CN106150489A - 一种地层承压能力动态测试方法及固井方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地层承压能力动态测试方法及固井方法，属于钻、固井技术领域。本发明首先在钻井液出、入口性能一致时，采集井口压力；然后根据采集到的井口压力、以及环空和套管尺寸参数计算钻井液在环空各井段内产生的循环动摩阻；最后根据环空井眼尺寸和计算得到的循环动摩阻计算作用在该层位的动液柱压力，即得到地层承压能力。本发明利用钻井液在由套管与环空组成的循环通道内产生的循环动摩阻，与钻井液静液柱压力共同作用在地层上，通过调整循环排量改变循环动摩阻大小，实现对不同层位的承压能力进行测试。本发明的测试方法更直接有效，尤其在地层承压能力与地层压力之间“窗口”较窄的井内应用更为有效。

Description

一种地层承压能力动态测试方法及固井方法

技术领域

本发明涉及一种地层承压能力动态测试方法及固井方法，属于钻、固井技术领域。

背景技术

在石油工业油气井建井过程中，普遍面临着复杂的漏失问题。固井漏失不仅造成水泥封固段长不够，而且影响顶替效率提高，导致固井质量差，不利于油气井继续钻进，给淡水层保护以及油气井增产改造安全实施均带来隐患，主要是由地层承压能力低造成的。地层承压能力是油气井固井设计与施工中重要参数，但针对该参数的研究基本停留在定性半定量描述阶段。

目前，关于地层承压能力的确定，主要局限于某类漏失机理，根据岩石力学原理，建立地层漏失压力理论计算模型。但造成地层漏失的原因多、机理复杂，理论模型适用范围有限，而且其中基础参数测量与处理的准确性有待提高，计算结果只能作为地层承压能力的参考，而难以指导固井浆柱结构与注替浆排量的设计。此外，现有技术的地层承压能力确定方法在地层承压能力与地层压力之间“窗口”较小的低压易漏失中应用效果差；或者现场操作复杂，形成了较高的时间和经济成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种地层承压能力动态测试方法及固井方法，以解决目前所计算出的地层承压能力准确性低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种地层承压能力动态测试方法，该测试方法包括以下步骤：

1)在套管入井后，利用泥浆泵进行顶通，保持循环排量不变，逐渐将井内的钻井液循环出井，在钻井液稠浆完全返出井口后，逐渐提高循环排量，检测出、入口钻井液性能；

2)当钻井液出、入口性能一致后，改变泥浆泵排量，并采集该排量下的井口压力；

3)根据采集到的井口压力、以及环空和套管尺寸参数计算钻井液在环空各井段内产生的循环动摩阻；

4)根据环空井眼尺寸和计算得到的循环动摩阻计算作用在该层位的动液柱压力，该动液柱压力即为所求的地层承压能力。

井口压力与循环动摩阻的关系如下：

$Pf=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_j+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_k=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_A{A}_j+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_A{A}_k$

$A_j=\frac{L_j}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{(D_j-D_e)}^3{(D_j+D_e)}^{1.8}}$

$A_k=\frac{L_k}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{D_k}^{4.8}}$

其中Pf为钻井液循环时采集到的井口压力；Pf_j为钻井液在井径D_j、段长L_j环空内的摩阻；Pf_k为钻井液在套管内径D_k、段长L_k套管内的摩阻；Pf_A为长度L、井径D_w的环空内钻井液产生的循环动摩阻；A_j和A_k分别为环空与套管系数，D_e为套管外径。

地层承压能力的计算公式为：

${\mathrm{Pf}}_o=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pf}}_j+\frac{{\mathrm{Pf}}_n}{L_n}\×L_o$

其中，Pf_o为测试目标地层的地层承压能力；n为测试目标地层所在的井段序列数；j为井段序列；Pf_n为作用在环空第n段上的循环动摩阻；L_n为环空第n段段长；L_o为测试目标地层层底至第n段顶界距离。

