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收稿日期 20100515 ; 改回日期 20100918 基金项目受国家高技术研究发展计划 863计划资助 2006AA06 A104 作者简介王延民 1977- ,男, 1999年毕业于重庆石油高等专科学校钻井专业, 2009年毕业于西南石油大学油气井工程专业,获工学博士学位, 主要从事 控压钻井、 欠平衡钻井及气体钻井过程的井壁稳定、 携岩和压力控制等方面的研究工作。 文章编号 1006- 6535 2011 01- 0132- 03 控压钻井井筒压力控制技术初探 王延民1 , 2, 唐继平 2, 胥志雄2, 李 皋1, 阎 凯2 1油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学, 四川 成都610500; 2中油塔里木油田公司, 新疆 库尔勒 841000 摘要 常规钻井技术钻遇压力衰竭或复杂地层时, 经常遇到钻井液安全密度窗口窄, 并引起漏、 喷、 卡、 塌等井下复杂问题。控压钻井 MPD通过控制井筒环空循环流体介质的流量与流态、 井口施加压力等因素, 结合环空压降模型计算, 使环空压力保持在一定的范围, 就可以降低甚 至避免这些钻井问题, 减少非钻井作业时间, 提高钻井效率, 降低作业成本。 关键词 控压钻井; 压降; 排量; 地层压力; 回压 中图分类号 TE2429 文献标识码 A 引 言 伴随着各大油气田的长期开采, 主力油气层目 前大多进入开发的中后期, 部分地层压力已开始衰 竭, 因此, 在今后的油气勘探中, 压力衰竭地层的开 发将成为国内外各大油气田增产上储的主要手 段 [ 1]。然而由于地层压力衰竭, 且可能伴随有多 套压力体系的复杂裸眼井段, 造成钻井液安全密度 窗口窄, 引发钻井液油气侵、 压差卡钻、 黏附卡钻、 喷漏同层、 上漏下喷和井壁垮塌等一系列钻井问 题 [ 2], 甚至导致钻井作业无法正常进行。控压钻 井 MPDManaged Pressure Drilling 作为一种新 的钻井技术, 利用欠平衡设备和技术, 改变钻井液 排量、 井口施加回压、 地面注气量等参数 [ 2- 3], 选择 合适的两相流 Two Phase Gas L iquid Flow数学模 型, 利用水力学的严格推理与计算, 保证了井筒环 空压力剖面的精确控制, 方便快速调节环空钻井液 当量循环密度; 使井底压力恒定在一定范围之 内 [ 2], 降低或避免上述钻井问题, 减少非生产作业 时间。这对进一步深化和完善控压钻井的理论研 究及指导现场应用具有重要的现实意义。 1 控压钻井的定义及分类 MPD应用了较先进的欠平衡设备及方法使钻 井液从立管到出口形成 1个闭合、 承压的循环系 统, 从而实 现钻井优化; 国际钻井承 包商协会 IADC对控压钻井 MPD作了如下定义 [ 4- 6]。 MPD是一种经过改进的钻井程序, 它可以较 为精确的控制整个环空井筒的压力剖面, 目的是确 定井底压力, 来控制环空的压力剖面。目前, 根据 所使用压力控制及作业方式的不同,I ADC对 MPD 的分类主要包括以下 4种 [ 7]。 1 井底压力常数控压钻井 CBHP MPD。 无论在何种工况下, 通过控制地面设备, 能够在窄 安全压力窗口下安全钻进, 实现有效的控制井底压 力, 安全钻进。 2 泥浆帽控压钻井 PMCD。它属于钻井 液失返的一种钻井技术, 但符合条件的地层不多, 发展与应用受到一定的限制。 3 双压力梯度 MPD。目前该技术主要在海 上带有隔水导管的钻井平台及钻井浮船上应用。 4 健康、 安全、 环保 MPD HSE MPD。该 MPD钻井作业主要用于含 H2S地层, 使用闭合承 压钻井液循环系统更严格控制井底气体产出, 通过 专用的分离器处理 H2S等有害气体, 降低地面危 险等级。 在 CBHP MPD作业方式中, 由于充气泥浆钻 井的当量密度能方便、 快速、 大范围调整, 使用更为 第 1期王延民等 控压钻井井筒压力控制技术初探133 灵活。笔者重点对充气控压钻井进行讨论和分析。 2 井筒环空压降模型建立 综合分析气液两相流模型主要包括均相流模 型、 分相流模型和漂移流动模型本论文采用漂移流 动模型。 充气控压钻井井筒环空压降的推导, 可根据 Beggs- Brill的方法模型为基础, 考虑了岩屑固相的 影响,采用压降计算方法进行推导。假设外界没有对 气液两相混合物作功, 气液两相混合物也没有向外界 作功,从稳定流动的多相流机械能守恒出发, 得出单 位质量的气液固多相混合物的计算公式如下 [ 8- 9] p z T p zHy p z F ric p z A cc 1 式中 下标 T、 Hy、 Fric、 Acc分别代表总压降、 重力 压力梯度、 摩阻压力梯度和加速压力梯度。总压力 梯度是多相流。即摩阻压力梯度、 重力压力梯度和 加速压力梯度 3者之和。公式 1中, 静液柱重力 引起的压力梯度可具体表达如下 p zHy gm 2 m LHL g 1-HL 3 式中 m为井筒气液混合物密度, g/cm 3; L为井筒 液相密度, g /c m 3; g为井筒气相密度, g/ c m 3; H L为 井筒液气比。 关于多相流的摩擦压力梯度的计算, 前人在气 液两相流基础上给出了比较准确的计算公式, 将岩 屑等固相含量对循环摩阻的影响增加到系数上, 采 用混合物的密度, 提高计算精度, 得出不同情况下 环空压耗计算公式, 即 p z F ric 2fm 2 m Dh 4 式中 f 为范宁摩擦因子; m为混合物黏度, mPa s ; Dh为井筒当量直径, m。 公式 4中摩擦系数的研究较多, 但具有代表 性的是范宁摩阻因子。该因子具有很好的准确性, 而且相对简单, 使用方便。 1 f - 4lg K Dh 307065- 50452lg A Re 5 其中,A K Dh 11098 28275 7149 Re 08981 , Re mvmDo- Di m 。 式中 K 为速度相关量; Do为井筒直径, m; Di为钻 具外径, m; Re为体积流量雷诺数。 假设多相流动的运动速度在一定区域内保持 不变, 由于运动速度引起的多相流加速压力梯度计 算公式为 p zA cc mmSG p p z 6 式中 SG为气相黏度, mPa s ; p 为压力, MPa 。 3 实例计算与分析 31 实例计算基础参数 以某井三开井身结构及钻具组合为例, 0178 m 技术套管下深为 4 423 m, 井深为 4 950 m, 0149m牙轮钻头, 0121m 钻铤 90m, 0088 9 m加重钻杆 420 m, 其余为 0089m斜坡钻杆。地 面温度为 20 , 地温梯度为 003 /m, 地层压力系 数为 0011 6MPa/m, 机械钻速为 2 4 m /h 。氮气 密度为 1257 kg/m 3, 天然气密度为 0713 kg/m3, 钻井液密度为 115 117 g/ c m 3, 塑性黏度为 10 25mPa s。 