中国石油大学研究生油气井流体力学

H是井筒垂深，m；
注：符号下同。
1.2起钻过程压力控制理论模型
控压钻井过程中重浆帽压井起钻工艺流程是：在原井浆中控制回压起钻至油层顶部以上的设计位置，打入一段高粘隔离液后再起钻至隔离液顶部，打入重浆替出原井浆至井口，压稳地层并确保井口控制套压自然降到零后，再起钻至井口。故起钻过程中建立的压力控制模型为：
层流状态下，赫谢尔－巴尔克莱流体的压力梯度表示为：
钻杆内：
环空中：
紊流状态下，摩阻系数f(无因次）定义如下：可通过计算机迭代计算：
计算出了摩阻系数，即可通过以下公式计算压力梯度。
钻杆内压力梯度：
环空压力梯度：
式中： 代表摩擦压力损耗梯度或摩擦压力降梯度（Pa/m），f代表摩阻系数（无因次）， 代表钻井液密度(Kg/m3)， 代表屈服值(Pa)。D代表钻杆内径(mm)，D2代表环空外径(mm)，D1代表环空内径(mm)，VP代表钻杆内流速(m/s)，Va代表环空内流速(m/s)。
下放钻具时，井底压力控制模式为：
带泵下放单根：
带泵划眼下钻；
其中：
Pc、Pp是井口套压、地层压力，MPa， 是附加安全值，即允许井底压力控制有波动（IADC取值为±0.35，50psi），为确保波动后的环空压力剖面控制在安全窗口内，一般来讲 取0.5-1MPa比较合适。
是钻井液密度，Kg/m3；
是环空循环压耗,MPa；
其中：
分别为驱替过程中稠塞、重浆在环空中的动态高度，m； 分别为驱替过程中环空的多梯度摩擦压耗与动态控制套压，MPa；
为下钻过程中的多巧度激动压力；MPa；
为泥浆帽中下钻允许井底压力波动值，国际上一般要求波动为0.35MPa。
二
2.1钻井液流变模式优选
钻井液的流变性能是保证钻井作业正常进行的一项基本工艺性能。钻井液的流变模式选择不同，同一种钻井液计算出的有效粘度和循环压耗都不同，因此需要选择合适的流变模式。
2.在起下钻过程中，起下钻速度与波动压力关系密切，起下钻速度越快，井下波动压力越大，越远离井底，波动压力越小；在控压钻井过程中，当起钻至一定高度过后，可以适当提高起钻速度，提高钻井时效，但在下钻过程中离井底越近，应该严格控制下钻速度，且及时调整井口回压，避免井下压力过大，压漏地层。
3.我国控压技术还处于发展阶段，其工艺和压力控制理论还不够完善，建议加大研究力度，实现设计、分析与控制于一体的控压钻井设计、分析、控制系统。同时加强装备可靠性研究，努力推动控压钻井的工业化应用。
宾汉模式和幂律模式在一定程度上能反映各自流体在中、高剪切速率下的流动规律，但不能反映低剪切速率下流体的流动规律，而携带岩屑液流的剪切速率往往不会很高，并且幂律模式不能反映钻井液具有静切力的特性。大量数据表明，大多数钻井液往往更加符合卡森和赫－巴流变模式。卡森流变模式的流变参数意义不是很明确，赫－巴流变模式的参数不但能较好地反映钻井液的流变性而且具有明确含义，且能较好地描述钻井液在低、中、高剪切速率下的流变行为，因此，一般推荐优先考虑赫－巴流变模式。通常情况，环空剪切速率范围加50-250，钻柱内范围为100-1000。
通过调研发现，国内外钻井技术正在向精确的压力控制方式转变，控压钻井技术具有较好地发展前景。据研究表明，精确的井筒压力控制能够克服80%的常规钻井遇到的复杂情况。钻井工作者已经意识到，控压钻井可以増加井控能力，增加机械转速，延长钻头寿命，减少非生产时间，下更少的套管柱，更少的泥浆损失和更安全的施工。
要想得到精确的压力控制方式，需要建立井筒压力控制模型并总结控压钻井井筒计算方法。
下钻前，井筒处于近平衡或微过平衡状态，井口套压为零，井底压力控制模式为：
