无隔水管钻井当量循环密度计算模型

关于无隔水管钻井在钻柱未充满工况下的井筒温度和压力模型还未见报道。鉴于此,推导了保证无隔水管钻井钻柱内充满钻井液的最低海面泵排量(零立压排量)的计算公式。针对钻柱未充满工况,建立了无隔水管钻井稳态温度计算模型,并在考虑温度和压力对钻井液密度影响规律的基础上建立了当量循环密度(ECD)计算模型。研究结果表明:零立压排量随水深增加而增加,随井深增加而减小;水深越大,相同排量下的平衡液面深度距平台越远;深水无隔水管钻井的井筒温度变化规律与陆上井筒温度变化规律一致,但温度要低很多,因此井底压力和ECD变化也较小;由于深水井高温高压窄密度窗口的特点,所以计算井底压力和ECD时需要考虑温度模型。研究结果对无隔水管钻井水力参数的确定具有一定的指导意义。     

海上高温高压井环空ECD精细预测模型

为了准确预测高温高压井环空ECD,基于高温高压下钻井液流变性测试数据,利用多元非线性回归得到了钻井液密度和流变参数计算模型。通过将钻井液密度和流变参数计算模型与井筒传热模型耦合,建立高温高压井环空ECD精细预测模型。相比Drillbench软件计算结果,该模型更接近于实测PWD数据,误差更小。实例井计算结果表明,循环钻进过程中,下部环空温度不断降低,钻井液密度和稠度系数受温度影响不断增加,导致环空ECD不断增加;钻井液排量与地温梯度是影响环空ECD分布的关键因素,排量越大,环空压耗越大,进而环空ECD也越大;地温梯度直接影响环空温度分布,地温梯度的增加将导致环空ECD的不断降低。      

深水高温高压井钻井液当量循环密度预测模型及应用

深水高温高压井具有井筒温度场变化复杂、钻井液物性变化大等特点,导致钻井液当量循环密度(ECD)难以准确预测。为此,根据南海某研究区深水高温高压井钻井资料,通过PVT测量仪和旋转黏度计研究了深水水基钻井液当量静态密度、流变参数与温度、压力之间的响应特征,并根据实验数据拟合经验模型参数,同时考虑温度和压力对钻井液物性参数的影响、海底增压对井筒流场与温度场的影响,对深水高温高压井ECD计算模型进行完善。研究表明:高温高压环境对水基钻井液物性有较大影响,海底增压泵排量越高,井筒内ECD越高。利用模型对南海ST362-1d井进行实例计算,ECD模型预测值与实测值平均误差仅为0.249%。该研究结果对深水高温高压井水力参数优化设计及井筒压力控制具有一定的参考价值。     

CML双梯度钻井瞬态井筒温压耦合场

针对CML双梯度钻井井筒温压耦合场的相关研究较少。为此，基于CML双梯度钻井的工艺特点，考虑井筒内钻井液的流动特点以及温度、压力对钻井液物性参数的综合影响，建立了井筒温压耦合场数学模型，并结合钻井数据进行了数值计算和敏感性分析。计算及分析结果表明：返回管线与海水之间为单管横掠式传热，受到周围环境温度的影响较大，其温度分布与海水温度分布类似，井筒温度对钻井液密度的影响要大于压力的影响；在CML钻井中，通过动态调节钻井液帽的高度可以灵活控制井筒压力；通过对钻井液帽高度、泵压、排量进行优化设计，可以更好地满足对目标井底压力的控制需求。所得结论可以为深入研究CML双梯度钻井的控压钻井工艺设计提供理论参考。     

高温高压井ECD计算

随着深部油气藏的勘探和开发，高温高压深井及超深井的数量大幅度增加，而高温高压、窄安全密度窗口安全钻井是当前国内外未能很好解决的重大技术难题，钻井工艺技术面临易发生井漏、井喷等事故的挑战，准确计算钻井过程中井下ECD分布对突破该技术难关有重要意义。为此，文章从研究高温高压钻井过程中循环温度场分布出发，分析了温度和压力对钻井液密度的影响规律，建立了不同温度和压力条件下的ECD实时耦合模型。该模型由动态压力和温度模型耦合而成。通过计算分析表明，井底钻井液密度和地表钻井液密度有很大差别；温度增加，钻井液密度下降；压力增加，钻井液密度增加。在高温高压钻井过程中，随着循环时间的增加，环空下部井段温度呈指数降低，ECD升高；环空上部井段温度呈指数升高，ECD降低。随着排量增加，环空下部井段温度降低，ECD近似呈线性升高；环空上部井段温度升高，ECD呈指数降低。     