32 井口回压对环空流态的影响 泥浆排量为 12 L /s, 气侵量为 10 L /s , 注气量 为 16 m 3 /m in , 其他参数同上。利用上述模型与流 态的判断, 对环空在不同井口回压下的流动规律进 行计算与分析 图 1。可见, 井口回压从 01 50MPa逐渐增加, 同一井深环空气液比呈逐渐下降 图 1 环空气液比与井口回压关系曲线 的趋势, 特别是在距井口 500 m范围内尤为突出, 井口处气液比为 020 098 , 变化较明显。井口 回压的变化, 直接影响到环空流态的转变, 其在满 足环空与井底压力剖面的同时, 可保证安全携岩。 134 特 种 油 气 藏第 18卷 33 不同回压与注气量对井底压力的影响 井底压力是 MPD设计的关注焦点。井口施加 回压通过环空循环流体直接传播到裸眼井段, 改变 地层流体进入井筒的速度与相态, 满足工程上的需 要。表 1为注气量与回压变化对井底压力的影响。 表 1 不同注气量与回压下井底压力 注气量 /m3 井底压力 / MPa 回压 05MPa 回压 10 M Pa 回压 20 MPa 回压 30MPa 1053554355656 9 1252953955356 5 1651852954655 9 1851252454355 6 2050751953855 3 所钻井段井底压力为 533MPa 。从表 1中分 析来看, 井底压力对注气量与回压的改变非常明 显, 井口回压为 01MPa时, 井底储层段的气侵量 同样也会增加, 井口可能会出现环雾流, 这不但不 能满足安全携岩, 同样井控设备也可能出现失控, 引发事故。而随着井口回压的增加, 井底的压力随 之增加, 通过以上水力学计算分析, 可选择与井底 压力和地面井控设备最优的组合。 34 钻井液排量对井底压力的影响 其他工程参数不变, 假设井口不加回压, 只改 变地面泥浆泵排量, 泥浆泵排量为 9 16 L /s , 井底 压力的变化见图 2 。将图 2曲线进行简单的线性 回归, 可得到当前井深泥浆泵排量与井底压力关系 如方程 6所示 p 06841Q 44291 6 式中 Q 为泥浆泵排量, L /s 。 图 2 当前井深泥浆排量与井底压力关系 从图 2可以明显看出, 井底压力与泥浆泵排量 呈线性关系增加, 泥浆泵排量从 9 16 L /s增加的 过程中, 井底压力从 5041 MPa增至 5519 MPa 。 可见, 泥浆泵排量引起的环空摩阻与加速压降对井 底的压力影响相当敏感。 4 结 论 1 MPD是近几年才开始应用, 相关理论相 对匮乏, 而且都是在深井、 复杂地层中钻进; 钻前建 立合理的数学模型, 进行环空水力学模拟与井底压 力的评价, 对实际钻井有重要的指导意义。 2 立管注入参数与井口回压对井底压力影 响相对敏感, 合理的井筒环空压力剖面设计, 可满 足井底压力趋于恒定, 降低井下复杂情况发生率。 参考文献 [ 1] 王延民, 孟英峰, 李皋, 等 超深井气体钻井环空流动 研究 [ J]钻采工艺, 2008, 31 5 10- 12 [ 2] V ieira P, AmoneM, RusselB, et al Constant bottom hole pressure M anaged- pressure drilling technique applied in an exploratory well in saudi arabia [ C] I ADC/SPE 113679 , 2008 1- 14 [ 3]Johnson ChydiN joku , A lex Husser , Robert Clyde New generation rotary steerable syste mand pressure while drilling tool extends the benetifits of managed pressured drilling in the gaulf of mexico [ C] I ADC /SPE113491, 2008 1- 11 [ 4] O lve S, Sigbjon S uation ofMPD s for co m pensation of surge- and– swab pressure in floating drill ing operations[ C]SPE /IADC108346, 2007 1- 11 [ 5] DonM Hannegan , P EM anaged pressure drilling inma rine environments- case studies[ C] SPE /I ADC92600, 2005 1- 5 [ 6] H annegan D, F isher KM anaged pressure drilling in ma rine environments[ C]IPTC 10173, 2005 1- 9 [ 7] DonHannegan, Richard J , DavidM, et alMPD- Unique ly applicableto methane hydrate drilling [ C ] SPE/ I ADC91560, 2004 1- 4 [ 8] Antonio C VM Lage , Petrobras , RuneW Ti meAn experi mental and theoretical investigation of upward two- phase flow inAnnuli[C]SPE64525, 2000 1- 14 [ 9] Prez- TllezC, Sm ith JR, Edwards JK A ne w co mpre hensive , mechanisticmodel for underbalanced drilling i m proves wellbore pressure predictions [ C ] SPE 74426, 2002 1- 13 编辑 王 昱 Field experi m ent of wellbore heating by sucker rod string of gravity heat pipe FAN Y ing- cai 1 , 2, JI ANG Sheng- jian 2, WANG T ie- qiang2, LI U Yong- jian1 1. NortheastPetroleum University, Daqing, H eilongjiang 163318 , China; 2 . LiaoheO ilfield Co mpany, PetroChina, Panjin, Liaoning 124010 , China Abstract The currently used process of electric heating and hot fluid circulating for cyclic steam sti mulation wells has problems of high energy