻进时，井口控压值为0.2MPa，根据表1中PWD环空压力监测值计算环空压耗为1.51MPa，由公式（6）代入数据得波动压力峰值为1.9MPa，则在其钻过程中井口附加压力峰值为3.61MPa。

在下钻过程中，波动压力表现为激动压力。井底压力随着抽吸压力的增大而增大，由公式（7）可知，控制井底压力Pj恒定，随着波动压力Ph的减小，井口回压PW同时也要减小。该井在正常钻进时，井口控压值为0.2MPa，根据PWD环空压力监测值，计算环空压耗为1.57MPa，由公式（6）代入数据得波动压力谷值为0.65MPa，则在其钻过程中井口附加压力峰值为3.61MPa，图4为使用精细控压钻井起下钻过程中，实时控制波动压力井口回压曲线。