CN104213830B - 用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法，该方法包括：根据钻井液出口流量Qout和入口流量Qin确定井下条件；在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井，或在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井。本发明可以解决窄安全密度窗口(例如零安全密度窗口)地层易发生井下复杂问题(例如，溢流或漏失)，有效钻达到目标深度，提高了对储层地质认识水平和整个钻井过程的安全性。

Description

用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体地，涉及一种用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法。

背景技术

钻井安全密度窗口是指钻井过程中不造成喷、漏、塌、卡等钻井事故，能维持井壁稳定的钻井压力(密度)范围。当井底压力低于地层压力时，地层流体会进入井筒，形成溢流；当井底压力高于破裂压力或漏失压力时，井筒钻井液流入地层，形成井漏，因此在钻井过程中，井底压力应控制在地层压力和破裂压力密度窗口内。

随着勘探开发不断向深部复杂地层，窄安全密度窗口问题越来越突出，甚至出现零安全密度窗口，即地层压力和漏失压力几乎相同。钻井过程中表现为稍微增加井底压力就会发生井漏，稍微降低井底压力就会发生溢流，接单根和起下钻过程形成的井下压力波动，会造成难以解决的井下复杂，对钻进带来巨大考验。

为了避免事故的发生，控压钻井的钻井方法已经在石油和天然气钻探领域得到应用，有效的维持钻井过程中井底压力的恒定，解决了因为压力波动引起的井下复杂问题的发生。但是对于近似零密度窗口(窄窗口)，井底表现出强烈的溢流和漏失现象，对现有的控压钻井井筒压力的控制带来困难。例如，塔里木油田塔中碳酸盐岩地层属于典型的零密度窗口类型地层，进行控压钻井过程中多口井发生溢流或井漏事故，导致控压钻井过程中多次进行常规井控操作，严重影响了控压钻井在窄安全密度窗口地层中的应用。即现有技术中缺少一种用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法以及系统。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法，该方法包括：根据钻井液出口流量Q_out和入口流量Q_in确定井下条件；在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井，或在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井。

优选地，在所述钻井液出口流量Q_out大于所述入口流量Q_in且Q_out-Q_in在第一预定范围的情况下，判断井下条件为欠平衡；在所述钻井液出口流量Q_out小于所述入口流量Q_in且Q_in-Q_out在第二预定范围的情况下，判断井下条件为过平衡。

优选地，在判断井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井包括：

(a)根据下列公式(1)计算当前时刻的井底压力P_wf'：

P_wf'＝P_a'+P_h'-P_f'公式(1)

其中P_wf'为当前时刻的井底压力，单位为MPa；P_a'为当前时刻的实际井口回压，单位为MPa；P_h'为当前时刻的井筒内静液柱压力，单位为MPa；P_f'为当前时刻的两相流在井筒内的摩阻，单位为MPa；

(b)根据下列公式(2)计算下一时刻所需的井底压力P_wf：

$P_{\mathrm{wf}}=\sqrt{P_e^2-\frac{C}{h_i}}$ 公式(2)

其中h_i为下一时刻的储层深度数据，单位为m；P_e为地层压力，单位为MPa；Q_sc为气体流量，单位为m³/s；r_e为储层远边界半径，单位为m；r_w为井眼半径，单位为m；T为地层温度，单位为摄氏度；μ为气体粘度，单位为厘泊；Z为气体压缩系数；S为表皮因子；K为地层渗透率，单位为达西；

(c)根据下列公式(3)计算下一时刻的理论井口回压P_a：

P_a＝P_wf-P_h+P_f公式(3)

其中P_wf为下一时刻所需的井底压力，单位为MPa；P_a为下一时刻的理论井口回压，单位为MPa；P_h为下一时刻的井筒内静液柱压力，单位为MPa；P_f为下一时刻的两相流在井筒内的摩阻，单位为MPa；

(d)将当前时刻的实际井口回压P_a'调节到下一时刻的理论井口回压P_a，以使得气体流量Q_sc保持不变。

优选地，该方法还包括：

(e)根据泥浆池增量值判断在井下条件为欠平衡的情况下，井下条件是否处于稳定状态；

(f)在泥浆池增量值不在第三预定范围的情况下，判断井下条件处于不稳定状态，并增大井口回压直至泥浆池增量值保持在所述第三预定范围内；在泥浆池增量值在第三预定范围的情况下，判断井下条件处于稳定状态，进行欠平衡控压钻井。

