流体欠平衡钻井压力控制

收稿日期:2000-03-13;修回日期:2000-08-04

作者简介:何卫滨(1967-),男,1991年毕业于石油高等函授(华东)矿机专业,现在大港油田钻采院钻井工程设计室从事钻井工程设计。电话:(022)25925321,25925320。

钻井工艺

流体欠平衡钻井压力控制

何卫滨

(大港油田集团公司钻采院钻井设计室,天津大港300280)

摘　要:对欠平衡钻井中的压力即欠压值的控制进行了研究和探讨,并对控制方法的理论依据进行了论述

。认为在影响欠平衡钻井的钻井液静液柱压力、环空压耗、欠压值、井口回压、地层压力中,地层压力是首先要搞清楚的最基础的压力,最好先求出地层压力而不必急于进行欠平衡钻进,因为一切欠平衡的压力计算都是建立在这个基础压力之上的;再根据地层压力确定合理的欠压值,确定所用的钻井液密度。以最优的钻井成本,能实现最容易和最安全的钻井施工来衡量欠压值选得是否合理。举例介绍应用方法。

关键词:欠平衡钻井;地层压力;欠压值;钻井液;控制

中图分类号:TE249 文献标识码:A

欠平衡钻井技术不仅能有效地保护好油气层,而且还能大幅度地提高机械钻速,缩短钻井周期,因此该项技术越来越多地被应用于油田的勘探和开发领域。欠平衡钻井技术与常规钻井技术的不同之处,主要是在于它是允许地层流体进入井筒内,并且有控制地将进入井筒内的地层流体引到地面上来,从而保证油气层不受钻井液的损害。

欠平衡钻井中井内压力情况

11常规钻井中钻进时井内压力情况

P m +P a =(1.5～5MPa )+P P +P a

(1)

式中:P m —钻井液静液柱压力,MPa ;

P P —地层压力,MPa ;P a —环空压耗,MPa 。

21常规钻井中静止时井内压力情况

P m =(1.5～5MPa )+P P

(2)

由式(2)可看出,钻井液静液柱压力要比地层压力大115～5MPa ,有时考虑为维持井壁的稳定,钻井液的密度会更大,这就可能造成钻井液对产层的损害。

31欠平衡钻井中钻进时井内压力情况

ΔP 欠=P P -(P m +P a )(3)式中:ΔP 欠—欠压值,MPa ;

由于存在欠压值,所以在钻入产层后,地层流体就会进入井筒内,实现欠平衡钻井。

影响欠平衡钻井的压力

11钻井液静液柱压力(P m )

钻井液静液柱压力与钻井液密度有关;该压力直接作用在地层上,直接影响欠压值的大小。但在地层流体进入环空后,由于环空为多相流体,环空的钻井液静液柱压力很难求出。21环空压耗(P a )

环空压耗是由于钻井液的流动而产生的,与钻井液性能和钻井参数有很大的关系。该压力也是直接作用在地层上,其大小对欠压值有影响,尤其是在低压的地层中。一般情况下可近似地认为P a ≈1MPa ,当地层流体进入环空后,由于环空为多相流

体,使得P a 很难求出。31欠压值(ΔP 欠)

欠压值是由地层压力和钻井液静液柱压力以及环空压力所确定。其大小直接影响地层流体进入井筒内的量的多少,其值过大,易造成产层的速敏和井口设备载荷过大或失控,造成重大的钻井故事。根据大港油田的经验,一般将其确定在0.2～1MPa 之间,欠压值的大小因地层和油田的实际情况由设计

者定出。41井口回压(P 回)

当地层流体不断进入井筒内,环空的静液柱压力不断下降,欠压值也急剧升高,如果不在井口控制

・7・ 第24卷　第2期钻　采　工　艺

一定的回压,从而控制地层流体的流入量,将会给欠平衡钻井带来很大的危害。井口回压与欠压值是一对伴生的关系,即由于存在欠压而产生井口回压,反过来井口回压又限制欠压值的大小。井口回压一般确定在0～7MPa 的范围内。当欠压值过小时,其井

口也没有必要用回压控制(如乌深1井)。51地层压力(P P )

