井底常压控制压力钻井设计计算.pdf

2 0 1 1年 2月 石油勘探与开发 PETR0LEUM EXPL0RAT1 0N AND DEVELOPM ENT Vo1 ．3 8 No． 1 1 03 文章 编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 1 0 1 0 1 0 3 0 6 井底常压控制压力钻 井设计计算 王果 ，樊 洪海。 ，刘 刚。 1 ． 中国石化石油工程技术研究 院钻 井工 艺研 究所 ；2 ． 中国石 油大 学 北京 石油工程 教 育部重点实验室 ； 3 ． 中国石油大学 华东 石油工程 学院 基 金项 目国家重点基础研 究发展 规划 9 7 3 项 目“ 深 井复 杂地层钻 井压 力 系统模 型与规律 ” 2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 4 摘要 井底 常压控制压力 钻井 MP D 技术采用 专用 的控压装 备 ， 将 井底 压力 控制在 合理 的范 围内。建 立井底 常压 MP D 关于井 口回压和钻井液 密度 的计算模 型， 运用迭代求解 方法进行 井 口回压和钻井液 密度 的设计 计算。利用该计 算模 型对 克拉 2 0 1井进行 了实例分析 ， 3 3 1 4 m处 的环空压力对 比表 明， 常规方 式下无 法设 计合理 的钻 井液 密度 ， 采用 井底 常压 法 设 计可保证 环空压力在压力窗 口之 内； 窄压力窗 口段 的回压 和钻 井液 密度 设计 结果表 明， 采 用井底 常压法设 计可安全 钻 穿 2 8 0 0 m 到 目的层 的井段 ， 并可减 少一层套管 ， 节约建井成本。实例计算结果表 明， MP D技术既降低 了钻井液密度又满 足 了环 空压 力控制的需求 ， 能精 确地 维持井底压力恒定 ， 安全 钻穿 窄压力 窗 口地层 ， 为优 化井 身结构 、 减少套 管层 次提 供 技 术基 础 。 图 6表 1参 1 7 关键词 井底常压 ；MP D技 术；压 力控 制；窄压力 窗口；设计 中图分类号 TE 2 4 9 文献标 识码 A De s i g n a nd c a l c u l a t i o n o f a M PD m o de l wi t h c o ns t a nt b o t t o m h o l e p r e s s u r e W a ng Gu o ～，Fa n Hon gh a i ，Li u Ga ng 。 1 ． Si n o p e c Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g，Be i j i n g 1 0 0 1 0 1 ，Ch i n a；2 ． MOE Ke y La b o r a t o r y o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g，C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ，Be i j i n g 1 0 2 2 4 9，Ch i n a；3 ．S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t B o t t o m h o l e p r e s s u r e c a n b e ma i n t a i n e d i n a r e a s o n a b l e r a n g e b y u s i n g t h e ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g MP Dt e c h n i q u e wi t h s p e c ia l e q u i p me n t ．A c a l c u l a t i o n mo d e l i s e s t a b l i s h e d f o r t h e b a c k p r e s s u r e a n d d r i l l i n g f l u i d d e n s i t y o f c o n s t a n t b o t t o m h o l e pr e s s u r e M PD，whi c h a r e c a l c ul a t e d b y i t e r a t i v e me t h od ．