车66区块钻井过程井底压力波动及渗流规律.pdf

第 38 卷 第 2 期 2016 年 3 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Drilling Technology Research Institute, SINOPEC Shengli Oilfi eld Service Corporation, Dongying, Shandong 257000, China Citation LI Yun, JIA Jianghong. Bottom-hole pressure fluctuation and seepage pattern during well drilling in Che-66 Block［J］. Oil Drilling bottom-hole pressure; seepage law; borehole structural design; Che-66 Block 第一作者李云（1964-） ， 1985 年毕业于石油大学（华东） 钻井工程专业， 现主要从事钻井工艺方面的研究与管理工作。通讯地址（25700） 山东东营中国石化胜利油田工程有限公司技术装备处。电话13854619359。E-mailjiajianghong79 在钻井过程中井底压力会随着钻井条件的改变 而改变， 且井底压力改变的同时， 储层渗流规律也会 产生一定的变化［1-2］。然而目前井底压力和渗流的 变化规律尚未明确， 无法进行相关预测并对钻井过 程给予指导。井底压力和渗流变化规律与钻进地区 的地层特征、 井眼和钻柱尺寸、 钻井液性能、 钻进井 深、 钻进技术措施与操作等多种因素有关， 其大小直 接影响井身结构设计时的抽汲压力系数、 激动压力 系数等的取值， 研究其变化规律能够为井身结构设 计提供重要依据。文中以胜利油田新近探明开发的 车 66 区块为例， 研究其钻井过程中井底压力和渗流 变化规律。车 66 区块属套尔河西次洼陷， 位于车镇 139李 云等车 66 区块钻井过程井底压力波动及渗流规律 凹陷中部偏北， 地质条件恶劣、 构造复杂、 储层埋藏 深及压力层系多［3-4］。该区块钻井过程中需要钻过 多组压力与岩性不同的地层， 容易发生阻塞、 地层垮 塌、 井漏甚至井喷等危险事故。研究区块钻井过程 井底压力波动和起、 下钻过程渗流规律， 有助于井身 结构的优化设计， 保障钻井过程的顺利进行。 1 钻井过程中井底压力分析 Analysis of bottom-hole pressure during drilling 钻井过程中， 井底压力波动较为频繁， 压力大小 与钻井工作状态、 钻井液性能等密切相关， 通常在起 钻过程中， 井底压力最低；下钻或钻进过程中， 井底 压力相对较高。目前国内油田钻井工程设计和施工 仍沿用 Burkhardt 的稳态预测模式［1］。 选取车 66 区块一口目标井， 该井用 215.9 mm 钻头钻进至井深 4 500 m， 244.5 mm 套管下深 2 500 m（套管内径 220 mm） ， 钻柱组合为 215.9 mm 钻头 177.8 mm 钻铤（内径 78 mm） 200 m 127 mm 钻杆（内径 108.6 mm） 。钻井液性能ρm1.5 g/ cm3， 塑性黏度 50 mPa s。起钻平均速度 0.465 m/ s， 下钻平均速度 0.93 m/s。对该井井底压力波动进 行研究。分析计算方法主要为 Burkhardt 试验井下 钻过程稳态、 瞬态和实验研究波动压力对比分析， Mississppi 试验井下钻过程稳态、 瞬态和实验研究波 动压力对比分析， 且采用稳态计算模型和过程随时 间点变化的动态分析计算方法［6-7］。图 1 为井底压 力波动分析计算过程框图。 开始 基本参数输入 起、下钻速度规律分析，确定计算时间点n 环空分段，分析计算流动速度， 确定流动摩阻系数 环空分段，计算流动压耗 流动压耗累加， 得波动压力结果 取计算时间点tn 计算完全部时间点 No 结果输出 Yes 结束 图 1 波动压力计算过程框图 Fig.1 Block chart for calculation of surge pressure 1.1 起钻过程井底压力分析 Bottom-hole pressure during tripping out 起钻过程中抽汲压力可分为钻井液静切应力引 起的抽汲压力、 体积置换及钻井液黏附作用引起的 抽汲压力和惯性力引起的抽汲压力 3 种。井底压力 降低值的大小主要与 3 个方面因素相关（1） 钻井液 静切应力；（2） 钻柱上行速度；（3） 环空间隙大小、 钻井 液密度、 黏度等［5］。