CN104213906A - 一种钻井井筒压力校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井井筒压力校正方法，该方法包括：利用井下压力随钻测量工具测量井底压力；计算预测的井底压力；利用测量的井底压力以及预测的井底压力校正钻井井筒压力以实现控压钻井。本发明弥补了现有技术中钻井井筒压力计算处理方法与井下实际压力误差较大的不足，并能够更加快速精确地实时计算钻井井筒压力，从而实现在窄密度窗口地层井筒动态压力的准确计算、实时校正与控制，达到良好的井底压力控制要求，保障安全快速钻井的需求。

Description

一种钻井井筒压力校正方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体地，涉及一种钻井井筒压力校正方法。

背景技术

在石油、天然气钻进的过程中，为了防止井漏、井涌、井壁失稳、卡钻等复杂事故，对井筒压力的计算和控制变得非常重要。目前气液两相流理论是石油钻井井筒气液两相流模拟计算的理论基础之一，其通过划分不同的流型来建立气液两相连续性方程、动量方程以模拟流动状态，但是不同的计算方法误差较大，精度难以满足压力敏感地层精细控压钻井井筒动态压力计算的需求。

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广泛地应用，但是目前尚无对控压钻井压力进行实时控制的技术方案，以满足对石油、天然气钻井井筒动态压力快速和精确计算的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻井井筒压力校正方法，以更加快速精确地实时计算钻井井筒压力。

为了实现上述目的，本发明提供了一种钻井井筒压力校正方法，其特征在于，该方法包括：利用井下压力随钻测量工具测量井底压力；计算预测的井底压力；利用测量的井底压力以及预测的井底压力校正钻井井筒压力以实现控压钻井。

优选地，按照下式计算预测的井底压力：P_b(t)＝P_h(t)+P_f(t)+P_w(t)；其中P_b(t)为t时刻的井底压力，P_h(t)为t时刻的静液柱压力，P_f(t)为t时刻的环空压耗，P_w(t)为t时刻的井口回压。

优选地，P_h(t)＝ρ_mix(t)gH(t)，其中m_g(t)为t时刻的钻井井筒环空中气体质量，m_l(t)为t时刻的环空液体质量，V(t)为t时刻的环空体积，g为重力加速度,H(t)为t时刻的实际钻井深度。

优选地， $P_f\left(t\right)=f\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\left(t\right)H\left(t\right)v_{\mathrm{mix}}^2\left(t\right)}{{2D}_a},$ 其中 $v_{\mathrm{mix}}\left(t\right)=\frac{Q_{\mathrm{mix}}\left(t\right)}{A},$ Q_mix(t)为t时刻的质量流量计测量值，A为环空过流面积，D_a为水力直径，f为摩阻系数。

优选地，P_w(t)＝P_w0-ΔP_h(t)+ΔP_safe，其中ΔP_safe为安全附加压力值，P_w0为未发生溢流时井口回压，ρ_l为环空液体密度，ρ_g为平均压力为[(P_b-P_w)/2，(P_b+P_w)/2])的情况下的气体密度,V为发生溢流时环空体积，H为发生溢流时井深，q_g(t)为t时刻的溢流速度，P_b为控压钻井设计时预设的井底压力，P_w为在控压钻井井口回压安全范围的压力值，H为当前井深，V为当前井深对应环空体积。

优选地，利用测量的井底压力以及预测的井底压力校正钻井井筒压力以实现控压钻井包括根据下式校核环空压耗以实现控压钻井： 其中P′_f(t)＝P_f(t)-ΔP(t)，ΔP(t)＝P_b(t)-P_pwd(t)，P_f(t)_new为校核的t时刻的环空压耗，P_pwd(t)为测量的t时刻的井底压力。

优选地，利用测量的井底压力以及预测的井底压力校正钻井井筒压力以实现控压钻井包括根据下式校核井口回压以实现控压钻井：P′_w(t)＝P′_b(t)-P_h(t)-P_f(t)；其中，P′_w(t)为校核的t时刻的井口回压，P′_b(t)＝αP_b(t)。