The c a l c u l a t i o n mo de l i s a pp l i e d t O t h e W e l l Ke l a 2 01 ．I n t h e c o mp a r i s on o f t he a n nu l u s pr e s s u r e s a t 3 31 4 m i n t h e we l l ，t h e c o nv e nt i o n a l d r i l l i n g me t h o d c a n n ot p r o v i de t he a pp r o p r i a t e d r i l l i ng f l u i d d e n s i t y ，b u t t h e c o n s t a n t b o t t o m h o l e p r e s s u r e M P D t e c h n i q u e c a n ma k e t h e a n n u l u s p r e s s u r e wi t h i n t h e p r e s s u r e wi n d o w． Th e d e s i g n r e s u l t o f b a c k p r e s s u r e a n d mu d we i g h t o f t h e n a r r o w p r e s s u r e wi n d o w i l l u s t r a t e d t h a t t h e we l l c a n d r i l l t h e t a r g e t z o n e a t 2 80 0 m d i r e c t l y by us i n g t he M PD t e c h ni q u e ． I t c a n s i mpl i f y c a s i ng pr o gr a m a n d s a ve d r i l l i ng c os t 。 Th e c a l c ul a t i on e x a mp l e d e mo n s t r a t e s t h a t t h i s t e c h n i q u e n o t o n l y r e d u c e s mu d d e n s i t y，b u t a l s o me e t s t h e d e ma n d o f a n n u l u s p r e s s u r e c o n t r o 1 ． Na r r o w pr e s s ur e wi n d o w c a n be d r i l l e d s a f e l y ．I t pr o v i d e s a t e c h ni c a l b a s i s f o r o pt imi z i n g we l l p r o f i l e ． Ke y wo r d sc o ns t a nt b ot t o m hol e pr e s s u r e；M PD t e c hn ol og y；pr e s s u r e c o nt r ol ；n ar r ow pr e s s ur e wi nd ow；de s i gn 0引言 在复 杂地层 情 况 下 钻 井 ， 地 层 孔 隙 压 力 和 破 裂 压 力之间的窗口通常 比较小 ， 在高温高压 、 深水和欠平衡 井 中这 种 现象 尤为 普遍 和 典 型 ， 常会 遇 到喷 、 漏 、 卡 、 塌 等 各种 井下 复 杂 情 况 和钻 井 问题 ， 同 时 还 会 延 长 钻 井 时间、 带来 HS E 健康 、 安全、 环境 问题 。这表 明了常 规 钻井 方 法 对 复 杂 地 层 的 不 适 用 性 。为 避 免 上 述 问 题 ， 需要一种能更 为精确地 约束 和控 制井 筒压力分布 的方法。美国在 2 O世纪 6 O年代后期开始应用控制压 力钻 井 Ma n a g e d P r e s s u r e D r i l l i n g ， 简 称 MP D 技 术 ， 该技术 是 应用 先 进 的井 控 设 备 和方 法 来 实 现 钻 井最优 化 的一种 工 艺技 术 ， 可用 于天 然气 水合 物钻 井 引。 井底 常 压 MP D技 术l_ 6 是 控 制 压 力 钻 井 技 术 的 一 种应用形式。通过采用略低于常规钻井液密度的钻 井 液进 行近 平 衡 钻 井 ， 关 井 接 单 根 时 ， 地 面 加 回压 ， 使 井底压力保持平衡或微 过平衡状态 ， 从而控制地层流 体的侵入 。