可循环泡沫钻井环空压力计算与应用-.pdf

2 01 0焦 第4 卷 第5 期 天 然 气 技 术 Na t u r a l Ga s T e c hn o l o g y Vo j ． 4． N o． 5 Oc t ． 2 01 0 d o i 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 6 7 3 9 0 3 5 ． 2 0 1 0 ． 0 5 ． 0 1 3 可循环泡沫钻井环 空压力计算与应 用 杨贽许朝阳杨振杰张建斌张汉林王军闯贾军喜 中国石油川庆钻探钻采工程技术研究院，陕西西安7 1 0 0 2 1 摘要 环空压力对可循环泡沫控制压力钻井来说是一个重要的参数，但在钻进过程中要获得此参数比较麻 烦。 为此 ，建立 了一套利用求得动密度及环 空流动压耗 并根据静 液柱压力最后得 出可循环 泡沫钻 井环 空压力的计 算模型，其理论计算结果与环空压力实测情况对比分析表明，井底压力的理论计算误差小于1 ． 5 ％，理论计算值与 实测值基本一致，表明此计算方法对可循环泡沫钻井有一定的适用性。进行了可循环泡沫钻井与常规钻井液钻井 环空压力的对比分析，结果表明在 3 0 0 0 r n井深处，采用可循环泡沫钻井比常规钻井液钻井的环空压力低 2 ～3 MP a ，说 明可循环泡沫钻井能降低钻 井时的井底压力，以达到 降低储层伤害的 目的。 关键词 可循环泡沫钻井控镧压力钻井环空压力静液柱压力井庶压力■低储层伤謇 中图分类号 T E 2 4 2 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 9 0 3 5 2 0 1 0 0 5 0 0 3 8 0 3 0 引言 1 ． 1 动密度的计算 随着低渗透油气 田开发规模 的逐步扩大 ，以及 鉴于采用可循环泡沫控制压力钻井 以实现发现油气 层和降低储层伤害的 目的 ，在 4 6 井 、 7 7 井 、Z 7 2 井 和Z 7 4 井应用了可循 环泡沫钻井技术 ，获得 了较 好的效果 。但在可循环泡沫钻井环空压力测量 包括 井底压力 和理论计算方面还存在一些技术问题 ，从 而导致井筒压力和钻后效果分析缺乏有力的理论支 持 ，因此进行可循环泡沫钻井动密度 以及环空压力 计算方法的研究是很有必要的。 1 环空压力理论计算模型的建立 在可循环泡沫钻井 时 ，整个井筒水动力学循环 系统可以划分为气相、液相 、固相。但是在某钻井 过程 中，岩屑主要是被液相 所携带并传输到地 面， 因此认为岩屑是均匀分布于液相 中。通过进行多相 流流动理论 和实测试验研究 ，得 出了可循环泡沫钻 井液的泡沫质量 、动密度以及环空压力的计算模 型 ，为更好地监测和控制可循环泡沫钻井液的密度 和井底压力提供了理论依据 II- 5 1。 1 泡沫质量计算 首先建立物理流动模型 ，根据微元体在地面的 气体和液体体积可得泡沫质量的公式 ， 式中厂为泡沫质量 ；d 为微元体气相物质 的初始体 积 ，a m ；d V o 为微元体泡沫钻井液 的初始体积 ， c m ；d V ,o 为微元体液相物质的初始体积，a m 。 2 可循环泡沫钻井液密度计算 在常温常压下 ，可循环泡沫钻井液 的密度计算 公式为 一 d m 一 ￡ d l 一 d m, r ， ， 、 d V一 d I d 、 m d V , 式 中p 为微元体可循环泡沫钻井液 的密度 ，g ／c m ； d 为微元体泡沫钻井液的体积 ，a m ；d m 为微元体 泡沫钻井液 的质量 ，g ；d m 为微元体气相物质的质 量 ，g ；d m 为微元体液相物质的质量 ，g ；d m 。 为微 元体固相物质的质量 ，g ；d V , 为微元体气相物质的 体积，c m ；d E 为微元体液相物质的体积，a m ；d E 收稿 日期 2 0 1 0 0 33 1 修订 日期 2 0 1 00 9 0 6 本文为川庆钻探工程有限公司科技攻关项 目 “ 长庆气田可循环泡沫控制压力钻井技术研究与应用 堵I 5 分研究内容 作者简介杨赞 1 9 7 9 一 ，硕士，J ． 程师，从事欠平衡钻井研究工作。E m a i l y a n g y u n c n p c ． C O n 1 ．