起钻过程中， 由于不断地从井眼 中起出钻具， 钻柱在井内部分的体积不断减少， 井眼 钻井液液面不断降低， 引起井底压力下降。 目标井条件下， 计算不同钻井液黏度、 密度， 不 同井深以及不同平均起钻速度下， 起出一柱钻柱过 程中抽汲压力随起钻时间的变化规律， 如图 2 所示。 由图 2 （a） 可知， 在目标井的相同条件下， 所用钻井液 的黏度越高， 井底抽汲压力越大；由图 2 （b）可知， 所用钻井液密度越大， 井底抽汲压力越大， 钻井液密 度增加值相同情况下， 抽汲压力增大趋势基本一致； 由图 2 （c） 可知， 井深越深， 抽汲压力也越大；图 2 （d） 说明起钻过程中， 抽汲压力分布与钻柱上行速度密 切相关。 1.2 下钻过程井底压力分析 Analysis of bottom-hole pressure during tripping in 下钻过程中容易产生激动压力， 导致压力升高， 井底压力增加值的大小主要与 3 个方面因素相关 （1） 钻井液静切应力；（2） 钻柱下行速度；（3） 环空间隙 大小、 钻井液密度、 黏度等［5］。 目标井条件下， 计算不同钻井液黏度、 密度， 不 同井深以及不同平均下钻速度下， 下入一柱钻柱过 程中激动压力随下钻时间的变化规律， 如图 3 所示。 由图 3 （a） 可知， 目标井的相同条件下， 所用钻井 液的黏度越高， 井底激动压力越大；由图 3 （b） 可知， 所用钻井液密度越大， 井底激动压力越大；由图3 （c） 可知， 井深越深， 激动压力也越大；图 3 （d） 、 说明下 钻过程中， 激动压力分布与过程中钻柱下行速度密 切相关。 1.3 钻井过程井底压力分析 Bottom-hole pressure during drilling 目标井条件下， 分析计算该井在钻进→静止→ 起钻→静止→下钻→钻进全过程中的井底压力变化 规律， 在钻进过程中， 钻井液排量 26 L/s， 钻进速度 10 m/h。 由于岩屑进入环空钻井液， 环空钻井液密度增 加了 Δρm3.9 kg/m3， 环空钻井液对井底作用的液柱 压力增加了 Δpms172 kPa；计算钻进循环的环空流 动压耗为 pa2 497.2 kPa， 井内静液柱压力 pm66150 石油钻采工艺 2016 年 3 月（第 38 卷） 第 2 期140 0 300 600 900 1200 1500 020406080 抽汲压力/kPa 时间/s a 不同塑性黏度钻井液的抽汲压力规律 时间/s b 不同密度钻井液的抽汲压力规律 时间/s 时间/s c 不同井深的抽汲压力规律d 不同平均起钻速度的抽汲压力规律 60 mPas 50 mPas 20 mPas 0 300 600 900 1200 1500 010203040506070 抽汲压力/kPa 1.3 g/cm3 1.5 g/cm3 1.7 g/cm3 0 200 400 600 800 1000 1200 010203040506070 抽汲压力/kPa 井深3 000 m 井深4 000 m 井深4 500 m 0 400 800 1200 1600 2000 020406080100 抽汲压力/kPa 0.31 m/s 0.465 m/s 0.62 m/s 图 2 不同井底条件下抽汲压力随起钻时间的变化曲线 Fig.2 Changes in swabbing pressure with tripping time under different bottom-hole conditions 0 900 1800 2700 3600 4500 05101520253035 激动压力/kPa 60 mPas 50 mPas 20 mPas 0 900 1800 2700 3600 4500 05101520253035 激动压力/kPa 时间/s 时间/s 时间/s 时间/s b 不同密度钻井液的激动压力规律a 不同塑性黏度钻井液的激动压力规律 d 不同平均下钻速度的激动压力规律c 不同井深的激动压力规律 1.3 g/cm3 1.5 g/cm3 1.7 g/cm3 0 900 1800 2700 3600 4500 010203040 激动压力/kPa 井深3 500 m 井深4 000 m 井深4 500 m 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 01020304050 激动压力/kPa 0.664 m/s 0.93 m/s 1.162 5 m/s 图 3 不同井底条件下激动压力随下钻时间的变化曲线 Fig.3 Changes of surge pressure with drilling time under different bottom-hole conditions kPa；起出 5 立柱， 环空液面下降 13.75 m， 则井底压 力下降为 202.1 kPa。 