控压钻井泥浆帽设计方法研究.pdf

第 39 卷第 1 期石 油 钻 探 技 术Vol 39 No 1 2011 年 1 月PETROLEUM DRILLING TECHNIQUESJan. , 2011 收稿日期 2010 0917; 改回日期 2010 12 09 基金项目 国家油气重大科技攻关项目 21 钻井工程设计和工 艺软件的子课题 控压钻井设计与分析系统 编号 2008ZX05021 006 部分研究成果 作者简介 孙凯 1984 , 男, 河南方城人, 2007 年毕业于西南 石油大学石油工程专业, 2010 年获西南石油大学油气井工程专业硕 士学位, 助理工程师, 主要从事控制压力钻井、 欠平衡钻井、 井筒流体 力学方面的研究工作。 联系方式 13461731730, sinopecsun 163. com 钻井完井doi 10. 3969/ j. issn. 10010890. 2011. 01. 008 控压钻井泥浆帽设计方法研究 孙 凯 1 梁海波 2 李 黔 2 代 锋 3 闫丰明 1 1 中国石化中原石油勘探局 钻井一公司, 河南 濮阳 457001; 2 西南石油大学 石油工程学院, 四川 成都 610500; 3 中国石 化西南石油局 钻井工程研究院,四川 德阳 618000 摘 要 控压钻井可以较为精确地控制整个井筒环空压力剖面, 能有效解决钻井过程中出现的井涌、 井漏、 井 塌、 卡钻等多种井下故障, 但在起钻之后不能仅靠调整井口回压平衡地层压力, 需要注入高密度泥浆帽。为满足控 压钻井起钻泥浆帽注入过程中井底压力恒定, 必须设计出合理的泥浆帽密度和高度。为此, 基于起下钻过程中的 井筒压力控制原理和控压钻井起下钻工艺, 建立了控压钻井泥浆帽密度和高度的计算模型, 提出了一种维持控压 钻井起钻过程井底压力恒定的泥浆帽密度和高度的设计方法, 并以塔里木油田某井为例评价分析了泥浆帽密度和 高度对井口回压控制的影响, 并指出设计泥浆帽密度和高度时应综合考虑各种因素, 在泥浆帽注入和驱替过程中 实时控制井口压力, 以维持井底压力恒定。 关键词 控压钻井; 泥浆帽; 井底压力; 井口压力 中图分类号 T E21 文献标识码 A 文章编号 1001 08902011 01003604 Research on Mud Cap Design of Managed Pressure Drilling Sun Kai1 Liang Haibo 2 Li Qian2 Dai Feng3 Yan Fengming 1 1 No. 1 Drilling Company , Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau, Puyang, H enan, 457001, China; 2 College ofPetroleum Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan, 610500, China; 3 Drilling Engineering Research Institute, Southwest Petroleum Bureau,Sinopec,Deyang, Sichuan, 618000,China Abstract The MPD can precisely control the hydraulic pressure profile throughout wellbore annular. It can effectively solve a variety of complicated situations such aswell kick, lost circulation, well collapse, pipesticking and others, while the high density mud cap must be filled in because only adjusting the wellhead back pressure can not balance the reservoir pressure after tripping out. In order to keep constant downhole pressure during tripping, densi ty and height of mud cap must be reasonably designed. For this reason, a model for calculating and analyzing the pa rameter of filling in mud cap in MPD is constructed based on borehole hydraulic pressure controlling theory and MPD tripping technology. A MPD design measure for keeping a constant downhole pressure during