consumption,high operation cost and co mplex do wnhole operation,etc . Based on the principle of heat pipe ,hollow sucker rod is processed into gravity heatpipewhich is highly efficient in heat transfer , thus developed a new technology of absorbing geother mal energy to heatwellbore by sucker rod string . This paper describes in detail the on sitemanufacturing process of the suck er rod string of gravity heat pipe . The application conditions and influence factors of this technology are analyzed based on the data from 3 testwells in the L iaohe oilfield. The result shows that this technology can successfully heat the stea m sti mulated wellsw ith the conditions of reservoir depth 1 300 m,reservoir fluid temperature at 100 120 ,reservoir oilviscosity 10 000 mPa s , cyclic steam injection volume 2 000 m3,andmass production 15m3/d over 20m3/d would be best. Keywords cyclic stea m sti mulation; wellbore heating ; gravity heat pipe ; hollo w sucker rod ;geother mal energy absorbing Fiber- laden sand fracturing technique for deep low per m eability reservoirs GAIYu- lei 1, XUE Ren- jiang2 1. ShengliO ilfield Co mpany, SINOPEC, Dongying, Shandong 257001, China; 2 . ShengliPetroleum Administration Bureau, SINOPEC, Dongying, Shandong 257077, China Abstracts Hydraulic fracturing is themain sti mulation treatment for deep low per meability reservoirs in the Shengli oilfield . Two conventional fracturing fluid syste ms used to sti mulate deep low per meability reservoirs in the Shenglioilfield are selected to uate through experi ments the effectof fiber on gelling and gel- breaking perfor mance of the fracturing fluid syste ms ,the dispersion of fi ber in fracturing fluid ,andwhether fiber and oil can reactwhenm ixed . On this basis ,the effect ofBF- 2 fiber on flow conductivity with proppant is tested. The result of the experi ments shows that the technique can be applied to fracturing in deep low per meability wells in the Shenglioilfield. Through field application,the applicability of the technique is analyzed,the shortco m ings are pointed out and future research directions are proposed. Keywords deep layer ;low per meability reservoir ;fiber- laden ;fracturing ;application effect ; Shengli oilfield Successfulapplication of gas- injection- assisted foam drainage in theW ellYanqi 2 of the Shengli oilfield DENG X iong1, LI ANG Zheng1, WANG Fei 1, ZHAO Jian- min2, JI ANG Bao- yun2 1. SouthwestPetroleum University, Chengdu, Sichuan 610500 , China; 2 . ShengliO ilfield Co mpany, SI NOPEC, Dongying, Shandong 257000, China Abstract TheW ellY anqi2 ofLum ing NaturalGas Corporation in the Shenglioilfield has featured sand- prone , unavailable indus trial power source and low for mation pressure . Gas- injection- assisted che m icaldrainage has been proposed and corresponding e quipment has been developed. On the one hand ,the gas is reversely transmitted in the gathering pipeline to be used as eng ine fuel and boosting gas to re move liquid loading in and nearwellbore and return