CN104111208B - 水基钻井液井底密度静态预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水基钻井液井底密度静态预测方法，基于两邻近井地温梯度相同，先根据邻井的测井资料求得邻井的地温梯度以作为被预测井的地温梯度，再求得被预测井各垂深对应的温度值，然后分别测量地面温度、钻井液密度及钻井液固相含量，最后根据相邻垂深之间钻井液温度、压力和密度之间的关系，递推求得井底钻井液静态密度，实现对井底钻井液密度的预测；本发明的方法使用常见的温度计、钻井液密度仪和固相含量测量仪实现对井底钻井液密度的预测，非常易于实现和现场推广应用，对于实现近平衡钻井、储层保护和提高机械钻速具有非常重要的意义。

Description

水基钻井液井底密度静态预测方法

技术领域

本发明属于石油天然气钻井技术领域，涉及一种水基钻井液井底密度静态预测方法。

背景技术

在石油天然气钻井领域，钻井液主要用来传递水力能量、携带岩屑、平衡地层压力、保护储层等。因此，钻井液也常被喻为钻井的血液，其重要性可见一斑。

目前在直井、定向井和水平井等常规井型中常用的是水基钻井液。钻井液的主要性能包括钻井液失水，钻井液粘度，钻井液流变性，钻井液抑制性，钻井液密度等，其中钻井液密度是钻井液主要指标之一，钻井液密度如果低于地层空隙压力，有可能诱发井涌、溢流，乃至井喷发生；如果钻井液密度过高会导致井漏发生，尤其对于裂缝发育的地层，则会更进一步加剧井漏发生的概率，对储层保护不利。同等情况下，钻井液密度过高还会使机械钻速降低，影响钻井时效。因此上世纪钻井领域提出了近平衡钻井的概念，近些年有提出了控压钻井的理念，其中，井底钻井液密度大小成为关键。

由于受温度和压力影响，井底钻井液密度与井口钻井液密度存在一定差异，尤其在深井、超深井中更是如此。目前，井底钻井液密度确定一般有两种方法，一个是测量的方法，另一个是预测的方法。通过仪器测量井底钻井液密度，中国专利ZL01131019.7公开了一种确定钻井液密度的方法及控制钻井液密度的设备就是其中一种。但这种方法需费购置或者租赁相关设备，聘请专业人员操作，仪器还需要下到井底进行测量，费时费力，各种成本较高，推广受到很大限制。于是一些研究人员提出了预测的方法：高温高压条件下钻井液当量静态密度预测模型（赵胜英，鄢捷年等发表于《石油钻探技术》第37卷第3期），高温深井钻井液当量循环密度预测模型（赵胜英，鄢捷年等发表于《钻井液与完井液》第26卷第2期），水基钻井液高温高压密度特性研究（王贵，蒲晓林等发表于《石油钻采工艺》第30卷第3期），但以上预测方法存在缺陷，主要体现在两个方面：一是都需要配置高温高压钻井液测量设备，由于设备购置成本高，每个井队配置的可能性很小，再者，这种设备因为高温高压，操作风险很高，要求严格。二是钻井液预测模型复杂，需要对配置好的钻井液进行多次测量，然后进行大量的数据拟合，求其经验系数，求解模型经验系数的过程也非常复杂。因此，这种做法在有实验条件的实验室可以使用，但在钻井现场几乎无法推广使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种水基钻井液井底密度静态预测方法，以解决现有方法难于操作、推广应用的问题。

为实现上述目的，本发明的水基钻井液井底密度静态预测方法步骤包括如下：

（1）利用邻井测井资料计算邻井的地温梯度作为被测井的地温梯度；

（2）根据被预测井的地温梯度计算垂深对应的温度值；

（3）测量被预测井的地面温度；

（4）测量被预测井井口钻井液密度值；

（5）测量被预测井钻井液固相含量；

（6）根据步骤（2）至（5）的值及相邻垂深之间钻井液温度、压力和密度之间的关系，递推求得井底钻井液静态密度。

所述步骤（1）邻井测井资料中包括地面温度、垂深序列及垂深序列对应的温度值，地温梯度的计算公式为：T(H_j)=T_ground+GH_j，其中T(H_j)表示邻井垂深为H_j时的温度，T_ground表示邻井地面温度，G表示邻井的地温梯度，H_j表示邻井的垂深，j表示邻井垂深序列，是自然数。