C ll 3 8／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第2 3 期 天然气技术 钻井工程 2 0 1 0 伍 为微元体固相物质的体积，c m 。 e m ，基浆排量为1 ．2 m ／m i n ，井口温度为3 0 C ，地 可循环泡沫钻井液地面密度计算公式为 温梯度为2 ． 8 o C／1 0 0 n l ，当地大气压为0 ． 1 M P a 。计 一 3 算结果见 。 式 中p 。 为 可循环 泡沫钻 井液 的地面 密度 ，g ／e m ； d m o 为微元体泡沫钻井液的初始质量 ，g ；d mg 0 为微元 体气相物质的初始质量，g ；d m 为微元体液相物质 的初始质量，g 。 根据质量守恒定律 ，微元体在环空 中流动的质 量不变 ，则密度为p 0 、体积为 d V o 的可循环泡沫钻井 液在一定温度 和压力P 下的密度为 p o dVo ， 、 式中d 为微元体在温度 和压力P 时气相物质的体 积，e m ；d 为微元体在温度 和压力P 时液相物质 的体积 ，e m ； d 为微元体在温度 和压力P时 固 相物质的体积，e m 。 目前常采用气体定律讨论气体压缩性对泡沫密 度的影响，但为了分析方便 ，暂不考虑液相和固相 体积变化的情况 ，同时将固相质量和体积归到液相 中，只考虑气相的体积变化 ，空气按理想气体定律 处理，微元体的体积变化情况和密度可表示为 吐一 一P o r d P P o dV o p o d V o ， f、 丽 霉rp o d V o 0 p 式中P 。 、T o 分别为地面压力和地面温度。 可以看 出 ，随着压力的增加 ，泡沫钻井液的密 度也 随之增加 ；当压力趋于无穷 大时 ，泡沫钻井液 的密度趋近于基浆密度。 3 动密度计算模式 可循环泡沫钻井 液是 由气 、液 、固三相组 成的 多相分散体系。其气相含量为 1 0 ％ 一 4 0 ％，密度受 温度 、压力的影 响较大 。常规钻井液和充气泡沫的 研究 和计算 方法均不适用 于该 体系 的计算 。为此 ， 在已知某一井深环空压力和温度的情况下，可根据 式 1 一 6 采用积分 和迭代等数学方法进行某一井 深的密度计算。温度的影响按照T T s K H计算 ， 其 中K H为地温梯度 ， 为地表年平均温度 。 4 动密度计算法实例 计算条件 可循环泡沫基浆密度为 1 ． O 5 g ／ 0 1 0 0 200 辕 3 0 0 40 0 5 0 0 泡 沫 静态 密 度／ gc m 。 0． 5 0． 6 0． 7 0． 8 0． 9 1 ． 0 1 、l 图I 可循环泡沫钻井液密度随井深变化曲线图 由图 I 可知 ① 随井深 的变化 ，密度曲线分为 如下 3 段 低压垂直段 ，井深为 0 ～5 0m，可循环泡 沫钻井液密度迅速增加 ；中间弯曲段 ，井深为 5 0 ～ 3 0 0 m，密度变化 速率下降并趋 于平缓 ，井 深增 加 时 ，压力也随之增大 ，当压力增 大到一定程度时 ， 气体分子间的排斥力将迅速增大，气泡难以压缩， 密度增加缓慢 ；直线段 ，井深 3 0 0 m以上 ，密度变化 率趋于 0 ，随着井深 的增加 ，温度升高 ，气体分子的 动能增加，可循环泡沫钻井液的压缩率降低 ，其密 度接近基浆密度 。② 随着井深的增加 ，不 同初始密 度 的可循环泡 沫钻井液的密度曲线不断接近 ，在直 线段部分几条曲线几乎重合。 1 ． 2 环空压力的计算 I 静液柱压力 可循环泡沫微元体静液柱压力计算公式为 0 ． 0 0 9 7 式中出为微元体的流动距离 ，In 。结合式 6 对式 7 进行迭代积分可求解 出井深 处的静液柱压力。 2 环空压耗 由于可循环泡沫钻井液流变特征 的复杂性 ，与 常规钻井液 的计算方法存在差别 ，其 环空流动压耗 计算采用半经验计算公式 ，另外对幂律流体在环形 空间的环空流动压耗公式进行 了改进 ，附加校正因 子口 根据实测数据回归而得 ，然后根据环空压力实 测数据对计算模型进行完善与校正。微元体的流 动 压耗公式为 d p f 2 a f p , r v ／ D。 一 Di 出 8 天然气技术 ／ 39 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 杨赞，等可循环泡沫钻井环空压力计算与应用 第5 期 式 中 为微元体 的流动压耗 ，P a ；a 为校正 因子 ， 建议取 o O ． 