深水动态压井钻井井筒压力模拟

动态压井钻井技术可有效解决深水表层钻井过程中出现的溢流或井漏、井塌等井下复杂事故。为研究深水表层动态压井钻井过程中的压力变化特征,结合动态压井钻井基本原理,建立了动态压井钻井井筒物理模型,通过设定海水和加重钻井液的初始排量、排量随时间的变化率,推导出了变排量、变密度模式下的动态压井钻井井筒压力数学模型。根据墨西哥湾深水钻井实例数据,计算分析了动态压井钻井过程中环空密度、环空压力、环空压耗以及井底压力随时间的变化关系。结果表明,动态压井钻井技术的关键在于通过实时调整海水排量、加重钻井液排量控制混浆密度,进而控制环空液柱压力,达到深水表层安全钻井的目的;机械钻速是影响井底压力的重要因素,机械钻速越大,由岩屑产生的附加密度越大,井底压力越大。     

深水隔水管钻井井筒温压场耦合计算与分析

井筒温度和压力场的计算是深水钻井设计的重要内容。综合考虑温压场与钻井液性能的相互影响,建立了深水钻井井筒钻井液性能、温度和压力场耦合计算模型,并进行了求解分析。实例分析结果表明:受海水低温影响,上部井段环空温度会小于入口温度,需注意低温时天然气水合物形成带来的安全隐患;受压力和温度影响,静止时钻井液最大密度出现在海底泥线处,井底处钻井液实际密度小于井口钻井液密度,循环时井内钻井液实际密度和当量循环密度(ECD)均大于入口钻井液密度;温压场与钻井液密度耦合对ECD影响较大,钻井液粘度与温压场耦合对泵压影响较大,考虑钻井液密度和粘度影响时泵压计算误差将明显降低。     

基于井下分离的深水双梯度钻井参数优化

为解决深水窄压力窗口安全钻井问题,设计了一种基于井下分离的新型深水双梯度钻井方式,通过室内实验验证了井下分离的有效性和实现井筒双梯度的可行性,对钻进过程中的动态井筒压力进行计算,并针对该钻井方式建立了钻井参数(包括分离器位置、分离效率、注入体积分数、钻井液密度、井口回压、排量)优化模型。通过实例分析了不同控制参数条件下及不同窄安全压力窗口下的钻井参数优化问题,结果表明井筒压力剖面得到优化,可适应深水窄压力窗口,实现更大钻进深度;利用最优化模型,可以获得更小的钻井井底压差,从而提高钻速,同时保护储集层;优化过程中始终保证动态变化的井筒压力在安全压力窗口内,可有效避免因压力不平衡导致的井下复杂情况。图8表4参18     

深水控制泥浆帽钻井水力参数设计与计算

深水控制泥浆帽钻井技术可以应对严重漏失地层和高压、高含硫地层的钻井问题,但钻井水力参数的设计与计算较为困难。为此,结合深水钻井工艺流程,建立了深水控制泥浆帽钻井井底压力计算模型,给出了深水钻井不同工况下的钻井液密度确定准则和钻井液当量循环密度计算方法,并基于井筒内循环压耗分析得到了水面泵和水下泵的泵压计算方法;针对严重漏失地层和高压、高含硫地层的井筒压力分布特点,给出了该工况下的泥浆帽高度计算方法;结合井眼清洁准则和漏失量与漏失压差的关系,给出了牺牲流体排量计算方法,并以此为基础提出了深水控制泥浆帽钻井水力参数设计流程。以一口深水井为例,对控制泥浆帽钻井水力参数进行了算例分析,结果表明:泥浆帽高度主要由井底压力的大小决定,钻井液密度与排量的大小可对其产生一定影响,所以通过调节泥浆帽高度可以控制井筒压力。      

深水钻井当量循环密度影响规律分析

深水钻井中,由于深水段的影响,上覆岩层压力低,钻井液密度窗口窄,当量循环密度(ECD)的预测和控制较难。针对南海深水井通过水力学分析软件进行ECD计算模拟,并对增压泵的影响进行了分析,揭示了深水钻井ECD的影响规律,为深水钻井水力参数设计和现场作业提供了依据。研究表明:深水钻井中,不仅要通过大排量和控制机械钻速来保持井眼清洁和控制ECD,还需要考虑温度对ECD的影响,尤其是在有增压泵的情况下,ECD随着增压泵排量的增大会逐渐增大。     

