CN107060731A - 一种基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于井涌余量的深水钻井套管下深的修正方法，所述方法包括以下步骤：根据三压力剖面和设计的钻井液密度，初选套管下入深度；根据温度压力修正流性指数n和稠度系数k；根据温压场，计算钻井液当量静态密度ESD；根据钻井参数计算环空内雷诺数Re，最终计算求得环空压耗；修正侵入气体密度；计算最大允许气侵体积；根据气侵压力模型，对套管下深进行校核及修正。本发明的方法充分考虑了深水钻井的复杂条件，通过合理设计套管下深，尽可能地避免钻井过程中出现的井下复杂情况，优化井身结构设计，保证钻井工作的正常运行，最大限度地减少经济损失。
Description
技术领域
本申请涉及海洋石油开发技术领域，尤其是涉及一种利用井涌余量校核套管下入深度的方法。
背景技术
随着油气勘探开发地区的不断扩大，深水油气资源的开发程度越来越高，对石油可采储量的提升做出了重要贡献。在深水钻井的工程实际中，窄安全密度窗口问题是制约深水钻井进一步发展和完善的重要因素，给井身结构的设计带来了诸多难题。密度窗口是指钻井液的密度范围，窄密度窗口即钻某一地层过程中，钻井液可以选择的密度范围很小，这种情况易发生钻井复杂情况，钻井液密度超出此范围造成井漏，低于此范围造成井壁坍塌掉块。目前深水钻井中多采用自上而下的方法，这样保证每层套管下入深度最深，为下部井段储备足够的套管层次，取得了较好的效果。但该方法中需要考虑的因素很多，井涌余量是其中的一个重要方面。
井涌余量是能安全关井且循环压井时不至于压漏地层所允许进入井筒的最大溢流量，是深水钻井设计和作业中的关键参数之一。井涌余量过小会导致压漏套管鞋等薄弱地层，引起地下井喷等事故；而井涌余量过高则需要更多的套管层次，更复杂的井身结构，导致无法钻至目标井深，或由于井眼尺寸太小而不能满足地质和油藏的要求。钻井设计过程中，不仅要设计合理的钻井液密度保证正常钻进时钻井液当量循环密度(ECD)控制在安全密度窗口之内，而且每层套管下入深度还要满足井涌余量的要求。目前，已有一些学者对深水钻井井涌余量等进行了相关研究，但是从现有技术来看，相关研究仍不够充分，现有技术的井身结构设计过程中仅仅将井涌余量作为一个简单的设计参数考虑，行业内也没有关于井涌余量统一的标准。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有技术中存在的不足，提供一种利用井涌余量修正套管下深的方法，尽可能地避免钻井过程中出现的井下复杂情况，优化井身结构设计，保证钻井工作的正常运行，最大限度地减少经济损失。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于井涌余量的深水钻井套管下深的修正方法，所述方法包括以下步骤：
①根据三压力剖面和设计的钻井液密度，初选套管下入深度；
②根据温度压力修正流性指数n和稠度系数k；
③根据温压场，计算钻井液当量静态密度ESD；
④根据钻井参数计算环空内雷诺数Re，最终计算求得环空压耗；
⑤修正侵入气体密度；
⑥计算最大允许气侵体积；
⑦根据气侵压力模型，对套管下深进行校核及修正。
优选的是，步骤①中，初选套管下入深度采用自上而下的设计方法，通过钻井液密度和孔隙压力剖面的交点来初步确定套管下深。
上述任一方案优选的是，步骤②中，钻井液的流变特性采用幂律模式来进行描述，所述流性指数n和所述稠度系数k为温度和压力的函数。
上述任一方案优选的是，所述流性指数n计算公式为
式中，n0为该钻井液在15℃、一个大气压下的流性指数；
P为井筒压力；
T为井筒温度。
上述任一方案优选的是，所述稠度系数k计算公式为
式中，k0为该钻井液在15℃、一个大气压下的流性指数和稠度系数；
P为井筒压力；
T为井筒温度。
上述任一方案优选的是，步骤③中，钻井液当量静态密度ESD受环空温度和压力影响
上述任一方案优选的是，所述钻井液当量静态密度ESD计算公式为
式中，ρ0为钻井液初始密度；
ΔT为温度的变化值；
Δp为压力的变化值；
CT为热膨胀系数；
Cp为弹性压缩系数。
上述任一方案优选的是，所述钻井液当量静态密度ESD计算公式还可以使用混合模型
式中，ρ(p,T)为温度压力为(p,T)条件下的钻井液的密度；
ρoi，ρwi为参比条件下的油、水的密度；
ρo，ρw为温度压力为(p,T)条件下的油、水的密度；
fo，fw，fs，fc为参比条件下油、水、固相、添加剂的体积分数；
或经验模型：
或ρ(T,p)＝ρ0ea(T-26.67)+(b+cT)p
或
或ρ＝ρ0eΓ(p,T)
Γ(p,T)＝γp(p-p0)+γpp(p-p0)2+γT(T-T0)+γTT(T-T0)2+γpT(p-p0)(T-T0)
式中，ρ(T,p)为温度T、压力p时的钻井液密度；
ρ0为温度T0、压力p0时的钻井液密度；