所述步骤（3）是利用温度计测量被测井的地面温度。

所述步骤（4）是利用钻井液密度仪测量钻井液密度。

所述步骤（5）是利用固相含量测定仪测量钻井固相含量。

所述步骤（6）中井底钻井液静态密度是通过如下递推公式得到：

P(H_i)=ρ_w(H_i-1)gH_i

T(H_i)=T_ground0+GH_i

ρ_w(H_i)=C₁exp{C₂[T(H_i)-T₀]+C₃[T(H_i)-T₀]²+C₄[P(H_i)-P₀]+C₅[P(H_i)-P₀]²+C₆[(T(H_i)-T₀)(P(H_i)-P₀)]}

$\mathrm{\ρ}\left(H_i\right)=\mathrm{\ξ}\frac{\mathrm{\ρ}\left(H_0\right)}{1+\mathrm{\λ}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w\left(H_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_w\left(H_i\right)}-1)}$

式中：g——重力加速度，取9.81m/s²；

ξ——校正系数，取0.97-1.03；

i——被预测井垂深序列号，正整数；

T_ground0——被预测井地面温度，℃；

P₀——标准大气压，取0.101325MPa；

P(H₀)——等于P₀，表示被预测井垂深为0时钻井液液柱所受压力；

P(H_i)——被预测井垂深是H_i时钻井液液柱压力，MPa；

ρ(H₀)——被预测井地面钻井液密度；g/cm³；

ρ(H_i)——被预测井垂深是H_i时钻井液密度，g/cm³；

ρ_w(H_i)——被预测井垂深H_i时液相水密度，kg/m³；

T₀——常温温度，取15℃；

λ——被预测井钻井液固相含量，%；

C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆是液相水的特性参数，C₁=999.10；C₂=-0.3571024×10^-3；C₃=-0.206368×10^-5；C₄=0.471137×10^-3；C₅=-0.860420×10^-6；C₆=0.892173×10^-6。

本发明的水基钻井液井底密度静态预测方法，基于两邻近井地温梯度相同，先根据邻井的测井资料求得邻井的地温梯度以作为被测井的地温梯度，再求得被测井各垂深对应的温度值，然后分别测量地面温度、对应垂深的钻井液密度及钻井液固相含量，最后根据相邻垂深之间钻井液温度、压力和密度之间的关系，递推求得井底钻井液静态密度，实现对井底钻井液密度的预测；本发明的方法使用常见的温度计密度仪和固相含量测量仪实现对井底钻井液密度的预测，非常易于实现和现场推广应用，对于实现近平衡钻井、储层保护和提高钻井效率具有非常重要的意义。

附图说明

图1是实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合实例对本水基钻井液井底密度静态预测方法进行详细说明。如图1所示，水基钻井液井底密度静态预测方法的具体步骤如下：

步骤一：利用邻井测井资料计算邻井的地温梯度作为被测井的地温梯度；邻井测井资料中包括地面温度、垂深序列及垂深序列对应的温度值，地温梯度的计算公式为：T(H_j)=T_ground+GH_j，其中T(H_j)表示邻井垂深为H_j时地层温度，因为和钻井液热交换，钻井液在这个垂深的温度和地层是一样的，T_ground表示邻井地面温度，G表示邻井的地温梯度，H_j表示邻井的垂深，j表示邻井垂深序列，是自然数。

步骤二：根据步骤（1）得到的被预测井的地温梯度计算垂深对应的温度值，得到井眼温度分布；

步骤三：利用温度计测量被测井的地面温度；

步骤四：利用钻井液密度仪测量泥浆罐入口密度，泥浆罐就是钻井井场存放钻井液的“容器”，一般是3-5个，每个罐大约30-50方，钻井液通过泥浆罐出口，利用钻井液泵，泵入钻井管柱，直至钻头（也就是井底），然后到环空，返回地面，流入泥浆罐，形成一个“闭路”循环系统。现场一般管钻井液成为泥浆，钻井液入口密度，就是从这个泥浆罐中取出的；

步骤五：利用固相含量测定仪测量泥浆罐入口钻井液固相含量；本预测方法是预测静态密度，固井含量被认为是常量，数值不变；

步骤六：根据步骤一至步骤五数据，对井底钻井液密度是通过如下递推公式进行预测，预测模型如下：

P(H_i)=ρ_w(H_i-1)gH_i

T(H_i)=T_ground0+GH_i

ρ_w(H_i)=C₁exp{C₂[T(H_i)-T₀]+C₃[T(H_i)-T₀]²+C₄[P(H_i)-P₀]+C₅[P(H_i)-P₀]²+C₆[(T(H_i)-T₀)(P(H_i)-P₀)]}

