波动压力精准预测及随钻调控方法研究与应用

徐 彤，郑 卓，隋成龙，刘颖杰，范子涛，和鹏飞

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术公司，天津 300452；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

钻井工程中的波动压力主要是指抽汲和激动压力，主要发生在钻杆或者套管等井内管柱的起、下过程中[1，2]。定性的分析，抽汲将导致井底或者井筒某一位置的管柱环空当量钻井液密度小于实际钻井液密度，激动将导致当量钻井液密度大于实际钻井液密度，但对于极窄压力窗口压力井或者存在薄弱点（比如井漏点）的井来说，对于抽汲和激动压力的定量描述极端重要，定量描述联动工程参数的最优化配置[1，3，4]。

1 研究现状分析与问题

抽汲和激动压力的获取，主要采用模型计算方法，因此行业类开展了较多的模型研究。苏勤等[5]针对窄安全窗口钻井，提出设计系数计算思路代替常规经验法钻井设计。戴金岭[6]针对下套管过程的激动压力控制，进行了套管下放速度的确定计算。余骅[7]建立瞬态及稳态计算模型，开展波动压力计算。刘璞[8]为解决川北高压含硫地层钻井，研究了井底最低附加压力，给出了定量附加值数据。李云等[9]为保证井筒安全，避免溢流、井塌等问题，根据渗流理论开展了针对车-66 区钻井波动压力计算研究。韩付鑫等[10]以赫巴流变模型为前提，计算了井筒当量压力，以此获得最优下套管速度。王再兴[11]提出钻井液流变模型黄金分割算法，建立偏心度等因素的考虑计算情况。

从上述综述可以看出，模型计算是获得波动压力的主要方式，目的是给出最优工程参数推荐，比如下套管速度。但是各类模型均有明确针对对象、地区和局限性方法，尚未达到推广应用。因此开展了以成熟商业软件Wellplan 抽汲和激动模型为基础的波动压力精准预测及随钻调控方法研究和工程应用。

2 基于随钻调控的抽汲与激动压力敏感性分析

2.1 随钻分析敏感性影响模型

利用Wellplan 开展抽汲和激动压力分析，总体上可将影响因素分为两类，一类是既定参数，一类是可调参数。所谓的既定参数是工程实施过程中已经发生了或者存在的，随钻过程中不易调整或者不可调整，但在钻前设计时仍属于可调参数：所谓的可调参数是指在工程中能够调整和改变，开展优化应用的参数。因此模型方程可表达为：

其中：Swab-抽汲压力当量；Surge-激动压力当量；A-随钻既定参数因素；B-随钻可调参数因素。

2.2 随钻既定参数因素分析

随钻既定参数因素集主要子因素可表示为：

其中：A-随钻既定参数因素；A1-钻井液性能因素；A2-定向井轨迹因素；A3-井筒与管柱因素；A4-温度压力因素。

2.2.1 钻井液性能因素

（1）钻井液密度是既定参数中影响抽汲和激动的基本面参数，决定了当量的基准线。在钻前开展钻井液密度设计时，应充分考虑最大抽汲和最小激动当量影响的密度变化。

（2）流变性因素。钻井液流变性因素是随钻既定又可调的参数，因为在获得测量的流变性参数后，通过模拟预测抽汲和激动当量后，也可通过钻井液性能的调整进行改变，但实际工程中受限于钻井液体系、所用材料等因素，流变性调整的余量极小。流变参数主要以多速黏度计测得的6 组转速黏度，拟合获得选择流变模型，经过海洋钻井大量井验证赫巴模型拟合度最高，普适性最强。

2.2.2 定向井轨迹因素 定向井轨迹因素随钻时为不可调因素，钻前设计时为可调因素，但可调余地较小，对抽汲和激动当量的影响，主要表征在管柱受井筒轨迹导致的侧向力影响而发生偏心和贴边问题，Wellplan软件在计算模型设置中假定为同心，因此在直井计算中精度要高于斜井。

2.2.3 井筒与管柱因素 井筒与管柱因素的最终方式表征在环空过流面积的问题，因此井筒内径（包括套管段内径和裸眼段考虑扩大率的内径）、井内管柱外径（底部组合BHA 的外径、钻杆的外径）、管柱的开闭口形式（钻具浮阀、套管浮箍和浮鞋，均属于单流阀，流体可下行不可上行）、管柱与井筒的相对位置关系。具体来讲环空过流面积越大，抽汲和激动波动越小，因此可在钻前调整钻具尺寸干预；下钻预测激动时考虑管柱如果带单流阀则采用闭口计算，起钻采用开口计算。

2.2.4 温度和压力的影响 温度和压力的影响主要体现在钻井液的密度和流变性。施加压力会压缩流体，从而增加密度。温度使流体膨胀，从而降低了密度。温度和压力对流变学的影响更为复杂[12-14]。一般来说，温度会使基础液变稀，压力会增加黏度。有机相流体的黏度对压力的依赖性较大。针对温度和压力的影响，软件提供了简化处理方式，可以输入至少3 组不同温度和压力下的范式参数，软件采用了拟合趋势预测方法，在输入的不同温度和压力数据下得到趋势内其他温度和压力的范式参数情况。

2.3 随钻可调参数因素

管柱在井筒是按照单根、立柱的模式接卸，因此可以将管柱在一个单根或者立柱距离内的运行形式看作一个操作周期，一个操作周期分为两个方向、三个过程。所谓两个方向是向上运动或者向下运动；三个过程可描述为：启动加速→达到某一恒速→减速至零。在上述情况下可叠加产生复杂工况，比如开泵起钻、倒划眼或者划眼，这些复合情况分解后基本动作也在上述范围内。而随钻控制抽汲和激动压力，在上述既定参数下，可调参数便是加速度、恒速量化限制和减速度。对于抽汲当量还可以考虑配合开泵的复合起钻，用开泵ECD 当量抵消抽汲降低的当量。

（1）管柱加速度和减速度的确定，如公式（3）。

其中：a-加速度或者减速度，m/s2；v初-管柱初始速度，加速时为0，m/s；v终-管柱终了速度，减速时为0，m/s。

（2）恒速的确定，恒速一般在现场给定，在安全钻井液窗口较宽时，恒速可调范围大，极窄窗口时较小，一般采用给定后预测抽汲和激动做方案对比，获得最优恒速。

3 工程应用案例

南海DF 某井为一口高温高压井，设计完钻3 428 m，预测最高地层孔隙压力2.172 g/cm3，同深度预测破裂压力2.28 g/cm3。431.8 mm 井眼钻至2 445 m，下入339.725 mm套管，311.15 mm 井眼钻进至2 733 m 中完，有溢流，监测孔隙压力1.93 g/cm3，溢流压井时井漏，漏失当量1.98 g/cm3，多次堵漏。

在起钻更换底部钻具组合和后续下入244.475 mm套管前，预测模拟了不同速度下的抽汲和激动当量（见表1，表2），保持最大当量在1.95～1.97 g/cm3，即起钻速度不超过18 m/min，下套管速度不超过12 m/min。

表1 起钻抽汲当量的预测

表2 下套管激动当量的预测

4 结论

（1）在随钻极窄窗口钻井过程中，抽汲和激动当量控制的主要途径是钻具活动速度。

（2）钻前设计时，应全面考虑动态井筒当量的概念，而不是以钻井液密度或者钻进ECD 为唯一考虑依据。

（3）通过基于Wellplan 的抽汲和激动当量压力精确预测技术的研究，打通了理论到实践的最后一公里，具备广泛推广和应用的前景。