本发明还提供了一种固井方法，该固井方法包括以下步骤：

1)在套管入井后，利用泥浆泵进行顶通，保持循环排量不变，逐渐将井内的钻井液循环出井，在钻井液稠浆完全返出井口后，逐渐提高循环排量，检测出、入口钻井液性能；

2)当钻井液出、入口性能一致后，改变泥浆泵排量，并采集该排量下的井口压力；

3)根据采集到的井口压力、以及环空和套管尺寸参数计算钻井液在环空各井段内产生的循环动摩阻；

4)根据环空井眼尺寸和计算得到的循环动摩阻计算作用在该层位的动液柱压力，该动液柱压力即为所求的地层承压能力；

5)将计算出的动液柱压力与固井时作用在该层位上的动液柱压力进行比较，如满足固井需要，则停止测试，并进行固井，若不满足固井需要，则提高循环排量，重新测试，直至测试出的动液柱压力满足固井需要。

测试期间若发生漏失，则需进行堵漏，在堵漏后继续测试，直至满足固井需要。

井口压力与循环动摩阻的关系如下：

$Pf=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_j+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_k=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_A{A}_j+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_A{A}_k$

$A_j=\frac{L_j}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{(D_j-D_e)}^3{(D_j+D_e)}^{1.8}}$

$A_k=\frac{L_k}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{D_k}^{4.8}}$

其中Pf为钻井液循环时采集到的井口压力；Pf_j为钻井液在井径D_j、段长L_j环空内的摩阻；Pf_k为钻井液在套管内径D_k、段长L_k套管内的摩阻；Pf_A为长度L、井径D_w的环空内钻井液产生的循环动摩阻；A_j和A_k分别为环空与套管系数，D_e为套管外径。

地层承压能力的计算公式为：

${\mathrm{Pf}}_o=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pf}}_j+\frac{{\mathrm{Pf}}_n}{L_n}\×L_o$

其中，Pf_o为测试目标地层的地层承压能力；n为测试目标地层所在的井段序列数；j为井段序列；Pf_n为作用在环空第n段上的循环动摩阻；L_n为环空第n段段长；L_o为测试目标地层层底至第n段顶界距离。

本发明的有益效果是:本发明首先在钻井液出、入口性能一致，采集该排量下的井口压力；然后根据采集到的井口压力、以及环空和套管尺寸参数计算钻井液在环空各井段内产生的循环动摩阻；最后根据环空井眼尺寸和计算得到的循环动摩阻计算作用在该层位的动液柱压力，从而实现了对该层位的地层承压能力测试。本发明利用钻井液在由套管(钻杆光杆)与环空组成的循环通道内产生的循环动摩阻，与钻井液静液柱压力共同作用在地层上，通过调整循环排量改变循环动摩阻大小，实现对不同层位的承压能力进行测试。本发明利用钻井液的循环摩阻动态测试地层承压能力更直接有效，尤其在地层承压能力与地层压力之间“窗口”较窄的井内应用更为有效。

附图说明

图1是固井前钻井液循环示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明的一种地层承压能力动态测试方法的实施例

下完套管后固井前，大排量循环钻井液能够调整其性能，在钻井液循环过程中，循环钻井液经套管由井底返出进入环空，环空内产生的循环摩阻方向与钻井液流动方向相反，作用在地层上，且循环摩阻的大小与循环排量之间是正相关的，如图1所示。

钻井液流变性一般采用宾汉模式进行描述，固井前钻井液循环时，经过充分的降粘、切，并逐步提高排量，钻井液在环空内的流态一般为紊流，紊流临界雷诺数与临界排量的确定如下：

1)在套管内

$\begin{array}{cc}{N}_{He}=\frac{0.1{\mathrm{\ρ\τ}}_0{D_i}^2}{{{\mathrm{\η}}_p}^2}& V_c=\frac{0.1N_{\mathrm{Re}c}{\mathrm{\η}}_p}{{\mathrm{\ρD}}_i}\end{array}---\left(1\right)$

2)在环空内

$\begin{array}{cc}{N}_{He}=\frac{0.1{\mathrm{\ρ\τ}}_0{(D_w-D_e)}^2}{{{\mathrm{\η}}_p}^2}& V_c=\frac{0.1N_{\mathrm{Re}c}{\mathrm{\η}}_p}{\mathrm{\ρ}(D_w-D_e)}\end{array}---\left(2\right)$

