CN106837309B - 一种基于气体钻井立压变化反演井眼体积扩大系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气体钻井立压变化反演井眼体积扩大系数的方法，包括：（1）在正常钻进过程中，通过立压表可知井眼正常情况下的立压值，当井眼发生扩径时，根据立压表读取井眼扩径后的立压值，从而计算出扩径前后立压的变化值；（2）通过扩径前后立压的变化值，计算井底岩屑累计厚度；（3）已知岩屑累计厚度，通过测量得到套管内径和钻杆外径，从而得到井底累积岩屑的体积，即扩径段扩径的体积；（4）已知钻进时钻头的机械钻速、钻井时间、井眼半径，得到原始井眼体积；（5）求得井眼的体积扩大系数。当气体钻井井眼扩径现象发生时，通过该方法可以及时获取相关信息，从而采取针对性措施进行处理，有效降低钻井风险、减少损失。

Description

一种基于气体钻井立压变化反演井眼体积扩大系数的方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气开发过程中气体钻井通过立压反演井眼体积扩大系数的方法。

背景技术

气体钻井是以压缩空气或氮气等作为循环介质，采用气体压缩机向井内注入压缩气体，依靠环空气体的能量，把岩屑从井底带回地面的一种钻井方式。凭借其机械钻速快、工程成本低及对油气层损害小的优点，可以解决深层油气资源勘探开发中井深、钻井速度慢、周期长、成本高这类难题。但是气体钻井不同于常规的液体钻井，井筒压力较低，井径扩大现象严重。

井筒直径扩大后会影响井筒内的流场分布，改变井筒内的实际工况，增加钻井风险。气体钻井钻进过程中，井筒扩径导致井筒内的流场变化，继而引起井底岩屑颗粒在井筒中的动态悬浮、滞留，当接单根或起下钻时，停止注气会导致悬浮于扩径环空内的岩屑回落井底，造成井眼堵塞，导致井下复杂，对钻井过程造成严重损害。因此，需要一种及时获得井眼扩径信息的方法，可以在井眼扩径后迅速做出相关应变措施，有效避免井下钻井风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气体钻井立压变化反演井眼体积扩大系数的方法，当气体钻井井眼扩径现象发生时，通过该方法可以及时获取相关信息，从而采取针对性措施进行处理，有效降低钻井风险、减少损失。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

当气体钻井井眼发生扩径时，井底的岩屑累积量会发生相应变化，从而影响到钻柱以及环空内的压力平衡状态，使地面上的立管压力、套管压力也发生相应变化。立压指的是作业过程中立管上的压力值，反映的是钻井液在钻柱、钻头水眼及环空中的压力损失，在数值上近似于等于整个循环系统压力损失，也近似等于循环泵压。

在正常钻进情况下，井筒内的流体循环满足质量守恒定律，一旦发生井眼扩径后，会引起压力波动，进而反应到立压和套压的变化。通过立压上升值的计算或者通过套压下降值的计算都可以得到井眼扩径后井底岩屑累计的厚度，通过井底岩屑累计的厚度，进而得到井底岩屑的体积，井底岩屑的体积等于井眼扩径段的体积，从而得到井眼体积扩大系数。从立压计算相对更为简便，因此选择立压作为表征参数。

一种基于气体钻井立压变化反演井眼体积扩大系数的方法，依次包括以下步骤：

(1)在正常钻进过程中，通过对立压表的观测可知井眼正常情况下的立压值P_S1，当井眼发生扩径时，根据立压表读取井眼扩径后的立压值P_S，从而计算出扩径前后立压的变化值ΔP_S：

