CN107120107B - 海底钻井的钻井液选择方法和其在钻井深度计算中的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底钻井的钻井液选择方法和其在钻井深度计算中的用途。在钻井过程中，相邻的钻井深度区域的当量钻井液密度不同。该方法包括以下步骤，步骤一：在钻井过程中，基于上层钻井深度区域H_cs的下游末端处恒定的压强P1、相邻的下层钻井预定深度H和在下层钻井预定深度H的范围内预用的钻井液的密度ρ_H得到预定深度H处的压强P3与密度ρ_H的关系，步骤二：由压强P3大于预定深度H处的地层孔隙压强P4并且小于预定深度H处的地层破裂压强P5，得到密度ρ_H的范围；步骤三：在密度ρH的范围内选择该使用的钻井液。根据本发明的方法，并不需要将海底井口处的压力保持为不变，大大扩大了钻井液的密度选择范围。

Description

海底钻井的钻井液选择方法和其在钻井深度计算中的用途

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，特别涉及一种用于海底钻井的钻井液选择方法。本发明还涉及这种方法在钻井深度计算中的用途。

背景技术

在深水及超深水钻井中，由于海水段缺失上覆岩层压力，使得地层破裂压力低，导致钻井液的安全密度范围非常窄。为了适应这种钻井环境，目前通常使用双梯度钻井方法。在这种双梯度钻井方法中，通常会采取措施来降低海底井口位置处的环空压力，使之等于或接近于相同深度处的海水静液柱压力(即海底井口位置处的当量钻井液密度等于海水密度)，从而使得井筒环空中的压力变化曲线能够更好的适应于深水地层安全压力范围的变化趋势。

然而，在上述方法中，海底井口处的压力(或压强)保持为不变，这导致在钻井液的密度选择方面仍受到较大的限制。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于海底钻井的钻井液选择方法。根据本发明的方法，将与该层相邻的上层钻井深度区域的下游末端处的压力保持不变，无需将海底井口处的压力保持为不变，大大扩大了钻井液的密度选择范围。本发明还涉及这种钻井液选择方法在钻井深度计算中的用途。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于海底钻井的钻井液选择方法。在该方法中，在钻井过程中，相邻的钻井深度区域的当量钻井液密度不同，该方法包括以下步骤。步骤一：在钻井过程中，基于上层钻井深度区域H_cs的下游末端处恒定的压强P1、相邻的下层钻井预定深度H和在下层钻井预定深度H的范围内预使用的钻井液的密度ρ_H得到预定深度H处的压强P3与密度ρ_H的关系；步骤二：由压强P3大于预定深度H处的地层孔隙压强P4并且小于预定深度H处的地层破裂压强P5，得到密度ρ_H的范围；步骤三：在密度ρ_H的范围内选择预使用的钻井液。

根据本发明的方法，在计算预定深度H处所需使用的钻井液的密度ρ_H时，使用了与该层相邻的上层钻井深度区域的下游末端处恒定的压强作为参考基准，而非海底井口处的压强为参考基准。随着钻进深度逐渐加深，不同预定深度的参考基准也是逐渐移动到地层深处。由此，根据本发明的方法计算得到的预定深度处的压强P3能够更加准确地反映该预定深度区域的压强环境，根据本发明的方法得到钻井液的密度ρ_H的范围也自然更加适用于该预定深度区域。实际上，根据本发明的方法得到的钻井液的密度ρ_H的范围大于根据现有技术的方法得到的钻井液的密度的范围。由此，在钻井过程中，施工人员能够在更大的安全范围内选择钻井液，这能够极大地降低钻井成本。

在一个实施例中，在上层钻井深度区域H_cs内安装有套管，压强P1对应于套管下游末端处的压强。通常，在钻井过程中，只有在完成一定深度区域的钻进并且在该深度区域安装套管和套管鞋之后，才会对下一层深度区域进行钻进，同时钻井液也会相应地更换，因此选择上层钻井深度区域内的套管的下游末端处的压强作为P1更加方便。

在一个实施例中，在步骤一中，压强P3与密度ρ_H的关系由下式来表示：

P3＝P1+ρ_Hg(H-H_cs)。

在一个实施例中，密度ρH的范围表示为：

其中，g为重力加速度，对于该预定深度H，压强P4和压强P5为已知量。在一个具体的实施例中，地层孔隙压强P4和地层破裂压强P5可通过在钻井前的测井或地震测试而获得。测井、地震测试是本领域常见的测试方法，为简单起见，这里不再赘述。