优选地，在判断井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井包括：通过调节井口回压以及控压钻井液泵排量中的至少一者使井筒钻井液的漏速值保持在预定漏速范围。

采用本发明的用于窄安全密度窗口(例如，零安全密度窗口)地质条件的控压钻井方法，可以首先根据钻井液出口流量和入口流量确定井下条件，之后根据确定的井下条件进行相应的控压钻井，例如，在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井能够实现零安全密度窗口地层钻进的同时大幅度提高钻速、发现储层以及减少对储层的伤害、提高水平井段的延伸能力；或者在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井能够控制一定漏失的情况下，快速通过高漏失段，在较少的漏失量下快速通过零安全密度窗口地层，从而达到延长水平井段长度的目的，也减少了钻井液漏失量。即本发明所提供的用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法可以提高了对储层地质认识水平和整个钻井过程的安全性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一种实施方式的示例用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法的流程图；

图2是根据本发明的一种实施方式的在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井的井口回压与井底压力变化的示例图；以及

图3是根据本发明的一种实施方式的在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井的控压钻井液泵排量与井筒钻井液的漏速值关系的示例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

考虑到窄安全密度窗口(尤其是零安全密度窗口)地质条件易发生井下条件复杂，很难钻至目标深度，本发明提供了一种用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法，图1是根据本发明的一种实施方式的示例用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法的流程图，如图1所示，本发明提供了一种用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法，该方法包括如下步骤：

在步骤1001，根据钻井液出口流量Q_out和入口流量Q_in确定井下条件；

在步骤1002，在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井，或在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井。

具体来说，根据钻井液出口流量Q_out和入口流量Q_in确定井下条件(步骤1001)的具体过程如下：

根据本发明的一种实施方式，可以通过控压钻井节流橇安装科里奥利流量计来测量钻井液出口流量的变化，优选地，在测量的钻井液出口流量Q_out大于所述入口流量Q_in且Q_out-Q_in在第一预定范围(例如在0-1m³/h，该范围适用于6000米井深的情况，随着深度增加和减小，该第一预定范围可以进行适当地调整，本发明对此不进行限定)的情况下，判断井下条件为欠平衡，即井下发生溢流；或者，在测量的钻井液出口流量Q_out小于所述入口流量Q_in且Q_in-Q_out在第二预定范围(例如0-10m³/h，该范围适用于6000米井深的情况，随着深度增加和减小，该第二预定范围可以进行适当地调整，本发明对此不进行限定)的情况下，判断井下条件为过平衡，即井下发生漏失。

在步骤1002，在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井，或在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井的具体过程如下：

根据本发明的一种实施方式，在判断井下条件为欠平衡的情况下，即指在钻进储层时，保持井底压力始终小于地层压力，井底存在一个欠压值。地层气体进入钻井井筒，保持进入井筒中的气体恒定，从而维持欠平衡控压钻井稳定。根据达西定律可知，随着钻开储层的厚度不断增加，为保证进入井筒中的气体恒定(即需要气体流量Q_sc保持不变)，需要不断增加井口回压，来减少井底负压值，因此可以采用如下步骤来调节井口回压，具体过程如下：

(a)根据下列公式(1)计算当前时刻的井底压力P_wf'：

P_wf'＝P_a'+P_h'-P_f'公式(1)

其中P_wf'为当前时刻的井底压力，单位为MPa；P_a'为当前时刻的实际井口回压，单位为MPa；P_h'为当前时刻的井筒内静液柱压力，单位为MPa；P_f'为当前时刻的两相流在井筒内的摩阻，单位为MPa；

(b)根据下列公式(2)计算下一时刻所需的井底压力P_wf：

$P_{\mathrm{wf}}=\sqrt{P_e^2-\frac{C}{h_i}}$ 公式(2)