tripping is pro posed. Using wells of Tarim Oilfield as examples, influence of density and height of mud cap on wellhead backpres sure controlling was analyzed. The factors, which should be considered in designing density and height of mud cap, were pointed out, and the wellhead pressure should be realtime controlled during injection and displacing for mud cap in order to keep constant downhole pressure. Key words managed pressure drilling; mud cap; bottom wellbore pressure; wellhead pressure 随着我国石油勘探开发向深部复杂地区的不断 发展, 井涌、 井漏、 有害气体泄漏、 卡钻、 起下钻时间 过长等钻井问题也越来越突出, 已成为影响和制约 石油勘探开发进程的技术瓶颈[ 1]。由于控压钻井可 以较为精确地控制整个井筒环空压力剖面, 能有效 解决钻井过程中出现的井涌、 井漏、 井塌、 卡钻等多 种井下故障[ 29], 因此, 在钻遇复杂地层时, 常采用控 压钻井技术[ 10]。控压钻井实时控制井底压力最直 接的办法是控制井口回压, 而仅靠调整井口回压在 第 39 卷第 1 期孙 凯等 控压钻井泥浆帽设计方法研究 起完钻之后不能平衡地层压力, 即不能维持井底压 力恒定[ 1112], 因此, 需要注入高密度钻井液形成一个 泥浆帽 mud cap 。下钻过程中由于存在激动压 力, 从而增大了井底压力, 需要先对高密度泥浆帽进 行驱替, 通过控制井口回压保证下钻过程中井底压 力在安全范围内。因此, 必须确定合理的泥浆帽密 度和高度, 从而实现控压钻井过程中井底压力恒定。 1 泥浆帽密度和高度的计算模型 控压钻井起钻到一定位置后需要注入高密度泥 浆帽, 以维持井底压力恒定。注入高密度泥浆帽前 要先注入一段与井筒内钻井液密度相同的高黏钻井 液, 作为隔离液使用, 然后连接方钻杆, 注入高密度 泥浆帽, 泥浆帽的位置一般在井口段, 注入过程中的 井口压力按井控方法计算, 并实时控制井口回压, 直 至泥浆帽返出地面[ 13]。 泥浆帽设计的主要原则是 起完钻之后井口回 压为 0, 仅靠钻井液静液柱压力就能维持井底压力 恒定; 泥浆帽中起钻所产生的抽汲压力要尽可能与 环空压耗相平衡; 泥浆帽中下钻产生的激动压力要 尽量小于井底压力允许波动范围[ 10]。 1 1 泥浆帽中起钻井筒压力平衡方程 如图 1 所示 H1为起钻位置垂深, m , 起钻到 一定位置注入高密度泥浆帽之后, 起钻过程中的井 筒压力平衡方程[ 13]为 1gH - H2 2gH 2 pa psb pt pp C 1 式中 1、 2分别为井筒内原密度钻井液和泥浆帽的 密度, kg/ L; H、 H2分别为井筒垂深、 泥浆帽在环空段 的垂深, m; pp为地层孔隙压力, MPa; psb为泥浆帽中 起钻过程中产生的抽汲压力, MPa; pa为泥浆帽中 起钻时产生的环空压耗, MPa; pt为井口回压, MPa; C 为地层孔隙压力允许波动范围,一般取1 MPa 左右。 在泥浆帽中起完钻之后 如图 2 所示 , 井口回 压需要达到 0, 即 1gH - H2 2gH2 pp C2 从式 1 可以看出, 泥浆帽中起钻最理想的方式 是 泥浆帽中起钻所产生的抽汲压力尽可能与环空 压耗相平衡。即 pa psb 03 1 2 泥浆帽中下钻井筒压力平衡方程 下钻过程由于存在两种不同密度的钻井液, 如 图 3 所示 H1为下钻位置的垂深, m , 在高密度泥 浆帽段下钻采用堵口管关泵, 泥浆帽段下钻过程中 井筒压力平衡方程为 1gH - H2 2gH2 psw双 pp C C24 式中 psw 双为泥浆帽中下钻过程中所产生的双梯度 激动压力, MPa; C2为泥浆帽中下钻允许井底压力 37 石 油 钻 探 技 术2011 年 1 月 的波动范围, 哈里波顿公司规定井底压力波动范围 为 0 35 MPa。 1 当 H1H2时, 此时不存在双梯度激动压 力; 2当 H1 H2时, 此时激动压力为双梯度激动 压力, 应进行分段计算, 即分别计算高密度泥浆帽段 H2- H1 和原密度钻井液段 H - H2 的激动压 力, 双梯度激动压力是二者之和。 