a、b、c，γp，γpp，γT，γTT，γpT为钻井液特性常数。
上述任一方案优选的是，步骤④中，所述环空内雷诺数Re的计算采用幂律模式。
上述任一方案优选的是，所述Re的计算公式为
式中，Re为幂律流体雷诺数；
ρm为钻井液密度，按照ρESD值进行计算，kg/m3；
dao为套管内径；
dai为钻杆外径；
v为钻杆内或环空中的流体运动速度；
n为幂律流体流性指数；
k为幂律流体稠度系数。
上述任一方案优选的是，步骤②中，所述环空压耗的计算根据所述环空内雷诺数Re的范围采用层流公式或范宁-达西公式。
上述任一方案优选的是，当所述环空内雷诺数Re＜2100时，环空内钻井液为层流，采用层流公式计算压耗，即
式中，Pl为环空内压耗；L为井筒长度，H0为计算时取初选套管下深。
上述任一方案优选的是，当所述环空内雷诺数Re≥2100时，环空内钻井液为紊流，采用范宁-达西公式计算压耗，即
P＝2fρmv2L/(dao-dai)
式中，f为范宁摩阻系数。
上述任一方案优选的是，所述范宁摩阻系数的计算，采用采用Dodge和Metzner半经验公式，
上述任一方案优选的是，根据理想气体状态方程，所述侵入气体密度采用以下公式修正
式中，ρi是侵入气体密度；
M为气体摩尔质量；
Z为气体压缩因子；
R为常数，取8.314。
上述任一方案优选的是，所述气体压缩因子Z采用以下公式计算
式中，Pc、Tc分别为临界压力和临界温度。
上述任一方案优选的是，步骤⑥中，采用司钻法进行压井，所述最大允许气侵体积的约束条件包括以套管鞋处地层破裂压力为约束条件、以套管抗内压强度的80％为约束条件、气柱顶端到达井口时以防喷器工作压力为约束条件、以及气柱顶端到达节流阀处时以节流阀工作压力为约束条件，所述最大允许气侵体积需同时满足以上四个约束条件。上述的节流阀工作压力主要考虑的是海洋钻井的节流管线。
上述任一方案优选的是，以套管鞋处地层破裂压力为约束条件，建立压力平衡式为
式中，Pfshoe表示套管鞋处地层破裂压力，kPa；
Gm表示原钻井液压力梯度，利用ECD进行计算，g/cm3；
H表示井深，m；
Hshoe表示套管鞋深度，m；
Pp表示井底地层压力，kPa；
Tshoe表示套管鞋处温度，K；
Aa表示井筒环空截面积，m2；
Pk表示压井液静液柱压力，kPa；
ΔP′a表示套管鞋以下环空压耗。
上述任一方案优选的是，以套管鞋处地层破裂压力为约束条件，得出在井底压力条件下的最大允许侵入体积为
以套管抗内压强度的80％为约束条件，建立压力平衡式，得出在井底压力条件下的最大允许侵入体积为
式中，Pi表示套管抗内压强度，kPa。
上述任一方案优选的是，气柱顶端到达井口时以防喷器工作压力为约束条件，建立压力平衡式，得出在井底压力条件下的最大允许侵入体积为
式中，PBOP表示防喷器最大工作压力，kPa；
ΔPa表示套管内环空压耗。
上述任一方案优选的是，气柱顶端到达节流阀处时以节流阀工作压力为约束条件，建立压力平衡式，得出在井底压力条件下的最大允许侵入体积为
式中，Ac表示节流管截面积，m2；
Tcv表示节流阀处温度，K；
Pcv表示节流阀的最大工作压力，kPa；
Hc表示节流管汇长度，m。
上述任一方案优选的是，同时满足四个约束条件的井底最大允许侵入体积满足
Vmax＝min{Vmax1,Vmax2,Vmax3,Vmax4}
上述任一方案优选的是，步骤⑥套管下深修正进一步包括建立井涌关井后的压力平衡关系，并计算最大允许侵入体积，最终得到套管的修正下深。
根据权利要求24所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：井涌关井后的压力平衡关系为
Hk(ρESD-ρi)+IH＝Hshoe(ρfshoe-ρESD)
式中，Hk为井涌高度；
I为井涌强度；
ρfshoe为套管鞋处的破裂压力当量密度。
上述任一方案优选的是，求取最大允许侵入体积的中间式为
式中，Hk为井涌高度；I为井涌强度；ρfshoe为套管鞋处的破裂压力当量密度；Aa为环空截面积。
上述任一方案优选的是，根据中间式，推导出的所述套管的修正下深的计算公式为
本发明的方法充分考虑了渗水钻井的复杂条件，由于深水环境中由于海水的存在，井筒温度场和陆地钻井有着很大区别，井筒内ESD剖面也会发生很大变化，这对最终的套管下深会产生较大影响，因此本发明中ESD、ECD的计算充分考虑了深水温度场对钻井液密度的影响，对ECD、ESD进行更加精确的计算。同时，充分考虑了深水钻井特点，在确定最大允许气侵体积时，考虑了四个约束条件，以便更加贴近深水钻井的实际情况，相关参数的准确度就更高，发生井下复杂情况的可能性就越低，安全性也就越强。
附图说明
图1为按照本发明的基于井涌余量的深水钻井套管下深的修正方法一优选实施例的流程示意图。