4 5 ；f 为范宁水力摩阻系数 ； 为环空 中 的平均流速 ，m／s ；D o 为外管内径 ，m；D i 为内管外 径 ，m。 与雷诺数和流道环境有关 ，可循环泡沫钻井液 的雷诺数可由下式计算得出 式中n 为流型指数； 为稠度系数，P a s 。 ／ 还与流动形态有关 ，在层流和紊流条件下，分 别有 层流 厂 1 9 1 O 紊流 手 I n o4- -lg 【 R 卜 ⋯ 结合式 6 和 9 ～ 1 1 对式 8 进行迭代积分可 求解 出从井底流动到所求井深 处 的流动压耗 ，再 根据井深 日处的静液柱压力 就可求得井 深日处 的环 空压力 。 2 环 空压力现场实测与对 比分析 2 ． 1 现场实测 在 Z 7 4 井 进 行 了可循 环泡 沫钻 井 环空压 力 测 试 。第一次测试井段为2 6 1 5 ． 6 2 3 0 1 2 ． 2 1 m 其中可 循环泡沫钻井液井段为 2 9 0 0 ． 0 0～3 0 1 2 ． 2 1 m ，第二 次测试井段为3 0 1 8 ． 4 1 ～3 0 2 9 ． 5 0 m 全部为可循环泡 沫钻井液钻进段 。 由实测情况可知 ① 环空压力实测数据能够较 真实地反映可循环泡沫钻井的各种工况 ；② 钻进后 期 ，可循环 泡沫钻井 液黏度 突然提高 导致压力 升 高；③ 可循环泡沫钻井时，随着井深的增加，压力 增加不明显。 2 ．2 计算与实测对比 对 Z 7 4 井可循环泡沫钻进工况下 的环空压力理 论计算与实测压力进行对比分析表明 在钻进工况 时井底压力计算误差小于1 ．5 ％，理论计算与实测数 据吻合程度较好，表明校正完善后的计算方法对可 循环泡沫钻井有一定的适用性。 4O ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 3 可循环泡沫钻井液与常规钻井液环空压力 对 比 为了证明可循环泡沫钻井液能够通过降低井底 压力来达到降低储层伤害的目的，下面对可循环泡 沫实测和计算 的环空压力与常规钻井液计算 出的环 空压力进行对 比分析。 3 ． 1 静液柱压力对比 对比分析条件 可循环泡沫基液密度为 1 ． 0 5 g ／ am 。 ，基液排量 为 1 ． 2 m ／m i n ，常规钻 井液密度 为 1 ． 0 8 g ／ c m ，井 口温度为 3 0 C，地温梯度为 2 ． 8 C／ 1 0 0 m，当地大气压为0 ． 1 MP a 。 由对 比可知 ，可循环泡沫钻井液的初始密度越 小 ，与常规钻井液的环空压力差值越大 ，即环空压 力降低程度越大。同时随着井深的增加，两种钻井 液体系的静液柱压力降低程度也逐渐增大 图 2 。 静液 柱 压力 降低值／ I P a 0 0． 2 0 ． 4 0 ． 6 0． 8 1 ． 0 1 ． 2 1 ． 4 5 0 0 l 0 0 0 蛊 藤1 50 0 求 2 0 0 0 2 5 o 0 3 O o o 3 5 0 0 图2 不同初始密度的可循环泡沫钻井液相对于 常规钻井液的静液柱压力降低情况图 3 ． 2 钻进过程中的环空压力对比 对比分析条件Z 7 4 井实测可循环泡沫初始密度 为 0 ． 9 8 g ／c m ，基液密度为 1 ． 0 5 g ／c m ，基液排量 为 1 ． 2 m ／m i n ，常 规钻 井 液密 度 为 1 ． 0 5 g ／c m 和 1 ． 0 8 g ／e m ，井 15温度为3 0 C，地温梯度为2 ． 8 C／ 1 0 0m。 由分析可知① 可循环泡沫钻井的环空压力低 于常规钻井液钻井的环空压力 ，井深 3 0 0 0 m处 ，可 循环泡沫 比 1 ． 0 8 g ／e m 常规钻井液钻井 的环空压力 低 2 3 MP a ，比 1 ．0 5 g ／e m 常规钻井液钻井的环空 压力低 1 ～ 2 M P a ；② 可循环泡沫实测与计算结果基 本一致，证明此理论的计算方法对可 下转第6 3 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 王娟，等一种特异酶降解聚丙烯酰胺的室内研究 第5 期 种变化，但在反应结束后 ，酶本身不消耗，并恢复 到原来的状态 [ 1 1 ，所 以酶的用量较少。 