由图 4 可知， 在钻进→静止→起钻过程中， 由于 环空压耗， 井底压力大于静液柱压力；停止钻进关 泵准备起钻状态下， 井底压力等于静液柱压力；在 每次取出一根立柱过程中， 由于抽汲压力作用， 井底 压力下降， 一定条件下可能会引起溢流。在静止→ 下钻→钻进过程中， 停止钻进关泵准备下钻状态下， 井底压力等于静液柱压力；在每次下入一根立柱的 过程中， 由于激动压力作用， 井底压力增加， 一定条 件下可能会引起井漏；钻进时由于环空压耗， 井底压 力大于静液柱压力。 141李 云等车 66 区块钻井过程井底压力波动及渗流规律 64 65 66 67 68 69 70 100150200250300 井底动压力/MPa 时间/s 下钻-钻进过程 钻进-起钻过程 图 4 下钻 - 钻进 - 起钻过程的井底动压力变化 Fig.4 Changes in bottom-hole dynamic pressure during drilling- tripping out and tripping-in-drilling 2 井底正、 负压差下渗流规律分析 Seepage patterns under negative and positive bottom pressures 在起钻过程中， 井底压力降低， 可能出现井底压 力小于地层压力， 进而导致地层流体侵入井筒的现 象， 在钻井工程设计中这种情况通常是不允许发生 的。对不同渗透率的储层， 起钻抽汲压力引起的负 压， 会引起地层流体侵入井筒， 其中储层性质和钻开 厚度会影响渗流规律和模型的选择。下钻过程中， 在激动压力作用下， 井底压力上升， 可能导致钻井液 向地层中的漏失［1］。下钻、 起钻过程中引起的井底 正、 负压影响井底渗流规律， 在井身结构设计参数选 择中需要加以注意。 2.1 井底负压差下渗流分析 Seepage pattern under negative bottom-hole differential pressure 2.1.1 进入液体储层过程渗流分析 起钻过程中井 底负压差状态下， 液体储层流体的渗流特征可以按 服从线性渗流定律的单相液体球面向心渗流过程进 行分析［8］。球面向心渗流模型如图 5。 图 5 球面向心渗流模型 Fig.5 Model for spherical centripetal seepage 由单相液体稳定渗流的数学模型， 描述球面向 心稳定渗流过程， 根据达西定理得体积流量表达式 q k r p r k pp rR − −       2 2 11 2 π π d d ew we （1） 式中， rw为井眼半径， m；Re为储层供给半径， m；pw 为井内压力， Pa；pe为储层供给压力， Pa；μ 为渗流 流体黏度， Pa s；k 为渗透率， μm2。 按单相液体球面向心渗流过程， 分析起钻过程 中的井底抽汲压力对渗入流量的影响。假定在某地 层钻进过程中， 井眼直径为 215.9 mm， 渗入流体黏度 为 10 mPa s， 分析不同渗透率地层和不同负压差条 件下井底液相渗流速度。 如图6、 图7， 在相同条件下， 一定的地层渗透率， 随着起钻抽汲引起井底负压差 值增大， 地层流体渗流进入井筒的渗流速度会增大； 在其他条件相同情况下， 一定的井底压差， 对渗透率 较大的地层， 地层流体渗流进入井筒的渗流速度会 较大。 0 2 4 6 8 10 0.511.522.533.54 液相渗流速度/10−4 m3s−1 井底负压差/MPa k0.1 μm2 k0.2 μm2 k0.8 μm2 k1.2 μm2 k2 μm2 k3 μm2 图 6 抽汲井底负压差与渗流速度关系 Fig.6 Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs 0 2 4 6 8 10 00.511.522.53 液相渗流速度/10−4 m3s−1 地层渗透率/μm2 Δpw0.5 MPa Δpw1 MPa Δpw1.5 MPa Δpw2 MPa Δpw2.5 MPa Δpw3 MPa Δpw3.5 MPa Δpw4 MPa 图 7 地层渗透率与渗流速度关系 Fig.7 Correlation between ation permeability and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs 2.1.2 进入气层过程渗流分析 起钻过程井底负压 差状态下， 气层储层流体的渗流特征， 可以按服从线 性渗流定律的单相气体球面向心渗流过程进行分 析。