其最终的 目标是 无论是否钻进、 是否循环 钻井液 ， 在整个钻井作业过程 中都能精确地控制井底压 力， 使其维持恒定 ， 并保证井筒压力分布在压力窗口内。 目前国内外对 MP D应用形式 、 装备配套及应用效 果介绍较多， 而对 MP D设计与计算研 究较少 ， 本文基 于井底常压 MP D应用形 式进行 了控压钻井的设计计 2 0 1 1年 2月 王果 等 井 底常压控制压力钻井设计计算 1 O 5 一 Ph Pf Pu 2 2 式 中的 项为理想的控制变量 ， 这是因为调整 井 口回压会使井底压力瞬 间发生 改变。理想状况 下， 静 止 时施 加 的井 口 回压 最 大 ， 等 于 循 环 状 态 下 的 环 空 压耗 本文使用的压耗计算公式参见文献[ 1 4 1 6 ] 。 井 口回压 和 钻 井 液 密 度 的 确 定 是 井 底 常压 MP D 设计的关键参数。笔者建立 了计算井 口回压和钻井液 密度的井底常压 MP D设计模型， 详细求解过程如下。 2 ． 2计 算 步骤 井底 常压 MP D计算主要分为 2个阶段 设计计算 阶段和实时计算阶段 ， 计算流程见图 2 。 设计计算主要是根据压力剖面在窄压力窗 口段进 行低钻井液密度设计 ， 然后计算所需 的井 口回压 ， 最后 根据 设计 结果 优化 井 身结构 。设 计计 算过 程如 下 。 开 始 运 行 买 时 I 计 退 确 定 窄 压 力 窗 口 段 的 算 最 大 孔 隙 压 力 梯 度 流 流 罩 J l 程 程 入 设 计 该 井 段 钻 井 液 ／ 目 i l ⋯ I JO E C D 值 ＼ ． l 否 否 f C L o 。 值为钻井液密度 ／ ， J 、 ＼ 计算环空压耗 P 0 ⋯⋯．． l 剑 固 定 的 时 1日 J 、 ． ＼间 隔 了 吗 ／ 以 为静 止 时 的 。 计算钻 井液 密度 调整P ， 以平N／ , L 是 ＼ ／ 根据实际需要的p I ，l督 n 业 { 上 计算所需的p 『 1 U F l r ／ l 畀 是 根据当前水力 参数计算 缸 山 革 I 十 L 一 一 一 ． 一 一 ． 一 一 ． 一 一 ． 一 一 一 ． 一 一 一 一 一 一 ．一 一 ．一 一 ．一 一 ．一 一 一 ．一 一 ．一 一 一一 l 一 ．一 一 ．一 一 一一 一 一 ， 一 一 一一 一 一一 一 一一 一 ．一 一一 一 ．一 一 ．一 ． ． 一 ． 一 一 ． 图 井底 常压 计算流程 ① 确定 窄压 力 窗 口段 的最 大 孔 隙压 力 梯度 。 ②根据步骤①确定的孔 隙压力梯度计算循环当量 钻 井液 密度 p 。 值 。 ③把步骤②算得 的 ID 。 值作 为钻井 液密度 10 代 入压耗计算公式计算 。 ④把步骤③算得的 作为静止时所需的 来计算 静 止时 的钻 井液 密度 p 。 ⑤判断 』 D 和 10 的差值 是否小 于设定 的计算精 度 如 果 是 ， 就 跳 转 到 步 骤 ⑦ ， 否 则 继 续 执 行 步 骤 ⑥ 。 ⑥令 步骤 ③ 中 的 』D 等 于步 骤 ④ 的 10 ， 并 重 复 步骤 ③ 、 ④ 和⑤ 。 ⑦此 时 的 和 即为设 计 的钻 井液 密度 和井 口回 压 值 。 钻井中， 很多情况都会引起 环空压力的变化 ， 主要 有 钻井 泵 的泵速 、 钻 井 液密 度 和 其 他一 些 引 起压 力 瞬 时改变的因素 如岩屑含量和钻杆 的转速等 。通过实 时计 算井 底压 力 ， 并判 断 当前 状 况 ， 当需 要 调控 环 空 压 力剖 面 时 ， 调 节 井 口 回压 值 以补 偿 环 空 压 力 变 化 所 引 起的井底压力变化 。实时计算过程如下。 ①根 据 当前 的水 力 参 数 静 液 柱 压 力 、 环 空 压 耗 计算井底压力 。 ②用 实际需 要 的井底 压 力 减去 步 骤 ①计 算 出 的井 底压力 ， 差值即为需要的井 口压力 。 ③传送步骤 ② 中的压力 给控制 系统 以控制井 口 压 力 。 ④ 根 据具体 情 况每 隔一定 时 间 0 ． 5 或 1 重 复上 述步 骤① 、 ② 、 ③ ， 直到结 束 。 3实 际算例分析 ． 基本数 据 本文依据克 拉 井 资料 进行 了井底 常压 设计计算 。克拉 井位于新疆拜城县北东方向约 5 5 的塔里木盆地库车坳陷北部克一依构造 带西段克 拉苏 2号构造 。该井为评价井 ， 设计井深为 4 ， 垂直钻达 目的层 。钻井 目的是为了进一步查明克拉 2