由式 2 、 式 4 可知, 维持井底压力恒定在泥浆 帽中下钻要求 psw双 C2 5 1 3 泥浆帽高度及密度的确定 联立式 2 、 3 和 5 就可确定高密度泥浆帽高 度 H2 和密度 2 1gH - H 2 2gH 2 pp C pa psb 0 psw 双 C2 6 2 泥浆帽注入及驱替过程参数评价 塔里木油田某井的钻井液密度为 108 125 kg/ L, 漏斗黏度 45 60 s, API 滤失 3 mL, 高温高 压滤失 10 mL, pH 值 8 0 9 5, 泥饼厚度 0 5 mm, 摩阻因数 0 1, 塑性黏度5 19 mPa s, 动切力 5 16 Pa, n 0 32 0 88, K 0 34 0 03 Pa s n。 该井的井身结构为 一开, 4445 mm 钻头 500 m, 339 7 mm 套管 500 m; 二开, 311 1 mm 钻 头 3 397 m, 2445 mm 套管 3 395 m; 三开, 215 9 mm 钻头 4 794 mm, 1778 mm 套管 3 200 4 792 m; 四开, 152 4 mm 钻头 5 452 m, 127 0 mm 套管 4 600 4 952 m, 114 3 mm 套 管 4 952 5 450 m; 177 8 mm 套管自井深 3 200 m 回接至井口。 2 1 高密度泥浆帽注入参数评价 2 1 1 泥浆帽密度与高度的关系 图 4 为塔里木油田某井泥浆帽密度与高度的关 系曲线。从图 4 可以看出, 在其他参数不变的情况 下, 不同泥浆帽密度对应不同的高度, 随着泥浆帽密 度的增大, 其高度逐渐降低。 2 1 2 不同密度泥浆帽与井口回压的关系 图 5 为塔里木油田某井不同密度泥浆帽注入过 程中引起的井口回压分析结果。从图 5 可以看出 设计的泥浆帽密度不同, 井口回压控制变化幅度就 不同, 密度越大, 井口回压控制变化幅度越大; 同一 泥浆帽密度下, 随着泥浆帽环空注入高度的增加, 井 口回压逐渐减小, 注入至井口时, 井口回压基本为 0。造成该现象的主要原因有以下两点 1 注入相同高度泥浆帽情况下, 泥浆帽密度越 大, 注入过程产生的环空摩阻越大, 同时, 环空静液 柱压力越大, 而静液柱压力对井底压力的影响比环 空摩阻要大得多, 因此, 井底压力变化幅度就越大, 从而井口回压控制变化幅度越大; 2 设计泥浆帽的目的就是要确保泥浆帽注入 完毕后, 仅靠静液柱压力就能平衡地层压力, 精确控 制井底压力当量密度在安全密度窗口内。 2 2 泥浆帽驱替过程中的参数评价 驱替过程中不同泥浆帽密度引起的井口回压分 38 第 39 卷第 1 期孙 凯等 控压钻井泥浆帽设计方法研究 析结果与图 5 所示情况相反。泥浆帽密度不同, 井 口回压控制变化幅度就不同, 泥浆帽密度越大, 井口 回压控制变化幅度越大; 同一泥浆帽密度下, 泥浆帽 未驱替之前井口回压为 0, 随着泥浆帽环空驱替高 度的增加, 井口回压逐渐增大。造成该现象的主要 原因有以下两点 1 驱替相同高度泥浆帽情况下, 泥浆帽密度越 大, 驱替过程中产生的环空摩阻越大, 同时, 环空静 液柱压力越小, 而静液柱压力对井底压力的影响比 环空摩阻要大得多, 因此, 井底压力变化幅度就越 大, 从而造成井口回压控制变化幅度越大; 2 驱替泥浆帽的目的就是要降低下钻过程中 的激动压力, 从而通过控制井口回压, 精确控制井底 压力当量密度在安全密度窗口内。 综上所述, 对于泥浆帽密度、 高度的设计要考虑 以下几点 1 对于地面节流阀来说, 节流压力变化幅度越 小, 节流阀控制精度越高; 节流压力变化幅度越大, 节流阀控制精度越低, 因此, 泥浆帽密度越高, 节流 回压变化幅度越大, 地面节流控制效果越不好。 2 由图 4 可知, 如果泥浆帽密度过低, 那么泥 浆帽在井筒内的高度就会增加, 注入/ 驱替泥浆帽的 量也越大, 即地面所需配制/ 返回的泥浆帽体积就会 增大, 而地面泥浆帽补偿罐/ 回收罐的容积有限, 因 此, 泥浆帽密度的选取要考虑地面泥浆帽补偿罐/ 回 收罐的容积大小, 并不是密度越低越好。 3 由于在泥浆帽中下钻会产生较大的激动压 力, 可能会造成井底压力高于压力控制波动允许范 围, 因此, 设计泥浆帽高度和密度时要考虑泥浆帽中 下钻激动压力的大小。 4 如果泥浆帽在井筒内的高度越高, 那么驱替 过程中所产生的环空压耗就越大, 而驱替过程中对 泥浆帽实施小排量驱替的主要目的就是降低环空压 耗, 因此, 确定泥浆帽高度和密度时要考虑泥浆帽中 驱替过程中产生的环空压耗。 3 结 论 1 笔者提出的控压钻井泥浆帽设计方法能够 精确地设计并计算出所需注入泥浆帽的高度和密 度, 能保证起下钻过程中的井底压力在安全范围内。 2 泥浆帽密度不同, 井口回压控制变化幅度就 不同 泥浆帽密度越大, 井口回压控制变化幅度越 大; 同一泥浆帽密度下, 泥浆帽的注入及驱替过程呈 相反趋势。 3 对塔里木油田某井的控压钻井泥浆帽注入及 驱替过程控制参数的评价分析表明, 泥浆帽密度和高 度的设计需要综合考虑各方面的因素, 在泥浆帽注入 及驱替过程中必须实时控制井口回压, 有效控制起下 钻速度, 并建议在驱替过程中实施小排量驱替。 参 考 文 献 [ 1] 向雪琳, 朱丽华, 单素华, 等. 国外控制压力钻井工艺技术[ J] . 钻采工艺, 2009, 32 1 2730. 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