优选地，该方法还包括控制节流阀开度以使环空压耗达到校核的环空压耗或使井口回压达到校核的井口回压。

本发明弥补了现有技术中钻井井筒压力计算处理方法与井下实际压力误差较大的不足，并能够更加快速精确地实时计算钻井井筒压力，从而实现在窄密度窗口地层井筒动态压力的准确计算、实时校正与控制，达到良好的井底压力控制要求，保障安全快速钻井的需求。

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是钻井井筒压力分布示意图；

图2是本发明提供的井筒动态压力校正流程图。

附图标记说明

10    泥浆泵            12    节流阀

14    质量流量计

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。

本发明以井筒气液两相流动理论为基础，根据质量及压力守恒基本原理来校正钻井井筒压力。

图1示出钻井井筒压力分布示意图。在该示意图中，泥浆泵10将钻井循环液泵入井中，环空中的循环液会通过节流阀12和质量流量计14进入泥浆罐。考虑到地层是出水或液体的情况，与循环钻井液密度相差不大，钻井井筒压力变化较为缓慢，控压钻井相对较为容易，所以不考虑出水或其它流体的情况，仅考虑地层是出气的情况，进行控压钻井的井筒压力计算。

在进行钻井井筒压力校正的过程中，可以针对不同的情况采用不同的校正方式，本发明主要采用两种校正方式，一种方式是校核环空压耗，另一种方式是校核井口回压。下面详细说明如何根据质量及压力守恒基本原理来进行井筒压力校正。

根据质量守恒原理，在一个稳定的钻井液循环系统、没有流体输入、也没有流体输出、也没有额外的能量交换的情况下，可认为质量平衡。在质量平衡的情况下，必然意味着能量平衡，也即压力平衡。在质量不平衡的情况下，能量就会失去平衡，从而压力也不会平衡。根据质量守恒原理，总的钻井液体积＝钻具水眼体积+井筒环空体积+泥浆罐体积＝常量。钻具在一定时间段内可认为保持不变，那么钻具水眼体积相对不变，因此可以认为：井筒环空体积+泥浆罐体积＝常量。

在不考虑流体加速运动，则根据压力守恒原理，井底压力为：

P_b(t)＝P_h(t)+P_f(t)+P_w(t)    (1)

式中：

P_b(t)：t时刻的井底压力；

P_h(t)：t时刻的静液柱压力；

P_f(t)：t时刻的环空压耗；

P_w(t)：t时刻的井口回压(即节流阀前压力)。

需要注意的是，由于地层中气体注入井底，然后沿环空上返，需要考虑气体压缩性。静液柱压力变化也是由于混合物密度的变化。P_b(t)可以通过模型计算、预测，P_w(t)可以通过压力传感器之类的设备实时测量。

静液柱压力和环空压耗计算如下：

P_h(t)＝ρ_mix(t)gH(t)    (2)

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\left(t\right)=\frac{m_g\left(t\right)+m_l\left(t\right)}{V\left(t\right)}---\left(3\right)$

式中，ρ_mix(t)为t时刻的井筒内混合流体的密度；H(t)为t时刻的实际钻井深度；m_g(t)为t时刻的井筒环空中气体质量；m_l(t)为t时刻的环空液体质量；V(t)：t时刻的环空体积，可由井身结构及裸眼段直径及入井钻柱体积求得。

m_g(t)＝ρ_gV_g，其中ρ_g：为平均压力为[(P_b-P_w)/2，(P_b+P_w)/2])的情况下的气体密度。此时P_b为控压钻井设计时预设的井底压力，P_w要求在控压钻井井口回压安全范围，例如规定为[0，5]MPa。ρ_g也可以认为是常数。

V_g(t)为井下溢流量，可以按照下式计算：

$V_g\left(t\right)={\∫}_0^t{q}_g\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

q_g(t)为t时刻的溢流速度，可通过泥浆罐液面测量得到。

m_l＝ρ_l(V(t)-V_g(t))    (5)