式中N_Ree为紊流临界雷诺数；N_He为为赫兹数；两者之间的关系可查询标准SY/T5480-92给定的图版。

套管与环空内钻井液紊流循环压力的计算：

1)套管内的循环摩阻

${\mathrm{Pf}}_i=\frac{0.2{\mathrm{f\ρLV}}^2}{D_i}---\left(3\right)$

其中，

2)环空内的循环摩阻

${\mathrm{Pf}}_o=\frac{0.2{\mathrm{f\ρLV}}^2}{(D_w-D_e)}---\left(4\right)$

其中，

式中：Pf_o、Pf_i分别为环空与套管内的循环摩阻，单位为MPa；f为套管或环空内的范宁摩阻系数；N_Re为流体在套管或环空内实际雷诺数；L为套管或环空段长，单位为m；V为套管或环空内平均流速，单位为m/s；η_p为钻井液塑性粘度，单位为Pa·s；τ₀为钻井液动切力，单位为Pa；D_i、D_w和D_e分别为套管内径、井眼内径和套管外径，单位为cm；ρ为钻井液密度，单位为g/cm³；Q为循环排量，单位为L/s。

本发明利用钻井液在由套管与环空组成的循环通道内产生的循环动摩阻，与钻井液静液柱压力共同作用在地层上，通过调整循环排量改变循环动摩阻大小，对不同层位的承压能力进行测试。测试方法如下：钻井液经过充分循环后，环空与套管内钻井液性能基本一致，此时，参考计算公式(3)和(4)，对比环空和套管内的循环摩阻，只与环空和套管几何参数有关，因此，按照特定的比例关系，由实际井口立压计算环空内摩阻，进而根据环空井眼尺寸，确定作用在不同井深处的动液柱压力。具体实施过程如下：

1.收集有关测井参数

所收集的有关测井参数包括，井径测井数据、套管(钻杆光杆)管串数据；井身结构；地层层序；主要易漏失地层及对应井深等。

2.套管入井后，泥浆泵开单凡尔进行顶通，保持循环排量不变，逐渐将井内稠浆或封闭浆循环出井，钻井液稠浆完全返出井口后，逐渐提高循环排量，同时检测出、入口钻井液性能，并观察井口返浆排量。

3.当钻井液出、入口性能基本一致后，缓慢改变泥浆泵排量，并记录对应的井口压力。

4.根据采集到的井口压力、以及环空和套管尺寸参数计算钻井液在环空各井段内产生的循环动摩阻。

不同深度地层承受的循环动摩阻

钻井液在井径D_j、段长L_j环空内的返速V_j与环空平均返速的关系：

$\frac{V_j}{\stackrel{\‾}{V}}=\frac{{D_w}^2-{D_e}^2}{{D_j}^2-{D_e}^2}---\left(5\right)$

钻井液在井径D_j、段长L_j环空内的雷诺数N_Rej与环空平均雷诺数N_Re的关系：

$\frac{N_{\mathrm{Re}j}}{N_{\mathrm{Re}}}=\frac{V_j(D_j-D_e)}{\stackrel{\‾}{V}(D_w-D_e)}=\frac{D_w+D_e}{D_j+D_e}---\left(6\right)$

钻井液在井径D_j、段长L_j环空内摩阻系数f_j与环空平均摩阻系数f的关系：

$\frac{f_j}{f}={\left(\frac{N_{\mathrm{Re}}}{N_{\mathrm{Re}j}}\right)}^{0.2}={\left(\frac{D_j+D_e}{D_w+D_e}\right)}^{0.2}---\left(7\right)$

钻井液在井径D_j、段长L_j环空内的摩阻Pf_i与Pf_A的关系：

$\frac{{\mathrm{Pf}}_j}{{\mathrm{Pf}}_A}=A_j=\frac{L_j}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{(D_j-D_e)}^3{(D_j+D_e)}^{1.8}}---\left(8\right)$

同理，钻井液在内径D_k、段长L_k的套管内的摩阻Pf_k与Pf_A的关系为：

$\frac{{\mathrm{Pf}}_k}{{\mathrm{Pf}}_A}=A_k=\frac{L_k}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{D_k}^{4.8}}---\left(9\right)$

因此，钻井液循环时的井口压力Pf满足：

$Pf=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_j+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_k=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_A{A}_j+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_A{A}_k---\left(10\right)$