gaswell to production ; on the other hand ,after successful return to production ,the technology of continuouswater drainage and gas recovery by foam has been applied to realize sustainable and stable gas production. The successful application of this technology in theW ellYanqi2 has significantmeaning to rejuvenation of dro wned wells and thewellsw ithwater drainage proble m, has probed a new way for efficient recovery of shallow gaswells located re motely , easy to produce sand and without industrialpo wer source ,and has shown remarkable economic and social benefits . Keywords gas injection ; water drainage and gas recovery by foa m; dro wnedwel; lshallow gas; application; W ellYanqi2 Interpretation m ethod of slug flow in swabbing well ZHUO Hong1, 3, WANG X in- hai 1, HE X iu- ling1, JIA Zheng- xin2 1. MOE Key Laboratory of Oil and Gas Resources and ExplorationT echnology, Yangtze University, Jingzhou, Hubei 434023, China; 2. Tari m O ilfield Company, PetroChina, Korla, X injiang 841000 , China; 3. Logging Co mpany Li mited, PetroChina, Xi an, Shaanxi 710077 , China Abstract TheW ell Shixi12 of the Kara may oilfield has been produced by s wabbing . The bottom hole pressure of swabbing well is derived by solving the mathematicalmodeland numericalmodelbuilt for thiswellaccording to the operational principle of swabbing wel. l A of solving wellbore storage factor of slug flow by using the history data of flow rate and pressure is presented .In the process ofmatching for mation para meters such as per meability ,the quasi- Newton is applied to perfor m parametric inversion in order to solve the leastsquare . Thematched parameters are comparedw ith the para meters interpreted by well test software , show ing very little error . These models and the botto m hole pressure thus solved can better guide practical production. Keywords swabbing wel; l slug flow; wellbore storage factor ; quasi- Ne wton ; para metric inversion;low per meability reservoir An approach to annular pressure control bym anaged pressure drilling WANG Yan- m in1 , 2, TANG Ji- ping2, XU Zhi- xiong2, L IGao1, YAN K ai 2 1. StateK ey Laboratory of O il 2. Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla, Xinjiang 841000, China Abstract Narrow operation windo w is quite co mmon in conventionaldrilling while encountering pressure depletion or co mplex for mation,leading to do wnhole problems such as leaking ,sticking,blowout ,and hole collapse ,etc . M anaged pressure drilling M PD canm itigate or even avert these drilling proble ms by manipulating annular pressure through controlling the flo w rate and re gi me of annulus circulating media and the pressure applied at wellhead in conjunction with model calculation of annular pressure drop. This technology can reduce non- production ti me ,enhance drilling efficiency , and reduce operation cost . Keywords managed pressure drilling ;pressure drop;flow rate ;for mation pressure ; back pressure
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