当发生溢流或者漏失等特殊工况时，将不会继续钻进，要求在当前深度条件下处理完毕再继续钻进，此时的V(t)和H(t)都是当前井深对应环空体积及井深V和H，其中ρ_l为钻井液密度。公式(2)对时间t进行求导：

$\frac{{\mathrm{dp}}_h\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\frac{({\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g)q_g\left(t\right)}{V}\mathrm{gH}---\left(6\right)$

环空压耗由下式计算：

$P_f\left(t\right)=f\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}H\left(t\right)v_{\mathrm{mix}}^2\left(t\right)}{{2D}_a}---\left(7\right)$

$V_{\mathrm{mix}}\left(t\right)=\frac{Q_{\mathrm{mix}}\left(t\right)}{A}---\left(8\right)$

Q_mix(t)：t时刻的质量流量计测量值(体积流量)

A：环空过流面积

D_a：水力直径，

f：摩阻系数，可由下式计算：

$\frac{1}{\sqrt{f}}\≈-1.8\mathrm{lo}{g}_{10}[\frac{6.9}{\mathrm{Re}}+{\left(\frac{\∈/D_a}{3.7}\right)}^{1.11}]---\left(9\right)$

∈/D_a为相对粗糙度

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{v}_{\mathrm{mix}}\left(t\right)D_a}{\mathrm{\μ}}---\left(10\right)$

式中，μ为钻井液粘度，D_o是井筒直径，D_i井筒内钻具外径。

可以根据公式(6)判断钻井过程中静液柱压力变化。

井口回压计算如下：

P_w(t)＝P_w0-ΔP_h(t)+ΔP_safe    (11)

$\mathrm{\Δ}{P}_h\left(t\right)=-\frac{({\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g)V_g}{V}\mathrm{gH}---\left(12\right)$

式中：

ΔP_safe为安全附加压力值；

P_w0：未发生溢流时井口回压。

为了防止事故发生，可以通过PWD井下压力随钻测量工具采集的环空压力数据对如公式(1)-(10)所示水力计算模型进行实时校正，从而大幅度优化提高井筒动态压力计算模型的精度，优化后的水力计算模型可用于各种工况下的控压钻井井筒动态的水力参数实时计算。

如上所述，进行校核时可以采用环空压耗校核，也可以采用井口回压校核。一般来说，在可以得到PWD的信号时，采用环空压耗校核；在无法得到PWD信号时，采用井口回压校核。

环空压耗可以根据下式进行校核：

校核的环空压耗为： $P_f{\left(t\right)}_{\mathrm{new}}=f^{\′}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\left(t\right)H\left(t\right)v_{\mathrm{mix}}^2\left(t\right)}{{2D}_a}$

式中：

ΔP(t)＝P_b(t)-P_pwd(t)    (13)

P′_f(t)＝P_f(t)-ΔP(t)    (14)

则环空摩阻系数校核系数为：

$f^{\′}=\frac{P_f^{\′}\left(t\right)}{P_f\left(t\right)}\·f---\left(15\right)$

式中：

P_pwd(t)：t时刻PWD随钻压力测量工具测得的井底压力值；

ΔP(t)：计算的井底压力与PWD实测值的差值。

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\left(t\right)=\frac{m_g\left(t\right)+m_l\left(t\right)}{V\left(t\right)};$ H(t)为t时刻的实际钻井深度； $V_{\mathrm{mix}}\left(t\right)=\frac{Q_{\mathrm{mix}}\left(t\right)}{A};$ Q_mix(t)为t时刻的质量流量计测量值(体积流量)；A为环空过流面积；D_a为水力直径。

井口回压可以根据下式进行校核：

校核的井底压力：P′_b(t)＝αP_b(t)    (16)

校核的井口回压为：P′_w(t)＝P′_b(t)-P_h(t)-P_f(t)    (17)

式中：

$\mathrm{\α}=\frac{P_{\mathrm{pwd}}\left(t\right)}{P_b\left(t\right)}---\left(18\right)$