由于是气体渗流， 体积流量随压力会发生变化， 在稳定渗流情况下， 质量流量是常数［8-9］。 按单相液体球面向心渗流过程， 分析起钻过程 中的井底抽汲压力对渗入流量的影响。假定在某地 层钻进过程中， 井眼直径为 215.9 mm， 渗入气体黏度 为 0.010 5 mPa s， 设井内钻井液密度为 1.5 g/cm3， 井 石油钻采工艺 2016 年 3 月（第 38 卷） 第 2 期142 深 4 500 m， 地温梯度为 2.5℃ /100 m。分析不同渗 透率地层和不同负压差条件下井底气相渗流速度。 如图 8、 图 9， 在相同条件下， 一定的地层渗透率， 随 着起钻抽汲引起井底负压差值的增大， 地层气相渗 流进入井筒的渗流速度会增大；在其他条件相同情 况下， 一定的井底压差， 对渗透率较大的地层， 地层 气相渗流进入井筒的渗流速度会较大。 0 5 10 15 20 25 00.511.522.533.54 液相渗流速度/10−4 m3s−1 井底负压差/MPa k0.1 μm2 k0.2 μm2 k0.8 μm2 k1.2 μm2 k2 μm2 k3 μm2 图 8 抽汲井底负压差与渗流速度的关系 Fig.8 Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during initial penetration of gas reservoirs 0 5 10 15 20 25 00.511.522.53 液相渗流速度/10−4 m3s−1 地层渗透率/μm2 Δpw0.5 MPa Δpw1 MPa Δpw1.5 MPa Δpw2 MPa Δpw2.5 MPa Δpw3 MPa Δpw3.5 MPa Δpw4 MPa 图 9 地层渗透率与渗流速度关系 Fig.9 Correlation between ation permeability and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs 2.1.3 钻过液体储层过程渗流分析 起钻过程井底 负压差状态下的钻过液体储层的渗流特征， 可以按 服从线性渗流定律的单相液体平面径向稳定渗流过 程进行分析［8］。平面径向渗流模型如图 10。 图 10 平面径向渗流模型 Fig.10 Model of radial fluid seepage 由单相液体稳定渗流的数学模型， 描述平面径 向稳定渗流过程， 由达西定理， 分离变量积分得该平 面径向流井筒入流体积流量表达式 q kh pp R r −2π ln ew e w （2） 按平面径向流渗流过程， 分析起钻过程中的井 底抽汲压力对渗入流量的影响。假定在某地层钻进 过程中， 井眼直径为 215.9 mm， 渗入流体黏度为 10 mPa s， Re1 000 m， h10 m， 分析不同渗透率地层 和不同负压差条件下的液相渗流速度。如图 11、 图 12， 在相同条件下， 一定的地层渗透率， 随起钻抽汲 引起井底负压差值的增大， 地层流体渗流进入井筒 的渗流速度会增大；在其他条件相同情况下， 一定 的井底压差， 对渗透率较大的地层， 地层流体渗流进 入井筒的渗流速度会较大。 0 20 40 60 80 100 00.511.522.533.54 液相渗流速度/10−4 m3s−1 井底负压差/MPa k0.1 μm2 k0.2 μm2 k0.8 μm2 k1.2 μm2 k2 μm2 k3 μm2 图 11 抽汲井底负压差与渗流速度的关系 Fig.11 Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during drilling of fluid reservoirs 0 20 40 60 80 100 00.511.522.53 液相渗流速度/10−4 m3s−1 地层渗透率/μm2 Δpw0.5 MPa Δpw1 MPa Δpw1.5 MPa Δpw2 MPa Δpw2.5 MPa Δpw3 MPa Δpw3.5 MPa Δpw4 MPa 图 12 地层渗透率与渗流速度关系 Fig.12 Correlation between ation permeability and seepage velocity during drilling of fluid reservoirs 2.1.4 钻过气层过程渗流分析 按服从线性渗流定 律的单相气体平面径向渗流过程， 分析起钻过程井 底负压差状态下的渗流。