在高密度泥浆帽中下钻过程中，井筒压力控制模式为：
当下入到预定位置时候，需要进行驱替出重浆帽，驱替过程井筒压力控制模式为；
当起驱替完环空稠塞与重浆帽时，井口套压恢复到起钻前正常控制套压，其井筒压力控制模式为：
当驱替完重浆帽再次下钻时候，是井口带压下钻，其井筒压力控制模式为：
一
1.1正常钻进与接单根压力控制理论模型
控压钻井过程中，钻完单根后一般先采用带泵划眼的方式拉划井壁一次，然后带泵将钻具提至坐卡位置后，司钻通知拉压钻井工程师后方可停泵接单根，故正常钻井时的理论模型为：
正常钻进时，井底压力控制模式为：
上提钻具时，井底压力控制模式为：
带泵Biblioteka Baidu提
接卸单根时，井底压力控制模式：
其中：
是正常钻进时钻井液密度、隔离液密度、重浆帽密度，Kg/m3；
是环空摩擦压耗、环空双梯度摩擦压耗（隔离液与原密度钻井液、重浆帽和原密度钻井液在环空产生的双梯度循环摩擦压耗），MPa；
H、 是井筒垂深、隔离液垂直高度、重浆帽垂直高度，m；
1.3下钻过程压力控制理论模型
控压钻井中重浆帽足井方式下钻工艺流程是：在高密度泥浆帽中下钻至高粘隔离液底部，注入原浆替换出重浆至井口，井口套压从零逐渐恢复到起钻前控制套压，再带压下钻直至原井深。故下钻过程建立的理论模型为：
（2）钻具惯性引起的波动压力：
开口状态：
闭口状态：
（3）钻井液粘滞力引起的波动压力
（4）钻具接头引起的波动压力：
（5）钻头处引起的波动压力
钻具组合在起下过程中存在开口和闭口状态，而且在开口状态下钻井索又存在开索和停泵两种状态，在闭口状态下只存在停索一种状态，计算如下：
开口状态开泵：
开口状态停泵：
闭口状态停泵：
式中： 代表总的波动压力（MPa）， 代表钻井液静切力产生的波动压力（MPa）， 代表钻具惯性引起的波动压力（MPa）， 代表钻井液粘滞力引起的波动压力（MPa）， 代表钻具接头引起的波动压力（MPa）， 代表钻头处引起的波动压力（MPa）。
根据波动压力产生的原因，计算分项波动压力的公式如下：
（1）钻井液静切力产生的波动压力：
图1哈里伯顿公司的MPD系统组成图
3.1自动节流管汇系统
节流管汇安装有高精度流量计和高精度压力传感器，适用于大流量、高固相含量返出的钻井作业。同时管汇中在节流阀下流方向安装有独特的流量计，用于快速检测循环钻井液的流量、密度大小、温度、漏失和涌入。
控压钻井节流管汇系统具有以下优点：（1）体积小，安装方便；（2）能够实现自动计算与校正，可自动实现井口回压的自动控制，精度髙；（3）自动控制失效后，可进行手动控制；（4）可精确测量钻井液回流量、钻井液密度和温度。
图3 MPD系统
四
前面介绍了整个控压钻井施工需要的理论模型，计算方法和施工工艺及装备，保证井底压为在控制范围以内，以实现控压钻进。下图是控压钻井施工流程图。
图4控压钻井施工流程图
五
1.在正常钻井过程中，随着排量的不断增加，环空循环压耗也随之増加，为维持恒定的井底压力，井口回压也随之减小，在不影响井下安全的前提下可通过调节排量的方式改变井底压力，实现窄密度窗口钻进。
数据监测与控制系统主要包括数据采集、录井数据共享、压力控制算法等部分，现场主要通过共享录井数据获得一些关键的工程参数，并通过增加的传感器采集录井数据中没有的其他参数，最后通过系统进行数据整合并通过压力控制算法进行井筒压力模拟，达到实时的数据监测和修正，保征井下压力在设计范围內。 当数据监测与控制系统监测得到实时数据时候，其数据流如图所示：
参考文献
[1]陈森,梁大川,李磊.深井超深井安全钻井液密度窗口研究进展[J].天然气工业,2008,01:85-87+170.