在一个实施例中，H_cs和H均以海平面为参考，在深度H_cs范围内的当量钻井液密度ρ_ecs为定值，压强P1由下式来表示：

P1＝ρ_ecsgH_cs。

在一个优选的实施例中，在深度H_cs范围内存在有密度不同的至少两种钻井液。在钻井过程中，通过更换该至少两种钻井液而将该深度区域H_cs范围内的当量钻井液密度ρ_ecs保持为定值。

在一个实施例中，在深度区域H_cs范围内的钻井液保持不变，以使得当量钻井液密度ρ_ecs保持为定值。实际上，在这种情况下，当量钻井液密度ρ_ecs就是钻井液的真实密度。

在一个实施例中，在深度区域H_cs范围内的存在有第一密度的第一钻井液，在准备使用密度大于所述第一密度的第二钻井液来进行与深度区域H_cs的相邻下层进行钻井时，需要将第一钻井液全部更换为第二钻井液，通过在深度区域H_cs的下游末端处抽走第二钻井液，而使当量钻井液密度ρ_ecs保持为定值。例如，可以在上层钻井深度区域H_cs的下游末端处设置海底泵。当钻井液被海底泵从深度区域H_cs的下游末端处抽取时，实际上钻井液产生的压强(或压力)部分地转变成使得钻井液流动的动能，由此使得在上层钻井深度区域H_cs的下游末端处的实际压强小于由H_cs高度的第二钻井液液柱产生的静态压强。这样，尽管第二钻井液的密度大于第一钻井液的密度，但是通过调节海底泵的泵送流量，仍可以保证在第二钻井液情况下的P1与在第一钻井液情况下的P1为相等，由此第二钻井液情况下的当量钻井液密度也与在第一钻井液情况下的当量钻井液密度相等。简而言之，在更换了钻井液后，P1为恒定，并且当量钻井液密度ρ_ecs也为定值。

在一个实施例中，压强P4由下式来表示：

P4＝ρ_pHgH，

压强P5由下式来表示：

P5＝ρ_fHgH,

其中，ρ_pH为对应于压强P4的当量钻井液密度，ρ_fH为对应于压强P5的当量钻井液密度，对于预定深度H，ρ_pH和ρ_fH为已知量，

由此，

根据本发明的第二方面，提出了根据上文所述的用于海底钻井的钻井液选择方法在钻井深度计算中的用途。由于根据本发明的用于海底钻井的钻井液选择方法得到钻井液的密度ρ_H的范围更加适用于该预定深度区域，因此使用该方法计算得到的钻井液密度能实现更大的钻井深度。

在本申请中，用语“当量钻井液密度”和“当量密度”均是指用该位置处的实际压强值除以重力加速度和该位置距海平面的高度而得到的数值。这些用语的含义和计算方法也是本领域的普通技术人员所熟知的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：根据本发明的用于海底钻井的钻井液选择方法能够获得更大的钻井液的密度ρ_H的范围，由此施工人员能够在更大的安全范围内选择钻井液，这能够极大地提高钻井安全性，降低钻井成本。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的用于海底钻井的钻井液密度选择方法的实施步骤；

图2示意性地显示了根据本发明的优选的实施例中的用于海底钻井的钻井液选择方法的原理；

图3以图像形式显示了根据本发明的方法得到的钻井液的密度范围与根据现有技术的方法得到的钻井液的密度范围；以及

图4是显示了根据本发明的方法获得的钻井液的密度范围来计算钻井深度的示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了实施根据本发明的用于海底钻井的钻井液选择方法的步骤。在钻井过程中，为了适应不断加深的钻井深度产生的不断变化的压力环境，通常对于相邻的钻井深度区域而言，当量钻井液密度不同。例如，通常而言，上层钻井深度的当量钻井液密度较小，而下层钻井深度的当量钻井液密度较大。

步骤1：在钻井过程中，基于上层钻井深度区域H_cs的下游末端处恒定的压强P1、相邻的下层钻井预定深度H和在下层钻井预定深度H的范围内预使用的钻井液的密度ρ_H得到预定深度H处的压强P3与密度ρ_H的关系。H_cs和H都可以海平面11为参考。

通常，每钻完一定的深度区域，就在该深度内安装套管12。然后更换钻井液进行下一层钻井。因此，使用上层的套管的下游末端处13的压强作为P1更加方便。

压强P3与密度ρ_H的关系可表示为：

P3＝P1+ρ_Hg(H-H_cs) 公式1

其中，g为重力加速度。

这是由于上层钻井深度区域H_cs(或上层的套管)内的钻井液与预定深度H内的钻井液的密度不同。

优选地，在上层钻井深度区域H_cs范围内的当量钻井液密度ρ_ecs为定值，压强P1由下式来表示：P1＝ρ_ecsgH_cs。由此，压强P1必然为恒定值。在这种情况下，压强P3可进一步表示为公式2。