由于是气体渗流， 体积流 量随压力会发生变化， 在稳定渗流情况下， 质量流量 是常数［9］。 按平面径向流渗流过程， 分析起钻过程中的井 底抽汲压力对渗入流量的影响。假定在某地层钻 143李 云等车 66 区块钻井过程井底压力波动及渗流规律 进过程中， 井眼直径为 215.9 mm， 渗入气体黏度为 0.010 5 mPa s， Re1 000 m， h10 m， 设井内钻井液密 度为 1.5 g/cm3， 井深 4 500 m， 地温梯度为 2.5℃ /100 m。分析不同渗透率地层和不同负压差条件下的井 底气相渗流速度。图 13、 图 14， 在相同条件下， 一定 的地层渗透率， 随起钻抽汲引起井底负压差值的增 大， 地层气相渗流进入井筒的流量速度会增大；在 其他条件相同情况下， 一定的井底压差， 对渗透率较 大的地层， 地层气相渗流进入井筒的流量速度会较大。 0 50 100 150 200 250 00.511.522.533.54 液相渗流速度/10−4 m3s−1 井底负压差/MPa k0.1 μm2 k0.2 μm2 k0.8 μm2 k1.2 μm2 k2 μm2 k3 μm2 图 13 抽汲井底负压差与渗流速度的关系 Fig.13 Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during drilling of gas reservoirs 0 50 100 150 200 250 00.511.522.53 液相渗流速度/10−4 m3s−1 地层渗透率/μm2 Δpw0.5 MPa Δpw1 MPa Δpw1.5 MPa Δpw2 MPa Δpw2.5 MPa Δpw3 MPa Δpw3.5 MPa Δpw4 MPa 图 14 地层渗透率与渗流速度关系 Fig.14 Correlation between ation permeability and seepage velocity during drilling of gas reservoirs 2.2 井底正压差下渗流分析 Seepage pattern under positive bottom-hole differential pressures 下钻过程中， 井内压力较大， 激动压力引起的井 内正压差作用会使钻井液向地层中漏失［10］。井底 的钻井液漏失过程， 按服从线性渗流定律的单相液 体球面向心渗流逆过程分析， 分析下钻过程井底正 压差状态下的渗流特征，（pe-pw） 0， 由（1） 式计算得 体积流量为负值。 按单相液体球面向心渗流过程的逆过程， 分析 下钻过程中的井底激动压力对钻井液流入地层的影 响。假定在某地层钻进过程中， 井眼直径为 215.9 mm， 钻井液黏度为 20 mPa s， 分析不同渗透率地层 和不同正压差条件下的液相渗流速度。结果表明， 激动压力引起井底正差压， 导致钻井液漏失进入地 层， 一定的地层渗透率， 钻井液漏失进入地层的速度 随井底正压差的增大而增大。 3 结论 Conclusions （1） 抽汲压力和激动压力随着钻井液密度、 黏度 以及井深的增大而增大；在起、 下钻过程中， 抽汲压 力和激动压力与钻柱上、 下行速度密切相关；同时， 揭示了在钻井的钻进→静止→起钻过程和静止→下 钻→钻进过程中井底压力的变化规律。 （2） 钻过储层钻进过程， 基于单相介质平面径向 稳定渗流定律分析表明相同条件下， 一定的地层 渗透率， 随起钻抽汲引起的井底负压差值增大， 地层 流体渗流入井的流量、 速度增大；其他条件相同情 况下， 一定的井底压差下， 地层流体进入井眼内的渗 流速度随着地层渗透率的增大而增大。 （3） 激动压力引起井底正压差， 井内压力较大时， 井内正压差作用会引起钻井液向地层中漏失。地层 渗透率一定时， 钻井液漏失进入地层的渗流速度随 着井底正压差增大而增大。 （4） 在井身结构设计中， 以井段钻进设计最大钻 井液密度作为井内液柱压力计算的基础， 使计算结 果更符合实际井内压力状况。同时考虑地层的渗透 性特征， 在下一井段钻进过程中套管鞋处的地层不 引起井漏条件下， 可适当降低激动压力系数、 破裂压 力安全系数的取值， 从而修正各层套管的允许下入 深度， 进一步优化井身结构设计。 参考文献 References ［1］ 樊洪海， 褚元林， 刘希圣 . 起下钻时井眼内动态波动压 力的预测 ［J］ . 石油大学学报自然科学版， 1995， 19 （5） 36-41. 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