其中h_i为下一时刻的储层深度数据，单位为m；P_e为地层压力，单位为MPa；Q_sc为气体流量，单位为m³/s；r_e为储层远边界半径，单位为m；r_w为井眼半径，单位为m；T为地层温度，单位为摄氏度；μ为气体粘度，单位为厘泊；Z为气体压缩系数；S为表皮因子；K为地层渗透率，单位为达西；

(c)根据下列公式(3)计算下一时刻的理论井口回压P_a：

P_a＝P_wf-P_h+P_f公式(3)

其中P_wf为下一时刻所需的井底压力，单位为MPa；P_a为下一时刻的理论井口回压，单位为MPa；P_h为下一时刻的井筒内静液柱压力，单位为MPa；P_f为下一时刻的两相流在井筒内的摩阻，单位为MPa；

(d)将当前时刻的实际井口回压P_a'调节到下一时刻的理论井口回压P_a，以使得气体流量Q_sc保持不变。

其中，对于公式(1)、(2)、(3)中的参数(例如，当前时刻的实际井口回压P_a'、当前时刻的井筒内静液柱压力P_h'、当前时刻的两相流在井筒内的摩阻P_f'、下一时刻的井筒内静液柱压力P_h、下一时刻的两相流在井筒内的摩阻P_f等参数)均可以通过相应地测量设备获得(例如测量井口回压的设备可以测量当前时刻的实际井口回压P_a')或者根据现有技术中的计算方法(例如，通过地质资料和邻井参数)来计算获得，为了不混淆本发明的保护范围，在此不再赘述。

根据本发明的另一种实施方式，在溢流发生的情况下，由于钻井液出口流量Qout和所述入口流量Qin的计量可能不准确，因此在步骤(d)后可以进一步确定调整井口回压后的井下条件是否达到稳定状态，包括以下步骤：

(e)根据泥浆池增量值判断在井下条件为欠平衡的情况下，井下条件是否处于稳定状态；

(f)在泥浆池增量值不在第三预定范围(例如在1m³之内，该第三预定范围可以进行适当地调整，本发明对此不进行限定)的情况下，判断井下条件处于不稳定状态，并增大井口回压直至泥浆池增量值保持在所述第三预定范围内；在泥浆池增量值在第三预定范围的情况下，判断井下条件处于稳定状态，进行欠平衡控压钻井，即继续进行常规欠平衡控压钻井操作。

根据本发明的一种实施方式，在判断井下条件为过平衡的情况下，即指在钻进储层时，井筒钻井液保持一定的漏速。对于裂缝性碳酸盐岩地层，裂缝、溶洞发育，地层压力和漏失压力相同，钻井液易发生漏失。漏速大小和井底压力与地层压力的正压差大小成正比，正压差越大，漏速越大。由上述公式中井底压力、地层压力与井口回压的关系可知，可以通过调节井口回压以及控压钻井液泵排量中的至少一者来使井筒钻井液的漏速值保持在预定漏速范围(该范围可以进行适当地调整，本发明对此不进行限定)。

图2是根据本发明的一种实施方式的在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井的井口回压与井底压力变化的示例图；以及图3是根据本发明的一种实施方式的在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井的控压钻井液泵排量与井筒钻井液的漏速值关系的示例图。

下面结合图2和3描述应用本发明所提供的用于窄安全密度窗口(例如，零安全密度窗口)地质条件的控压钻井方法的钻井实例：

1、塔里木油田某井设计完钻井深5355m，设计水平段长998m，最大井斜角87.99°，钻井液密度1.16g/cm³，排量为10L/s，泵压20MPa，在4248～5355m井段处发生井漏和溢流复杂情况，钻井液安全密度窗口接近零安全密度窗口，采用本发明提供的控压钻井方法进行零安全密度控压钻进。由于地层为含气段储层，地层能量大，常规钻井中表现为易发生气侵，因此控压钻井采用欠平衡控压钻井。控压钻井过程中，需要保持井底处于稳定的欠平衡状态，由于此刻出口流量计无法正常反映真实钻井液流量，因此需要时刻关注泥浆池增量的变化。在钻进过程中，需要保持泥浆池增量值在1m³之内，泥浆池增量增加时，可以通过调节井口回压进行控制，如图2所示，通过采用该方法，成功实现零密度窗口地层的钻进，达到了预定目标层位。