图2为按照本发明的基于井涌余量的深水钻井套管下深的修正方法一优选实施例的深水钻井发生井涌时的井筒压力分布示意图。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例对本发明作更为详细的描述，实施例只对本发明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本发明的基础上作出的非实质性修改，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于井涌余量的深水钻井套管下深的修正方法，所述方法包括以下步骤：
①根据三压力剖面和设计的钻井液密度，初选套管下入深度。
②根据温度压力修正流性指数n和稠度系数k；
③根据温压场，计算钻井液当量静态密度ESD；
④根据钻井参数计算环空内雷诺数Re，最终计算求得环空压耗；
⑤修正侵入气体密度；
⑥计算最大允许气侵体积
⑦根据气侵压力模型，对套管下深就行校核及修正。
在本实施例中，首先根据三压力剖面和设计的钻井液密度，采用自上而下的设计方法，通过钻井液密度和孔隙压力剖面的交点来初步确定套管下深，初选套管下深为H0。
在本实施例中，对步骤②中流性指数n和稠度系数k进行计算。假设钻井液的流变特性可用幂律模式来进行描述，其流性指数n和稠度系数k为温度和压力的函数，二者随着温压场的变化而变化，具体计算公式为：
n0、k0分别为该钻井液在15℃、一个大气压下的流性指数和稠度系数；P为井筒压力；T为井筒温度。
在本实施例中，钻井液当量循环密度(ECD)是由当量静态密度(ESD)和环空压耗当量密度两部分组成。在本实施例中，优选了对步骤③中当量静态密度(ESD)的计算，ESD表示钻井液在井筒界面任意一点所受静液柱压力的当量密度值。深水钻井ESD主要受温度、压力影响。ESD的计算公式为
其中，ρ0为钻井液初始密度；ΔT为温度的变化值；Δp为压力的变化值；CT为热膨胀系数；Cp为弹性压缩系数。
在本实施例中，对步骤④中的环空压耗进行计算。深水钻井所用钻井液属于非牛顿流体，此处采用幂律模式进行计算。
1)雷诺数计算
环空内雷诺数可以用下式计算：
Re为幂律流体雷诺数；ρm为钻井液密度，按照ρESD值进行计算，kg/m3；dao为套管内径；dai为钻杆外径；v为钻杆内或环空中的流体运动速度；n为幂律流体流性指数；k为幂律流体稠度系数。
2)压耗计算
根据以上计算的雷诺数，当Re＜2100时判断为层流，可使用层流公式计算压耗，即
当Re≥2100时判断为紊流，可由范宁—达西公式求得压耗，即：
P＝2fρmv2L/(dao-dai)
Pl为环空内压耗；L为井筒长度，计算时取初选套管下深H0；f为范宁摩阻系数。
在计算范宁摩阻系数时，采用Dodge和Metzner半经验公式：
在本实施例中，对ECD进行计算。根据计算循环压耗，计算钻井液当量循环密度ECD，见下式：
ρECD＝ρESD+Pl/(H0g)
在本实施例中，对侵入气体密度进行修正。根据理想气体状态方程，侵入气体密度用一下公式进行修正：
其中，ρi是侵入气体密度；M为气体摩尔质量；Z为气体压缩因子；R为常数，取8.314。
气体的压缩因子可以用下式计算：
其中，Pc、Tc分别为临界压力和临界温度。
在本实施例中，对最大允许气侵体积进行计算。采用司钻法进行压井，以套管鞋处地层破裂压力为约束条件，建立压力平衡式如式：
以套管鞋处地层破裂压力为约束条件，压力平衡式为：
其中，Pfshoe表示套管鞋处地层破裂压力，kPa；Gm表示原钻井液压力梯度，利用ECD进行计算，g/cm3；H表示井深，m；Hshoe表示套管鞋深度，m；Pp表示井底地层压力，kPa；Tshoe表示套管鞋处温度，K；Aa表示井筒环空截面积，m2；Pk表示压井液静液柱压力，kPa；ΔPa'表示套管鞋以下环空压耗。
井底条件下最大允许侵入体积为：
同理可得以套管抗内压强度的80％为约束条件、气柱顶端到达井口时以防喷器工作压力为约束条件，以及到达节流阀处时以节流阀工作压力为约束条件的压力平衡式。则其他3种情况分别得出在井底压力条件下的最大允许侵入体积为：
Pi表示套管抗内压强度，kPa；
PBOP表示防喷器最大工作压力，kPa；ΔPa表示套管内环空压耗。
Ac表示节流管截面积，m2；Tcv表示节流阀处温度，K；Pcv表示节流阀的最大工作压力，kPa；Hc表示节流管汇长度，m；
同时满足四个约束条件的井底最大允许侵入体积满足：
Vmax＝min{Vmax1,Vmax2,Vmax3,Vmax4}
在本实施例中，对套管下深进行修正。根据图2所示，发生井涌关井之后，钻井液不循环，有如下压力平衡关系：
Hk(ρESD-ρi)+IH＝Hshoe(ρfshoe-ρESD)
最大允许侵入体积可以用以下中间式表示：
其中，Hk为井涌高度；I为井涌强度；ρfshoe为套管鞋处的破裂压力当量密度；Aa为环空截面积。
由上式推导出套管的修正下深为：
实施例2