P3＝ρ_ecsgH_cs+ρ_Hg(H-H_cs) 公式2

在钻井过程中，为了使当量钻井液密度ρ_ecs为定值，可在深度H_cs范围内的不同区内分别存在有密度不同的至少两种钻井液，并且及时调节该至少两种钻井液的量。例如，该深度区域H_cs范围包括两个区121、122，在下游区内存在有密度较大的钻井液，在上游区内存在有密度较小的钻井液。在这种情况下，当将下游区内的钻井液更换成密度更大的钻井液时，可相应将上游区内的钻井液更换成密度更小的钻井液，由此可保证当量钻井液密度ρ_ecs为定值。当深度区域H_cs范围内存在有大于两种的钻井液时，可以采用类似的方式来保证当量钻井液密度ρ_ecs为定值。

还可以在深度区域H_cs范围内的钻井液保持不变，以使得当量钻井液密度ρ_ecs保持为定值。实际上，在这种情况下，当量钻井液密度ρ_ecs就是钻井液的真实密度。

还可以在深度区域H_cs范围内的存在有第一密度的第一钻井液。在准备使用密度大于第一密度的第二钻井液来进行与深度区域H_cs的相邻下层进行钻井时，需要将第一钻井液全部更换为第二钻井液。通过在深度区域H_cs的下游末端处抽走第二钻井液，而使当量钻井液密度ρ_ecs保持为定值。对于海底钻井而言，通常借助于安装海底泵，抽走深度区域H_cs内的钻井液来实现当量钻井液密度ρ_ecs保持不变。

步骤2：由压强P3大于预定深度H处的地层孔隙压强P4并且小于预定深度H处的地层破裂压强P5，得到钻井液密度ρ_H的范围。地层孔隙压强P4和地层破裂压强P5可通过在钻井前的测井或地震测试而获得定值，这些方法都是本领域的技术人员所熟知。如果P3小于或等于地层孔隙压强P4，地层涌出物将会进入到井筒内，这会导致钻井难以进行。而当P3大于或等于地层破裂压强P5时，巨大的压力会将地层压坏，导致钻井液严重泄漏，同样钻井也难以进行。简而言之，压强P3与压强P4和P5的关系可由不等式3表示。

P4<P3<P4 不等式3

将公式1与不等式3联合，可得到密度ρH的范围表达式。

不等式4

如果，压强P4由公式5来表示，压强P5由公式6来表示：

P4＝ρ_pHgH， 公式5

P5＝ρ_fHgH, 公式6

其中，ρ_pH为对应于压强P4的当量密度，ρ_fH为对应于压强P5的当量密度，对于给定的预定深度H，ρ_pH和ρ_fH为已知量，

则不等式4可变形为不等式7。

不等式7

步骤3：在不等式4或不等式7确定的密度ρ_H的范围内选择用于预定深度H处的钻井液。

在现有技术中，对于预定深度H，钻井液的密度ρ’_H的范围表达式为不等式8。在不等式8中，ρ_pH和ρ_fH的含义与不等式7中的相同。

ρ_pH＜ρ，_H＜ρ_fH 不等式8

从不等式7可得到，ρ_H的范围宽度为

而不等式8可得到，ρ’_H的范围宽度为ρ_fH-ρ_pH。显然，根据不等式7(即本发明的方法)获得的ρ_H的范围宽度更大，因此施工人员能够在更大的安全范围内选择钻井液，同时使得钻井过程更加安全。

应理解的是，根据不等式4或不等式7，在ρ_ecsH_cs不变的情况下，随着H增加，P4和P5或ρ_pH和ρ_fH也是随之变化的，因此实际上不等式4或不等式7代表了两条曲线之间的区域。同理，不等式8也是如此。图3示意性地显示了这些曲线。

在图3中，横坐标为钻井液密度，纵坐标为预定深度。以不等式7为例，点划线是根据本发明的方法得到的曲线，其中左侧点划线31’代表了

右侧点划线31”代表了

则例如在H为4000米时，根据本发明的方法获得的钻井液的密度范围为31。

仍然看图3，虚线是根据现有技术的方法得到的曲线，其中左侧虚线32’代表了ρ_pH，右侧虚线32”代表了ρ_fH，则例如在H为4000米时，根据现有技术的方法获得的钻井液的密度范围为32。显然，在相同的条件下，密度范围31明显大于密度范围32，即根据本发明的方法得到的钻井液的密度范围更大，这意味着可选择的钻井液的类型更多。在图3中，与横坐标轴平行的直线35代表了在上层钻井深度区域H_cs内安装的套管的下游末端的位置。也就是说，根据密度范围为32选择的钻井液用于2000米以下的钻井深度。