其中D_w为井眼平均井径，有其中，D_j为某井段井径；L_j为对应井径D_j的井段长度；Pf_A为长度L、井径D_w的环空内，钻井液产生的循环动摩阻；为钻井液在环空内的平均上返速度；Pf为钻井液循环时的井口压力；D_k为某段套管内径；L_k为对应套管内径D_k的套管长度。

固井前钻井液改变排量循环，井口立压表读取Pf，A_j和A_k可由环空和套管尺寸参数计算，由式(10)计算环空内循环摩阻Pf_A，由式(8)和(9)分别计算环空与套管内的各段循环摩阻Pf_j与Pf_k。

5.根据环空井眼尺寸和计算得到的循环动摩阻计算作用在该层位的动液柱压力，该动液柱压力即为所求的地层承压能力。

${\mathrm{Pf}}_o=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pf}}_j+\frac{{\mathrm{Pf}}_n}{L_n}\×L_o---\left(11\right)$

其中，Pf_o即为测试目标地层的地层承压能力；n为测试目标地层所在的井段序列数(按照不同井径由井口至井底依次划分井段)；j为井段序列；Pf_n为作用在环空第n段上的循环动摩阻；L_n为环空第n段段长；L_o为测试目标地层层底至第n段顶界距离。

本发明的一种固井方法的实施例

本实施例的固井方法是在地层承压能力动态测试方法的实施例基础上进行的，该固井方法将上个实施例中得到的动液柱压力与固井时作用在该层位上的动液柱压力进行比较；如满足固井需要，停止测试进行固井；若不满足固井需要，继续提高排量，重新测试；测试期间若发生漏失，则需进行堵漏，提高地层承压能力，后继续测试，直至满足固井需要。

下面以鄂尔多斯地区DP-47井二开技术套管固井为例对本发明的效果进行分析，该实例中的井径：环空井段405-2225m，井径231.80mm；2225-3125m，井径232.60mm；钻井液性能：密度1.25g/cm³，动切力8Pa，屈服应力16mPa·s；固井前循环排量达22.4L/s，井口压力5MPa。井身结构如表1所示。

表1

根据上述参数计算环空各层位承受的动液柱压力，计算结果如表2所示。

表2

从表2中可以看出，循环排量22.4L/s时的环空总循环摩阻为4.182MPa，该井易漏失地层刘家沟组井深2134m。作用在刘家沟组上的循环摩阻为：

0.72+2.86/2225×(2134-405)＝2.94MPa

作用在刘家沟组上的动液柱当量密度为：

1.25+2.94/0.00981/2134＝1.39g/cm³

即刘家沟承受的动液柱压力1.39g/cm³时不发生漏失，现场固井实际也得到验证。本发明在鄂尔多斯地区多口低压易漏失井地层承压能力测试中取得显著效果，经测试地层满足承压需要后进行的固井，固井漏失得到有效控制，水泥返高均达到设计要求。本发明使用实际井径、套管数据与井口立压，通过逐步提高循环排量，对不同井深地层的承压能力进行现场定量预测；不受漏失机理、井型和井眼条件的限制，理论基础可靠，现场可操作性强。在低压易漏失井，特别是在“地层压力-地层承压能力”压力窗口范围较窄的井，具有显著的优势；在具有该压力特征的井内，不需要使用加重钻井液，原钻井液循环动摩阻即可实现地层承压能力的检验，不会造成额外的时间、经济成本。

Claims (7)

1.一种地层承压能力动态测试方法，其特征在于，该测试方法包括以下步骤：

1)在套管入井后，利用泥浆泵进行顶通，保持循环排量不变，逐渐将井内的钻井液循环出井，在钻井液稠浆完全返出井口后，逐渐提高循环排量，检测出、入口钻井液性能；

2)当钻井液出、入口性能一致后，改变泥浆泵排量，并采集该排量下的井口压力；

3)根据采集到的井口压力、以及环空和套管尺寸参数计算钻井液在环空各井段内产生的循环动摩阻；

4)根据环空井眼尺寸和计算得到的循环动摩阻计算作用在该层位的动液柱压力，该动液柱压力即为所求的地层承压能力。

2.根据权利要求1所述的地层承压能力动态测试方法，其特征在于，井口压力与循环动摩阻的关系如下：

$Pf=\underset{j}{\Σ}{\mathrm{Pf}}_j+\underset{k}{\Σ}{\mathrm{Pf}}_k=\underset{j}{\Σ}{\mathrm{Pf}}_A{A}_j+\underset{k}{\Σ}{\mathrm{Pf}}_A{A}_k$