ΔP_S＝P_S-P_S1

式中：P_S—井眼扩径后的立压值；

P_S1—井眼正常情况下的立压值；

ΔP_S—扩径前后立压的变化值。

(2)通过扩径前后立压的变化值ΔP_S，计算井底岩屑累计厚度h_岩：

ΔP_S＝ρ_岩gh_岩

式中：g—重力加速度；

h_岩—岩屑累计厚度；

ρ_岩—岩屑的密度。

(3)已知岩屑累计厚度h_岩，通过测量得到套管内径D和钻杆外径d，从而得到井底累积岩屑的体积V_岩(V_岩等于扩径段扩径的体积V_扩)：

V_岩＝V_扩

式中：V_岩—井底累积岩屑的体积；

V_扩—扩径段扩径的体积；

D—套管内径；

d—钻杆外径；

h_岩—岩屑累计厚度。

(4)已知钻进时钻头的机械钻速υ_m，钻井时间t，井眼半径γ，可以得到原始井眼体积V_始：

V_始＝(πγ²)υ_mt

式中：V_始—原始井眼体积；

γ—井眼半径；

υ_m—机械钻速；

t—钻井时间。

(5)通过下式求得井眼的体积扩大系数ε：

式中：ε—井眼的体积扩大系数；

V_扩—扩径段扩径的体积；

V_始—原始井眼体积。

附图说明

图1是基于气体钻井通过立压反演钻井井眼体积扩大系数的方法示意图。

图2是本发明中立压变化趋势示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

一种基于气体钻井立压变化反演井眼体积扩大系数的方法，具体步骤为：首先通过对立压表的观测，可得到井眼正常情况下的立压值P_S1以及扩径后的立压值P_S，从而得到立压的变化值ΔP_S。立压的变化值ΔP_S等于井底岩屑累积产生压力。通过取样得到岩屑的密度ρ_岩，可以计算岩屑的累积厚度h_岩，从而得出累积岩屑的体积V_岩，累积岩屑的体积V_岩即为井眼扩径段扩径的体积V_扩。已知钻进时钻头的机械钻速υ_m、钻井时间t、井眼半径γ，可以得到原始井眼体积V_始。井眼扩径段扩径的体积V_扩加上原始井眼体积V_始，其与原始井眼体积V_始之比，即为井眼体积扩大系数。

图1为一种基于气体钻井通过立压反演钻井井眼体积扩大系数的方法流程图，反推可知：求取井眼体积扩大系数，需已知井眼扩径段扩径后的体积，求取井眼扩径段扩径后的体积，需已知井底累计岩屑的体积，求取井底岩屑的体积，需已知岩屑的累计厚度，求取岩屑的累计厚度，需已知立压前后的变化。立压前后的变化，可以通过对立压表的监控得到。

如图2所示，该图表示的是立压随时间的变化，其中横坐标是时间，纵坐标是立压，通过分析可知井眼扩径后引起井底岩屑累积，导致立压在t₁至t₂段不断上升，扩径不断增大，在t₂时刻，扩径达到最大。在t₂至t₃段，随着气体对岩屑的作用立压逐渐减小，在t₃时刻以后，立压趋于稳定，环空内压力保持平衡。从A点到B点，立压大幅增加，井眼体积扩大系数增加迅速，需要及时采取措施，避免发生更为严重的钻井工程事故。

Claims (1)

1.一种基于气体钻井立压变化反演井眼体积扩大系数的方法，依次包括以下步骤：

(1)在正常钻进过程中，通过立压表可知井眼正常情况下的立压值P_S1，当井眼发生扩径时，根据立压表读取井眼扩径后的立压值P_S，从而计算出扩径前后立压的变化值ΔP_S：

ΔP_S＝P_S-P_S1；

(2)通过扩径前后立压的变化值ΔP_S，计算井底岩屑累计厚度h_岩：

式中：ρ_岩—岩屑的密度；

(3)已知岩屑累计厚度h_岩，通过测量得到套管内径D和钻杆外径d，从而得到井底累积岩屑的体积V_岩：

V_岩等于扩径段扩径的体积V_扩；

(4)已知钻进时钻头的机械钻速υ_m，钻井时间t，井眼半径γ，得到原始井眼体积V_始：

V_始＝(πγ²)υ_mt；

(5)通过下式求得井眼的体积扩大系数ε：

式中：V_扩—扩径段扩径的体积，

V_始—原始井眼体积。

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