实施例2所述基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法与实施例1相似，所不同的是，在步骤②中采用了以下公式计算钻井液当量循环密度(ECD)：
或ρ(T,p)＝ρ0ea(T-26.67)+(b+cT)p
或
或ρ＝ρ0eΓ(p,T)
Γ(p,T)＝γp(p-p0)+γpp(p-p0)2+γT(T-T0)+γTT(T-T0)2+γpT(p-p0)(T-T0)
式中，ρ(T,p)为温度T、压力p时的钻井液密度；
ρ0为温度T0、压力p0时的钻井液密度；
a、b、c，γp，γpp，γT，γTT，γpT为钻井液特性常数。
应用上述算式之一计算得到的钻井液当量循环密度(ECD)应用于步骤⑦中
尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解，可以作出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，包括以下步骤：
①根据三压力剖面和设计的钻井液密度，初选套管下入深度；
②根据温度压力修正流性指数n和稠度系数k；
③根据温压场，计算钻井液当量静态密度ESD；
④根据钻井参数计算环空内雷诺数Re，最终计算求得环空压耗；
⑤修正侵入气体密度；
⑥计算最大允许气侵体积；
⑦根据气侵压力模型，对套管下深进行校核及修正。
2.根据权利要求1所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：步骤①中，初选套管下入深度采用自上而下的设计方法，通过钻井液密度和孔隙压力剖面的交点来初步确定套管下深。
3.根据权利要求1所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：步骤②中，钻井液的流变特性采用幂律模式来进行描述，所述流性指数n和所述稠度系数k为温度和压力的函数。
4.根据权利要求3所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：所述流性指数n计算公式为
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</mrow>
</msup>
</mrow>
式中，n0为该钻井液在15℃、一个大气压下的流性指数；
P为井筒压力；
T为井筒温度。
5.根据权利要求3所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：所述稠度系数k计算公式为
<mrow>
<mi>k</mi>
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<mo>,</mo>
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式中，k0为该钻井液在15℃、一个大气压下的流性指数和稠度系数；
P为井筒压力；
T为井筒温度。
6.根据权利要求1所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：步骤③中，钻井液当量静态密度ESD受环空温度和压力影响。
7.根据权利要求6所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：所述钻井液当量静态密度ESD计算公式为
<mrow>
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</mrow>
式中，ρ0为钻井液初始密度；
ΔT为温度的变化值；
Δp为压力的变化值；
CT为热膨胀系数；
Cp为弹性压缩系数。
8.根据权利要求6所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：所述钻井液当量静态密度ESD计算公式还可以使用混合模型：
<mrow>
<mi>&rho;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>p</mi>
<mo>,</mo>
<mi>T</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
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<mrow>
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<mi>w</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，ρ(p,T)为温度压力为(p,T)条件下的钻井液的密度；
ρoi，ρwi为参比条件下的油、水的密度；
ρo，ρw为温度压力为(p,T)条件下的油、水的密度；
fo，fw，fs，fc为参比条件下油、水、固相、添加剂的体积分数；