$\mathrm{\ρ}\left(H_i\right)=\mathrm{\ξ}\frac{\mathrm{\ρ}\left(H_0\right)}{1+\mathrm{\λ}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w\left(H_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_w\left(H_i\right)}-1)}$

式中：式中：g——重力加速度，取9.81m/s²；

ξ——校正系数，取0.97-1.03；

i——被预测井垂深序列号，正整数；

T_ground0——被预测井地面温度，℃；

P₀——标准大气压，取0.101325MPa；

P(H₀)——等于P₀，表示被预测井垂深为0时钻井液液柱所受压力；

P(H_i)——被预测井垂深是H_i时钻井液液柱压力，MPa；

ρ(H₀)——被预测井地面钻井液密度；g/cm³；

ρ(H_i)——被预测井垂深是H_i时钻井液密度，g/cm³；

ρ_w(H_i)——被预测井垂深H_i时液相水密度，kg/m³；

T₀——常温温度，取15℃；

λ——被预测井钻井液固相含量，%；

C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆是液相水的特性参数，C₁=999.10；C₂=-0.3571024×10^-3；C₃=-0.206368×10^-5；C₄=0.471137×10^-3；C₅=-0.860420×10^-6；C₆=0.892173×10^-6。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.水基钻井液井底密度静态预测方法，其特征在于，该方法的步骤包括如下：

(1)利用邻井测井资料计算邻井的地温梯度作为被预测井的地温梯度；

(2)根据被预测井的地温梯度计算垂深对应的温度值；

(3)测量被预测井的地面温度；

(4)测量被预测井井口钻井液密度值；

(5)测量被预测井钻井液固相含量；

(6)根据步骤(2)至(5)的值及相邻垂深之间钻井液温度、压力和密度之间的关系，递推求得被预测井井底钻井液静态密度；

所述步骤(1)邻井测井资料中包括地面温度、垂深序列及垂深序列对应的温度值，地温梯度的计算公式为：T(H_j)＝T_ground+GH_j，其中T(H_j)表示邻井垂深为H_j时的地层温度，T_ground表示邻井地面温度，G表示邻井的地温梯度，H_j表示邻井的垂深，j表示邻井垂深序列号，是自然数；

所述步骤(6)中井底钻井液静态密度是通过如下递推公式得到：

P(H_i)＝ρ_w(H_i-1)gH_i

T(H_i)＝T_ground0+GH_i

ρ_w(H_i)＝C₁exp{C₂[T(H_i)-T₀]+C₃[T(H_i)-T₀]²+C₄[P(H_i)-P₀]+C₅[P(H_i)-P₀]²+C₆[(T(H_i)-T₀)(P(H_i)-P₀)]}

$\mathrm{\ρ}\left(H_i\right)=\mathrm{\ξ}\frac{\mathrm{\ρ}\left(H_0\right)}{1+\mathrm{\λ}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w\left(H_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_w\left(H_i\right)}-1)}$

式中：g——重力加速度，取9.81m/s2；

ξ——校正系数，取0.97-1.03；

i——被预测井垂深序列号，正整数；

T_ground0——被预测井地面温度，℃；

P₀——标准大气压，取0.101325MPa；

P(H₀)——等于P₀，表示被预测井垂深为0时钻井液液柱所受压力；

P(H_i)——被预测井垂深是H_i时钻井液液柱压力，MPa；

ρ(H₀)——被预测井地面钻井液密度；g/cm³；

ρ(H_i)——被预测井垂深是H_i时钻井液密度，g/cm³；

ρ_w(H_i)——被预测井垂深H_i时液相水密度，kg/m³；

T₀——常温温度，取15℃；

λ——被预测井钻井液固相含量，％；

C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆是液相水的特性参数，

C₁＝999.10；C₂＝-0.3571024×10^-3；C₃＝-0.206368×10^-5；C₄＝0.471137×10^-3；

C₅＝-0.860420×10^-6；C₆＝0.892173×10^-6。

2.根据权利要求1所述的水基钻井液井底密度静态预测方法，其特征在于：所述步骤(3)是利用温度计测量被预测井的地面温度。

3.根据权利要求1所述的水基钻井液井底密度静态预测方法，其特征在于：所述步骤(4)是利用钻井液密度仪测量被预测井的钻井液密度。

4.根据权利要求1所述的水基钻井液井底密度静态预测方法，其特征在于：所述步骤(5)是利用固相含量测定仪测量被预测井钻井液固相含量。