α：为PWD实测压力值与t时刻的井底压力计算值的比值；可以根据井口压力对节流阀进行控制。

图2示出了本发明提供的井筒动态压力校正的一种实施方式。在该实施例中，为了便于理解，增加了现有技术中存在的前三个步骤。如图2所示，在校正过程中，先获取钻井井筒压力计算的基本参数，例如包括已知井身结构，钻具组合及尺寸，钻井液密度、性能等非实时测量参数，以及井底压力、井口回压、钻井液流量、钻井液循环罐体积变化等实时动态获取的测量参数。然后可以确定控压钻井的边界条件，例如边界条件根据控压钻井应急工艺要求可以为井口回压上限5-7MPa、硫化氢小于20ppm并且溢流量不超过1m³，然后可以根据井筒动态流动方程(即水力计算模型)，计算井底压力和环空压耗。接着可以根据本发明提供的技术方案来校核环空压耗或者井口压力，并利用校核的环空压耗或者井口压力来修正井筒动态压力计算模型，根据该模型进行控压钻井，即以校核的环空压耗或者井口压力为目标值，通过井口节流管汇系统控制节流阀开度，调整井口回压，精确控制井底压力。还可以根据计算出的井底压力和实测井底压力进行误差比对，进而调整水力计算模型中的环空校核系数。

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 (8)

1.一种钻井井筒压力校正方法，其特征在于，该方法包括：

利用井下压力随钻测量工具测量井底压力；

计算预测的井底压力；

利用测量的井底压力以及预测的井底压力校正钻井井筒压力以实现控压钻井。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下式计算预测的井底压力：

P_b(t)＝P_h(t)+P_f(t)+P_w(t)；

其中P_b(t)为t时刻的井底压力，P_h(t)为t时刻的静液柱压力，P_f(t)为t时刻的环空压耗，P_w(t)为t时刻的井口回压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，P_h(t)＝ρ_mix(t)gH(t)，其中m_g(t)为t时刻的钻井井筒环空中气体质量，m_l(t)为t时刻的环空液体质量，V(t)为t时刻的环空体积，g为重力加速度,H(t)为t时刻的实际钻井深度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中Q_mix(t)为t时刻的质量流量计测量值，A为环空过流面积，D_a为水力直径，f为摩阻系数。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，P_w(t)＝P_w0-ΔP_h(t)+ΔP_safe，其中ΔP_safe为安全附加压力值，P_w0为未发生溢流时井口回压，ρ_l为环空液体密度，ρ_g为平均压力为[(P_b-P_w)/2，(P_b+P_w)/2])的情况下的气体密度,V为发生溢流时环空体积，H为发生溢流时井深，q_g(t)为t时刻的溢流速度，P_b为控压钻井设计时预设的井底压力，P_w为在控压钻井井口回压安全范围的压力值，H为当前井深，V为当前井深对应环空体积。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用测量的井底压力以及预测的井底压力校正钻井井筒压力以实现控压钻井包括根据下式校核环空压耗以实现控压钻井：

$P_f{\left(t\right)}_{\mathrm{new}}=f^{\′}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\left(t\right)H\left(t\right)v_{\mathrm{mix}}^2\left(t\right)}{{2D}_a};$

其中P＇_f(t)＝P_f(t)-ΔP(t)，ΔP(t)＝P_b(t)-P_pwd(t)，P_f(t)_new为校核的t时刻的环空压耗，P_pwd(t)为t时刻测量的井底压力。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用测量的井底压力以及预测的井底压力校正钻井井筒压力以实现控压钻井包括根据下式校核井口回压以实现控压钻井：

P′_w(t)＝P′_b(t)-P_h(t)-P_f(t)；

其中，P′_w(t)为校核的t时刻的井口回压，P′_b(t)＝αP_b(t)。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，该方法还包括控制节流阀开度以使环空压耗达到校核的环空压耗或使井口回压达到校核的井口回压。