图4是根据本发明的方法获得的钻井液的密度范围来计算钻井深度的示意图。在图4中存在有两条曲线41、42，其含义与图3中的曲线31’、31”相同。套管下游末端的位置在2000m深度的位置处，由此在图4中在2000m处做平行于横坐标轴的直线43。直线43与两条曲线41、42分别相交于A点和B点。在线段AB对应的钻井液密度的范围内做平行于纵坐标轴的纵向直线。纵向直线可能与曲线41相交(见图4中的直线44，其与曲线41相交于C点)，也可能与曲线42相交(未示出)，还可能向下延伸很远而不与曲线41或42相交(未示出)。对于交点C而言，其对应的横坐标，即为使用的钻井液密度，其对应的纵坐标，即为采用该钻井液密度情况下的可钻深度。

显然，曲线41、42之间的距离越大，纵向直线越不易与曲线41或曲线42相交。这意味着，使用这种钻井液可以安全地向地层深处钻进更远的距离，这对于钻井施工而言是非常有利的。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种用于海底钻井的钻井液选择方法，在钻井过程中，相邻的钻井深度区域的当量钻井液密度不同，所述方法包括以下步骤，

步骤一：在钻井过程中，基于上层钻井深度区域H_cs的下游末端处恒定的压强P1、相邻的下层钻井预定深度H和在所述下层钻井预定深度H的范围内预使用的钻井液的密度ρ_H得到所述下层钻井预定深度H处的压强P3与所述密度ρ_H的关系，

步骤二：由所述压强P3大于所述下层钻井预定深度H处的地层孔隙压强P4并且小于所述下层钻井预定深度H处的地层破裂压强P5得到所述密度ρ_H的范围；

步骤三：在所述密度ρ_H的范围内选择所述预使用的钻井液；

在所述步骤一中，所述压强P3与所述密度ρ_H的关系由下式来表示：

P3=P1+ρ_Hg(H-H_cs)；

所述密度ρ_H的范围表示为：

，

其中，g为重力加速度，对于所述下层钻井预定深度H，所述压强P4和压强P5为已知量；

所述H_cs和H均以海平面为参考，在所述上层钻井深度区域Hcs范围内的当量钻井液密度ρ_ecs为定值，所述压强P1由下式来表示：

P1=ρ_ecsgH_cs；

所述压强P4由下式来表示：

P4=ρ_pHgH，

所述压强P5由下式来表示：

P5=ρ_fHgH,

其中，所述ρ_pH为对应于所述压强P4的当量密度，所述ρ_fH为对应于所述压强P5的当量密度，对于所述下层钻井预定深度H，所述ρ_pH和ρ_fH为已知量，

由此，

；

在计算下层钻井预定深度H处所需使用的钻井液的密度ρ_H时，使用了与下层钻井预定深度H相邻的上层钻井深度区域的下游末端处恒定的压强作为参考基准，而非海底井口处的压强为参考基准，随着钻进深度逐渐加深，不同下层钻井预定深度的参考基准也是逐渐移动到地层深处。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述上层钻井深度区域Hcs范围内存在有密度不同的至少两种钻井液，

其中，在钻井过程中，通过更换所述至少两种钻井液而将所述上层钻井深度区域Hcs范围内的当量钻井液密度ρ_ecs保持为定值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述上层钻井深度区域Hcs范围内的钻井液保持不变，以使得所述当量钻井液密度ρ_ecs保持为定值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述上层钻井深度区域Hcs范围内存在有第一密度的第一钻井液，

在准备使用密度大于所述第一密度的第二钻井液来对所述上层钻井深度区域Hcs的相邻下层进行钻井时，需要将所述第一钻井液全部更换为所述第二钻井液，

通过在上层钻井深度区域Hcs的下游末端处抽走所述第二钻井液，而使所述当量钻井液密度ρ_ecs保持为定值。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述上层钻井深度区域H_cs内安装有套管，所述压强P1对应于所述套管下游末端的压强。

6.根据权利要求1到4中任一项所述的用于海底钻井的钻井液选择方法在钻井深度计算中的用途。

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