对特异酶在 5 0 C条件下加量随时间对降黏率 的 影响进行考察 ，结果见图 1 。从 图 1 可知 ，特异酶对 H P A M具有较强的水解作用 。当 H P A M浓度为 0 ． 1 ％ 时 ，随着特 异酶加量 的增加 ，其对 HP AM的降黏率 大幅增加 ，但 当加量加到一定程度 0 ． 3 0％ 时 ，继续 增大特异酶 的加量 ，此时 降黏率 增加 的幅度很小 。 同时，随着反应时间的增加 ，其对H P A M的降黏率 也是呈逐渐增加的趋势 ，当反应时间为 6 h 左右时 ， 降黏率趋于稳定 ，最大 降黏率为 7 0％左右 。根据 实 褂 世 80 ％ 70 ％ 60 ％ O 特 异 酶 加量 为 0 ． 0 5 ％ 特 异 酶 加量 为 0 ． 1 0 ％ 特 异 酶 加量 为 0 ． 2 0 ％ 特 异 酶 加量 为 0 ． 3 0 ％ 时 间／ h 图1 5 0℃时特异酶加量随时间对降黏率的影响图 验数据与经济性考虑 ，确定特异酶的最佳用量为 0 ． 3 0％，最佳反应时间为 3 ． 5～6 ． 0 h 。 3 ． 2 温度对降黏率的影响 温度从两方 面影 响酶促反应 的效率。首先 ，升 高温度增加底物分子的热能 ，加快反应速率 ，然而 较高的温度会带来第二种效应 ，增加构成酶本身蛋 白质结构 的分子热能 ，也就增加 了多重弱的非共价 键 相互作用 氢键 、范德华力等 破裂 的机会。这些 相互作用维系着整个酶的三维结构 ，最终将导致酶 的变性 。因此 ，酶 只能在有效温度范 围内才可 以 进行催化反应 。一般而言 ，温度每升高 1 O℃ ，酶的 反应速度相应地加快 1 ～2 倍 ，在 4 0℃左右时酶的活 性最大。温度再升高时，酶的活性反而会降低，即 当温度升 高到酶的变性温度 时 ，发生 了酶 的变性 。 在较高的温度下 ，酶 的变性 和酶的反应速度将一样 快 ，而且这种变性是不可逆 的 嘲 。所 以当超过最适 合 的温度后 ，酶 的反 应速 度逐 步降低 ，一般 酶在 6 0 ℃以上会变性失活 。 在特异酶加量 为0 ． 3 0％的情况下 ，考察 了在不 同温度下特异酶对 HP AM的降黏率的影响 图2 。由 图 2 可知 ，随着温度的逐渐升高 ，特异酶对 H P A M的 降黏率逐渐增加 ，当温度达到 5 0 C 左右时 ，降黏率 最大 ，随后随着温度 的继续升高 ，特异酶对 HP A M 上接第4 0页 循环泡沫钻井和钻后效果分析具有一 定的适用性。 4 结论 与建议 1 总结出一套可循环泡沫钻井液不 同井深处环 空压力新的计算方法。钻进时的井底压力计算误差 小于 1 ． 5 ％，从理论上更精确地了解 了环空压力分 布 情况 ，为可循环泡沫钻井提供了理论支持 。 2 在相同井深处 ，可循环泡沫静液柱压力低 于 常规钻井液静液柱压力；钻进时，可循环泡沫的井 底压力低于常规钻井液的井底压力 ，证 明可循环泡 沫钻井能够降低钻井时的井底压力，达到降低储层 伤害的目的。 3 持续进行可循环泡沫钻井研究 ，通过计算 与 川量工具结合进行井底压力监测 与控制 ，实现可循 环泡沫控制压力钻进 ，使储 层伤害降到最低甚至达 到改善储层的 目的。 参考文献 [ 1 ]成效华，隋跃华．可循环泡沫钻井液完井液动密度的测 定[ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 4 3 2 7 3 1 ． [ 2 ]张中宝，李彦岭．高温高压水基微泡沫钻井液静密度研 究[ J ] ． 石油钻探技术 ，2 0 0 8 5 1 7 2 1 ． [ 3 ]詹美萍，郑秀华． 可循环微泡钻井液流变模式的研究[ J ] ． 探矿工程，2 0 0 5 增刊1 2 3 2 7 ． [ 4 ]秦积舜 ，孟红霞．泡沫钻井液密度一 压力一 温度关系测定 [ J ] ． 石油钻探技术，2 O O l 6 3 7 4 1 ． [ 5 ]国丽萍，韩洪升． 井筒中高温高压可循环微泡沫钻井液流 动实验[ J ] ． 大庆石油学院学报，2 o o 7 2 4 1 4 7 ． 编辑 蒋龙 天然气技术 ／ 63 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m