或经验模型：
<mrow>
<mfrac>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mi>&rho;</mi>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
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<msub>
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<mrow>
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<mn>0</mn>
</msub>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&gamma;</mi>
<mi>T</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>T</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
或ρ(T,p)＝ρ0ea(T-26.67)+(b+cT)p
或
或ρ＝ρ0eΓ(p,T)
Γ(p,T)＝γp(p-p0)+γpp(p-p0)2+γT(T-T0)+γTT(T-T0)2+γpT(p-p0)(T-T0)
式中，ρ(T,p)为温度T、压力p时的钻井液密度；
ρ0为温度T0、压力p0时的钻井液密度；
a、b、c，γp，γpp，γT，γTT，γpT为钻井液特性常数。
9.根据权利要求1所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：步骤④中，所述环空内雷诺数Re的计算采用幂律模式。
10.根据权利要求9所述的基于井涌余量的深水钻井套管下深修正方法，其特征在于：所述环空内雷诺数Re的计算公式为
<mrow>
<mi>Re</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<mn>12</mn>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msup>
<msub>
<mi>P</mi>
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</mrow>
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</mrow>
<mi>n</mi>
</msup>
<msup>
<mi>v</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mo>-</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msup>
<msup>
<mn>10</mn>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mo>-</mo>
<mn>3</mn>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msup>
</mrow>
<mrow>
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<msup>
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<mo>(</mo>
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<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>n</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
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<mrow>
<mn>3</mn>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>n</mi>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，Re为幂律流体雷诺数；
ρm为钻井液密度，按照ρESD值进行计算，kg/m3；
dao为套管内径；
dai为钻杆外径；
v为钻杆内或环空中的流体运动速度；
n为幂律流体流性指数；
k为幂律流体稠度系数。
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