地层压力是在欠平衡钻井中首先要搞清楚的最基础的压力,一切欠平衡的压力计算,都建立在这个压力基础上。对于开发井,地层压力较为清楚可直接采用;而对于勘探井,由于地层压力有许多不确定性,所以只能作为参考。即在勘探井的欠平衡钻井中,先使用参考的地层压力,通过公式求出欠平衡的钻井液的密度,依据此密度钻进;当钻遇溢流和钻时加快时,要停止钻进,近似地求出地层压力,再根据所求的地层压力,调整钻井液参数。由于欠平衡钻井所使用的钻具带有内防喷工具,所以地层压力可按下列步骤求出。

(1)关井、记录套压;

(2)由记录中查出压井排量时的压耗;

(3)开泵并将排量调整到压井时的排量,在此过

程中用节流阀控制套压不变;

(4)记下此时的泵出口压力;

(5)停泵并关节流阀;

(6)P S =泵出口压力-压井排量时的压耗;

则有　P P =P S +9.81h γm

(4)

式中:P P —地层压力,MPa ;

P S —循环压耗,MPa ;h —井深,km ;

γm —钻井液密度,g/cm 3。

如何保证欠平衡钻井的欠压值

11确定合理的欠压值

欠平衡钻井是使环空中的压力略低于地层压力,只要能保证地层流体能进入钻井环空即可,不必追求过高的欠压值。大港油田欠平衡钻井时欠压值一般取0.2～1MPa 。

另外,确定欠压值时,还应考虑使用钻井液的成本问题。尽量选用成本低而又能满足所确定的欠压值的钻井液体系,过高的欠压值,可能会大幅增加钻井液成本和地面控制设备施工时的难度。21确定欠平衡钻井时所用的钻井液密度

当欠压值确定后,由式(3)反推出钻井液的密度:

γm =

P P -(P a +ΔP 欠)

9.81h

(5)

式中:P P —地层压力,MPa ;

P a —环空压耗,MPa ;其值约等于1MPa ;

ΔP 欠—欠压值,MPa ;

h —井深,km ;

γm —

欠平衡钻井液密度,g/cm 3。31如何保证设计欠压值

对于地层压力系数大于等于1100,且钻井方式

选择流体欠平衡钻井,可以采用控制井口回压的方法来保证设计的欠压值与实际欠压值相等,其原理可通过如下公式推导证明。

根据设计的欠压值计算出实现欠平衡钻井所需要的钻井液密度,在地层流体未进入井筒时,立管压力如下:

(1)在欠平衡钻井中,如果地层流体尚未进入井筒内时,那么立管压力:

P 立=P 地面+P 管柱内+P a +P 嘴(6)

式中:P 立—循环时的立管压力,MPa ;

P 地面—地面管汇压耗,MPa ;

P 管柱内—钻柱内压耗,MPa ;P 嘴—钻头喷嘴压耗,MPa ;

在环空作用在地层上的压力只有P a 和P m 。

(2)当地层流体进入井筒内时,P a 和P m 将下降,从而引起ΔP 欠设增大,P s 下降。此时的循环压耗:

P 立欠=P 地面+P 管柱内+P a 欠+P 嘴-(P m -P m 欠)+P 回

(7)

此时:

ΔP 欠实=P P -(P m 欠+P a 欠+P 回)(8)

式中:P 立欠—欠平衡钻进时的立管压力,MPa ;

P a 欠—欠平衡时环空的压耗,MPa ;

P m 欠—欠平衡时环空静液柱压力,MPa ;P 回—欠平衡时井口施加的回压,MPa 。

由于P m 欠、P a 欠很难求出,所以只有采用调整井口回压来保证欠压值,即保证其他钻井参数不变。

令P 立=P 立欠则:

P 地面+P 管柱内+P a +P 嘴=P 地面+P 管柱内+P a 欠-(P m -P m 欠)+P 嘴+P 回

(8)

由于地面管汇压耗、钻柱内的压耗和钻头喷嘴压耗没有因地层流体的侵入而改变,所以这些压力是相等的,通过简化式(8)即变成如下的等式:

P a =P a 欠-(P m -P m 欠)+P 回

・8・ 钻　采　工　艺2001年