无隔水管钻井浅部地层井筒循环压耗分析

无隔水管钻井液回收钻井技术能够较好地解决深水浅部地层的钻井难题。基于圆管流量方程及其在环空中的推广应用,分别建立钻柱内和环空中钻井液全流态的井筒循环压耗计算方法。算例分析结果表明,层流状态下钻柱内和环空中循环压耗随排量增大均缓慢增加,而过渡流和紊流下循环压耗随排量增加的速度较快;RMR无隔水管钻井系统在钻井过程中存在一个临界排量,只有泵排量不小于临界排量才能够保证井筒循环的连续性;钻遇浅部地层时井筒压力中还是钻井液液柱压力起主导作用,循环压力的影响相对较小。研究内容可为我国开展深水无隔水管钻井提供一定的技术支持。     

深水CML双梯度钻井钻井液液位高度优化设计

为了优化井筒压力剖面,实现更大的钻进深度,建立了CML双梯度钻井钻井液液位高度优化模型。模型以地层压力窗口为约束条件,以井底压差最小化作为优化目标,对钻井液液位高度进行优选。通过案例分析了钻井液密度、泥浆泵排量、安全余量等参数对优化结果的影响。研究结果表明,相比于泥浆泵排量,最大钻进深度、井底压差与最优钻井液液位高度受钻井液密度的影响更显著;相比于不考虑安全余量,考虑安全余量会使井筒压力更加安全地落在压力窗口内,但会明显降低最大钻进深度。采用优选后的钻井液液位高度,既能实现更大的钻进深度又能降低井底压差,同时保护储层。     

变梯度控压钻井井控过程中井口回压变化规律

为了准确掌握变梯度控压钻井井控过程中井口回压的变化规律,采用考虑密度突变的井筒气液两相变质量流动模型,分析了基于井底恒压的变梯度控压钻井井控过程中井口回压的变化,探讨了不同因素变化对井口回压的影响,并开展了最大井口回压影响因素敏感性分析。研究发现：变梯度控压钻井在控制井底压力恒定时井口回压的调节受气体膨胀、分离器位置处液相密度突变、套管鞋及海底泥线处环空变径等多个因素综合影响,其变化规律更加复杂;其他条件不变时,分离器与钻头间距越小、轻/重质钻井液密度差越大、地层压力越大、循环排量越小,循环排气过程中的井口回压越大;对于最大井口回压而言,地层压力、轻/重质钻井液密度差、分离器与钻头间距、循环排量的比变异系数值依次减小,敏感性程度也随之降低。研究结果可为变梯度控压钻井井控过程中的井口回压准确预测和井筒压力精细控制提供理论支撑。     

深水高温钻井井筒循环温度分布与控制方法研究

深水钻井过程中高温会对钻井液性能和井下及井口设备、工具的密封件等造成严重损坏,因此准确的钻井温度模拟及控制至关重要。结合深水钻井工艺和高温地层特点,充分考虑钻井系统输入能量和隔水管对井筒温度剖面的影响,建立了新的深水钻井井筒循环温度分析模型,重点分析了温度剖面的影响因素及海底防喷器处的温度变化规律,结果表明:本文建立的深水钻井井筒循环温度分析模型计算结果与现场实测数据吻合;钻井系统输入能量、隔水管增压泵排量对井筒温度剖面的影响不可忽略,在钻井设计和作业阶段可分别通过优化井眼轨迹、采用高比热钻井液和增加钻井液润滑性、减小钻井液入口温度等方法来降低井底温度。本文研究成果可为深水高温钻井井底温度预测和控制提供理论指导。     

深水动态压井钻井技术及水力参数设计

深水钻井中钻遇浅层流十分危险,动态压井钻井方法是处理深水钻井浅层流问题的一种有效手段。文中从原理、特点以及关键装备等几个方面对动态压井钻井方法进行了介绍,并结合工艺流程,通过理论分析,得到了钻井液密度、排量、混配比,钻井液需求总量以及泵压、泵功率等参数的计算方法。计算结果表明,对井底压力起主要作用的因素是密度,需要精确控制与混配,在相同压力条件下,先钻小尺寸的领眼容易在排量满足要求的条件下控制浅层流。     