$A_j=\frac{L_j}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{(D_j-D_e)}^3{(D_j+D_e)}^{1.8}}$

$A_k=\frac{L_k}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{D_k}^{4.8}}$

其中Pf为钻井液循环时采集到的井口压力；Pf_j为钻井液在井径D_j、段长L_j环空内的摩阻；Pf_k为钻井液在套管内径D_k、段长L_k套管内的摩阻；Pf_A为长度L、井径D_w的环空内钻井液产生的循环动摩阻；A_j和A_k分别为环空与套管系数，D_e为套管外径。

3.根据权利要求1所述的地层承压能力动态测试方法，其特征在于，地层承压能力的计算公式为：

${\mathrm{Pf}}_o=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_j+\frac{{\mathrm{Pf}}_n}{L_n}\×L_o$

其中，Pf_o为测试目标地层的地层承压能力；n为测试目标地层所在的井段序列数；j为井段序列；Pf_n为作用在环空第n段上的循环动摩阻；L_n为环空第n段段长；L_o为测试目标地层层底至第n段顶界距离。

4.一种固井方法，其特征在于，该固井方法包括以下步骤：

1)在套管入井后，利用泥浆泵进行顶通，保持循环排量不变，逐渐将井内的钻井液循环出井，在钻井液稠浆完全返出井口后，逐渐提高循环排量，检测出、入口钻井液性能；

2)当钻井液出、入口性能一致后，改变泥浆泵排量，并采集该排量下的井口压力；

3)根据采集到的井口压力、以及环空和套管尺寸参数计算钻井液在环空各井段内产生的循环动摩阻；

4)根据环空井眼尺寸和计算得到的循环动摩阻计算作用在该层位的动液柱压力，该动液柱压力即为所求的地层承压能力；

5)将计算出的动液柱压力与固井时作用在该层位上的动液柱压力进行比较，如满足固井需要，则停止测试，并进行固井，若不满足固井需要，则提高循环排量，重新测试，直至测试出的动液柱压力满足固井需要。

5.根据权利要求4所述的固井方法，其特征在于，测试期间若发生漏失，则需进行堵漏，在堵漏后继续测试，直至满足固井需要。

6.根据权利要求4所述的固井方法，其特征在于，井口压力与循环动摩阻的关系如下：

$Pf=\underset{j}{\Σ}{\mathrm{Pf}}_j+\underset{k}{\Σ}{\mathrm{Pf}}_k=\underset{j}{\Σ}{\mathrm{Pf}}_A{A}_j+\underset{k}{\Σ}{\mathrm{Pf}}_A{A}_k$

$A_j=\frac{L_j}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{(D_j-D_e)}^3{(D_j+D_e)}^{1.8}}$

$A_k=\frac{L_k}{L}\·\frac{{(D_w-D_e)}^3{(D_w+D_e)}^{1.8}}{{D_k}^{4.8}}$

其中Pf为钻井液循环时采集到的井口压力；Pf_j为钻井液在井径D_j、段长L_j环空内的摩阻；Pf_k为钻井液在套管内径D_k、段长L_k套管内的摩阻；Pf_A为长度L、井径D_w的环空内钻井液产生的循环动摩阻；A_j和A_k分别为环空与套管系数，D_e为套管外径。

7.根据权利要求4所述的固井方法，其特征在于，地层承压能力的计算公式为：

${\mathrm{Pf}}_o=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\Σ}}{\mathrm{Pf}}_j+\frac{{\mathrm{Pf}}_n}{L_n}\×L_o$

其中，Pf_o为测试目标地层的地层承压能力；n为测试目标地层所在的井段序列数；j为井段序列；Pf_n为作用在环空第n段上的循环动摩阻；L_n为环空第n段段长；L_o为测试目标地层层底至第n段顶界距离。