2、大港油田某井设计完钻井深5191m，储层段为奥陶系，裂缝溶洞发育，周围有七口邻井在生产，可能造成一定的压力下降，容易发生漏失事故。在钻进储层段时，采用本发明提供的控压钻井方法。当钻至5123m，排量16L/s，质量流量计监测到钻井液漏失，降低井口回压，直到井口回压为零，流量计仍监测到漏失，出入口流量相差2L/s，如图3所示。通过改变钻井液泵排量来调节漏速，最终使钻井液泵排量为14L/s，漏速6.17m³/h保持微漏失钻至5182m完钻。

采用本发明的用于窄安全密度窗口(例如，零安全密度窗口)地质条件的控压钻井方法，可以首先根据钻井液出口流量和入口流量确定井下条件，之后根据确定的井下条件进行相应的控压钻井，例如，在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井能够实现零安全密度窗口地层钻进的同时大幅度提高钻速、发现储层以及减少对储层的伤害、提高水平井段的延伸能力；或者在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井能够控制一定漏失的情况下，快速通过高漏失段，在较少的漏失量下快速通过零安全密度窗口地层，从而达到延长水平井段长度的目的，也减少了钻井液漏失量。即本发明所提供的用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法可以提高了对储层地质认识水平和整个钻井过程的安全性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (3)

1.一种用于窄安全密度窗口地质条件的控压钻井方法，其特征在于，该方法包括：

根据钻井液出口流量Q_out和入口流量Q_in确定井下条件；

在井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井，或在井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井，

其中，在所述钻井液出口流量Q_out大于所述入口流量Q_in且Q_out-Q_in在第一预定范围的情况下，判断井下条件为欠平衡；在所述钻井液出口流量Q_out小于所述入口流量Q_in且Q_in-Q_out在第二预定范围的情况下，判断井下条件为过平衡；以及在判断井下条件为欠平衡的情况下进行欠平衡控压钻井包括：

(a)根据下列公式(1)计算当前时刻的井底压力P_wf'：

P_wf'＝P_a'+P_h'-P_f'公式(1)

其中P_wf'为当前时刻的井底压力，单位为MPa；P_a'为当前时刻的实际井口回压，单位为MPa；P_h'为当前时刻的井筒内静液柱压力，单位为MPa；P_f'为当前时刻的两相流在井筒内的摩阻，单位为MPa；

(b)根据下列公式(2)计算下一时刻所需的井底压力P_wf：

$P_{wf}=\sqrt{P_e^2-\frac{C}{h_i}}$ 公式(2)

其中h_i为下一时刻的储层深度数据，单位为m；P_e为地层压力，单位为MPa；Q_sc为气体流量，单位为m³/s；r_e为储层远边界半径，单位为m；r_w为井眼半径，单位为m；T为地层温度，单位为摄氏度；μ为气体粘度，单位为厘泊；Z为气体压缩系数；S为表皮因子；K为地层渗透率，单位为达西；

(c)根据下列公式(3)计算下一时刻的理论井口回压P_a：

P_a＝P_wf-P_h+P_f公式(3)

其中P_wf为下一时刻所需的井底压力，单位为MPa；P_a为下一时刻的理论井口回压，单位为MPa；P_h为下一时刻的井筒内静液柱压力，单位为MPa；P_f为下一时刻的两相流在井筒内的摩阻，单位为MPa；

(d)将当前时刻的实际井口回压P_a'调节到下一时刻的理论井口回压P_a，以使得气体流量Q_sc保持不变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

(e)根据泥浆池增量值判断在井下条件为欠平衡的情况下，井下条件是否处于稳定状态；

(f)在泥浆池增量值不在第三预定范围的情况下，判断井下条件处于不稳定状态，并增大井口回压直至泥浆池增量值保持在所述第三预定范围内；在泥浆池增量值在第三预定范围的情况下，判断井下条件处于稳定状态，进行欠平衡控压钻井。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在判断井下条件为过平衡的情况下进行过平衡控压钻井包括：通过调节井口回压以及控压钻井液泵排量中的至少一者使井筒钻井液的漏速值保持在预定漏速范围。