维持井壁稳定的充气钻井液密度确定方法研究

随着我国西部和海洋深层天然气勘探开发不断加快、深入，钻井不断遇到高温、高压、气侵环境，受气体侵入的井筒钻井液其密度随温度和压力的变化而变化，这导致常规井壁稳定研究确定的当量静态钻井液密度不能有效地阻止井下井壁坍塌、缩径引起的复杂情况。国内外高温高压条件下钻井液密度计算模型存在着明显的问题：①没有考虑气体在环空中的影响，此时环空中是气液两相流体的流动，不能用单相液体的情况来对待；②井筒温度用地温梯度来代替不合理。为此，在确定有气侵、压耗和温度影响的有效安全钻井液密度时，分析了气液两相钻井流体受井筒压力、温度、气侵量与钻井液密度的相互影响关系，结合地层参数、钻井水力参数和钻柱结构，通过对温度场与压力场的耦合求解，获取了有效安全钻井液密度的下限和上限，计算结果在实际钻井中得到了较为成功地应用。     

深水浅层钻井液水合物抑制性能优化

深水浅层地质条件复杂,土质疏松、作业压力窗口窄、海底泥线温度低、井筒内易生成水合物,钻井液面临着井壁稳定、低温流变性调控难度大以及环境污染等问题,钻井安全作业风险高。为此,以南海某深水井浅层钻井为研究对象,总结分析了深水浅层钻井液应用现状,建立了深水浅层钻进ECD计算模型和井筒温度场计算模型,分析了深水浅层钻井期间的井筒温度场分布规律和水合物生成风险,结合数值模拟和室内实验,进行了浅层钻井液体系水合物抑制性能优化。研究结果表明,建立的深水浅层钻进ECD计算模型和井筒温度场计算模型,与实测数据对比模型计算平均误差小于8%;计算得出深水浅层钻进期间井筒水合物生成区域范围随着钻井深度的增加逐渐减小,但钻进准备期间及钻进初期,井筒内仍存在水合物生成风险;常规半防钻井液体系优化为HEM+14%NaCl+6%KCl,可满足正常钻进期间作业需求。结论认为:通过深水浅层钻井液体系优化,可以减少钻井液体系中水合物抑制剂的加入,简化钻井液配方,降低钻井成本,提高作业效率,为深水油气钻探钻井液设计提供指导。      

多约束条件下的钻井液排量优选研究

在考虑环空携岩、地面机泵额定压力、钻井液当量循环密度、钻头水功率和井下动力钻具等因素的影响前提下对钻井液排量优选进行了研究。以新垦601井的基本数据为基础,采用不同约束条件下的钻井液排量计算模型对排量进行了计算。计算结果表明,环空携岩约束条件下优选出的排量值最小,地面机泵条件下确定的排量值最大;ECD可确定一个排量范围,保证井眼不坍塌、不破裂;井下动力钻具在最佳工作状态时也可确定一个排量范围。在实际钻井中,为使所设计的排量具有使用价值,须确保优选的钻井液排量满足所有约束条件。     

考虑海底增压的深水钻井当量循环密度预测方法

针对深水井筒ECD预测与控制方面存在的不足,建立了考虑温度和岩屑影响及有海底增压管线举升系统情况下的深水钻井ECD预测模型,以实例计算分析了深水钻井中有海底增压管线举升系统情况下ECD变化。结果分析表明,钻柱内的排量一定时,增注排量越大,ECD值越小;在有海底增压管线举升系统时,本计算条件下ECD值均未超过漏失压力,因此该种参数工况下应该为安全状况;在无海底增压时,随着排量的降低,环空ECD逐渐增加,且ECD增加值较大;当排量小于一定值时,ECD的增加会导致在钻井过程中的地层漏失。因此在深水钻井过程中应该特别注意在隔水管段的井眼清洁问题,除了控制机械钻速、泵入清扫液等措施以外,还应适量采取增加排量来及时清除钻屑,保持井眼清洁。最后对比分析了模型的有效性,在本计算条件下与PWD实测值偏差最大1.36%,对深水钻井水力参数优化设计及井控具有一定的参考意义。     

控压钻井多相流温度场预测

控压钻井钻遇储层产生气侵时,会使井筒内气液两相流在不同井深、温度条件下呈现出不同的流态,从而影响环空的压力分布。为此,基于井筒传热方程和能量方程,建立起了控压钻井井筒多相流温度场计算模型,并利用循环迭代法和数值分析法求解钻柱内和环空流体温度剖面。用实例分析其随循环时间、钻井液密度及钻井液排量增加而减小的规律;计算结果与PWD实测数据误差小于2.87%,能够满足控压钻井数据计算及现场施工需要。