[2]D.Hannegan.Managed pressure drilling addsvalue.E&P,2004
[3]Saad Saeed,Randy Lovom,Kjetil ArneKnudsen.Automated Drilling Systems for MPD C-The Reality[J].SPE151416,2012
图2数据流程图
3.4随钻压力监测系统（PWD系统）
PWD是通过传感器直接测量近钻头处的各种参数，并通过泥浆脉冲实时传输到地面，测量误差取决于传感器的精度。PWD使用的流体压力传感器精度可达0.1%，分辨力化0.08，与理论计算相比，精度大幅提高。它是一种能够实时监测传感器位置处环空压力、工具面等参数的仪器，为精确控制井底压力提供了有效途径，同时其提供的实时井下压力数据为校核压为控制算法提供了保证。
式中：L代表钻杆长度(m)， 代表钻井液静切力，f代表摩阻系数（无因次）， 表钻井液密度(Kg/m3)，V代表环空钻井液流速(m/s)，D代表钻杆内径(mm)，D1代表环空内径(mm)，D2代表环空外径(mm)，Djt代表钻具接头处直井(mm)，Dbit代表钻头外直径(mm)，De代表钻头水口当量直径(mm)，Q代表泵量（1/s）。
2.2井筒循环压耗的计算模型
赫谢尔－巴尔克莱三参数模型简称赫－巴模式。其数学表达式为：
是钻井液的实际动切力，表示流体流动所需的最低剪切应力。它并不是一个外推值，因此与宾汉动切力的意义完全不同。 值的大小主要与聚合物处理剂的类型和浓度有关，此外固相含量对它也有一定影响。n和K计算方式如下：
钻杆内：
环空中：
三
控压钻井需要精确控制环空压力剖面，实现窄密度窗口的安全钻井，不仅依靠控压钻井理论，相关设备的支撑也是必不可少的。目前国内现在主要应用的控压钻井技术主要来自哈里伯顿公司。哈里伯顿的控压钻井技术及配套系统是国际上比较先进的，其井底压力控制波动范围可以控制在±0.35MPa范围内。该系统该主要由旋转防喷器（RCD）、自动节流控制系统，回压补偿系统、数据采集和控制系统、PWD系统等。其现场连接及设备、数据流原理图：
2.3井筒波动压力计算模型
钻井起下钻过程中井内产生压力变化，称压力波动，相应的压力通称为波动压力。根据其值对钻井液静压力的正负影响可分为激动压力和抽吸压力。抽吸压力是设计最小钻井液附加密度的主要依据。另外，以波动压力为基础，合理设计和控制起下钻速度对预防井下复杂事故具有重要意义。
对于窄安全密度窗口，必须任何时候均要保持井底压力相对恒定，特别是在起钻的瞬间，为了防止抽吸压力过大，超出控压安全范围诱导地层流体进入井筒，必须要考虑起钻时的起钻速度和引起的抽吸压力大小。目前井控技术规定，裸眼地层起钻速度不应超过0.5m/s。在现场操作中要求起钻平稳，保持起钻速度相对稳定，现场可以监测到实际的起钻速度，因此可以按照稳态抽吸压为模式进行计算。起钻过程中抽吸压力主要由钻井液的粘滞阻力、静切力和管柱惯性力引起，而钻井液的粘滞阻力引起的抽吸压力最大。井内某点的实际波动皮力值为以下集中波动压力的和：钻井液静切力产生的波动压力、钻具惯性引起的波动压力、钻井液粘滞力引起的波动压力、钻具接头引起的波动压力及钻头处引起的波动压力：
该技术关键是整个井下的循环体系作为一个承压的压力体进行操作，解决常规钻井中井底压力难以控制的弊病，通过提高钻井时效来优化常规钻井工艺措施。该技术主要是通过调整井口回压、钻井液密度、钻井液流变性能、环空摩阻，精确控制环空压力剖面和井底压力，使井底压力大于地层孔隙压力但是小于地层破裂压力，进行近平衡钻井，控制地层流体进入环空，减少发生井涌、井漏、卡钻的风险，对窄密度窗口作业具有较好地效果。
3.2回压补偿系统
回压补偿子系统在接卸单根停止循环和带压起钻过程中实现带压灌浆和补偿循环压耗的专用装备，该装备能准确记录灌入量，可判断是否按灌入量灌入，保证井底压力平稳，在控压钻井过程中实现套压自动补偿，在井队停泵的情况下能在井口建立循环，实现套压的自动控制，是MPD的主要设备之一。
3.3数据监测与控制系统
油气井流体力学课程汇报
题目：控压钻井技术应用研究
随着对更深更复杂地层的勘探开发活动的越发频繁，常常出现许多如井涌、井漏、有害气体泄漏、卡钻、起下钻时间过长等钻井复杂问题，窄密度窗口安全钻井问题是造成深井、高温高压井等钻井周期长、事故频繁、井下复杂的主要原因，目前国内外解决这些问题主要采用控压钻井技术。随着国内控压钻井技术的蓬勃发展，对控压钻井技术应用研究具有重要意义。
控制井口回压原钻井液中起钻，控制模式为：
关泵上提起钻：
当起到设计井深H1时注入高粘隔离液，控制模式为：
继续控压起钻至厲离液顶部H2（不能带泵起钻），控制模式为：
在隔离液顶部H2处注入重浆帽时候，井筒压力控制模式为：
重浆帽注完时，井筒压力控制模式为：
重浆帽注完起钻时候，井筒压力控制模式为：
起完钻时候，井筒压力控制模式为：