CN110593856A - 一种固井安全作业密度窗口测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固井安全作业密度窗口测定方法，所述测定方法包括：逐渐增大钻井液循环排量，计算不同钻井液循环排量下的实际环空动态当量密度直至实际环空动态当量密度不小于在固井作业时的最大环空动态当量密度，若出现井漏的情况，则计算漏失时刻环空动态当量密度，确定固井作业允许的环空动态当量密度上限；调整循环的钻井液密度，钻具下入井底，钻井液循环，若油气上窜速度满足固井安全作业要求且后效气测值能够在短时间内恢复原基值，则根据此时的钻井液密度计算固井作业允许的环空动态当量密度的下限。本发明能够安全、准确地确定超深井筒安全作业密度窗口，能够为固井浆柱结构、注替排量设计等提供科学、合理方案奠定基础。

Description

一种固井安全作业密度窗口测定方法

技术领域

本发明涉及油气田固井工程技术领域，更具体地讲，涉及一种固井安全作业密度窗口测定方法。

背景技术

随着勘探层位不断加深，固井封固段加长，长裸眼段多套压力系统并存，其主要矛盾表现为井筒安全当量密度窗口窄，固井环空压力控制难度大，井控风险非常高。固井作业不同于钻井，实钻情况表明，钻进期间喷漏共存矛盾，可采用精细控压方式钻进，实现井筒处于不漏或微漏、地层流体不出或微量流出的可控状态下安全作业。但固井作业有别于钻井，是一次性工程，补救措施极为有限，因此必须全过程实现环空压力平衡才能确保封固质量。

从钻井流程转化到固井流程，由于环空几何形态、流体介质种类和流变性能等变化，环空压力剖面出现巨大差异。安全密度窗口的准确预测是后续固井作业浆柱结构设计、工程参数优化等的基础。裸眼地层安全密度窗口范围包括承压能力上限和地层流体侵压力下限，准确获取这两个压力值，才能成功实施全程平衡压力固井作业。传统的井筒水力学流动规律的流体本构方程无法准确表征深井、超深井复杂条件下井筒流体的含温流动过程，在井筒低-高温交变条件下，钻井液流变性的变化规律复杂，影响了井筒压力剖面的准确预测和精细控制。此外，在探索安全密度窗口下限的方式上，多凭经验确定，取值较为保守，导致固井期间钻井液、隔离液、水泥浆等密度和性能不能满足工艺要求，诱发环空压力失衡，影响水泥环封固质量。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够安全、准确地确定井筒安全作业密度窗口的测定方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种固井安全作业密度窗口测定方法，所述测定方法可以包括以下步骤：逐渐增大钻井液循环排量，计算不同钻井液循环排量下的实际环空动态当量密度直至实际环空动态当量密度不小于在固井作业时的最大环空动态当量密度，若增大钻井液循环排量过程中出现井漏的情况，则计算漏失时刻环空动态当量密度，比较最大环空动态当量密度与漏失时刻环空动态当量密度的大小，确定固井作业允许的环空动态当量密度上限为：

ECD_up＝min(ECD_cem,ECD_leak)，

其中，ECD_up为固井作业允许的环空动态当量密度上限，ECD_cem为固井作业时的最大环空动态当量密度，ECD_leak为漏失时刻环空动态当量密度；

调整循环的钻井液密度，全井筒内钻井液密度均匀后钻具短起至上层套管鞋内静止观察井筒漏井、溢井情况，观察结束后，钻具下入井底，钻井液循环，若油气上窜速度满足固井安全作业要求且后效气测值能够在短时间内恢复原基值，则根据此时的钻井液密度计算固井作业允许的环空动态当量密度的下限为：

ECD_down＝ρ_mud+(0.02～0.03)，

其中，ECD_down固井作业允许的环空动态当量密度的下限，ρ_mud为所述此时的钻井液密度；

通过所述固井作业允许的环空动态当量密度上限以及固井作业允许的环空动态当量密度的下限得到固井作业安全作业密度窗口。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

(1)本发明的环空摩阻考虑了井筒循环温度对钻井液流变性能的影响，避免了采用室温钻井液流变参数计算环空摩阻造成的误差；

(2)本发明的流体的含温模式本构方程体现了流体在不同剪切速率下表现出来的剪应力具有温度响应特性，得到的环空摩阻计算精度＞92％；

(3)本发明通过精细控压流程介入固井作业前的承压试验，解决了大尺寸环空当量密度响应对循环排量变化不敏感的问题，能够准确控制环空压力剖面，使得固井作业前模拟深井、超深井筒的安全密度窗口承压当量密度不失真；

(4)通井循环期间降低全井筒钻井液密度寻求固井安全密度窗口作业下限，能够确保井控安全，调整钻井液密度、性能等操作安全性更高；

(5)本发明能够安全、准确地确定超深井筒安全作业密度窗口，能够为固井浆柱结构、注替排量设计等提供科学、合理方案奠定基础。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例的环空循环温度与井深的关系示意图；

图2示出了本发明一个示例性实施例的环空循环温度对环空摩阻的影响示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的固井安全作业密度窗口测定方法。

本发明提供了一种固井安全作业密度窗口测定方法。在本发明的固井安全作业密度窗口测定方法的一个示例性实施例中，所述测定方法可以包括：

S100，确定固井作业允许的环空动态当量密度上限；

S200，确定固井作业允许的环空动态当量密度下限。

在本实施例中，所述S100确定固井作业允许的环空动态当量密度上限可以包括：

S101，逐步提升钻井液循环排量进行井筒的承压实验。

在漏层或者易漏层选取一个测定点，根据实际电测井径、井温计算不同钻井液排量下的实际环空动态当量密度。逐步提升钻井液循环排量，对固井作业期间测定点的最大环空动态当量进行逼近，直至实际环空动态当量密度不小于在固井作业时的最大环空动态当量密度。

以上，环空动态当量密度是指将环空静液柱压力与环空摩阻之和折算成等静压力的工作液密度，钻井液循环期间的实际环空动态当量密度的计算公式可以为：

ECD_mud＝(0.00981×ρ×H_ver+P)/(0.00981×H_ver) (1)

其中，ECD_mud为钻井液循环期间的实际环空动态当量密度，g/cm³；ρ为钻井液密度，g/cm³；H_ver为测定点的垂深，m；P为测定点的环空摩阻，MPa。

最大环空动态当量密度可以由以下公式计算：

ECD_cem＝(P_S+P)/(0.00981×H_ver) (2)

其中，P_S为测定点的静液柱压力，MPa；P为测定点的环空摩阻，MPa；H_ver为测定点的垂深，m。

在进行环空动态当量密度计算时，环空摩阻的计算考虑了钻井液的含温流变模式和实际井径的影响，相比于传统的方法，可以避免常温条件下测量的流变特性有较大的差异。在环空循环温度为t时，流体的切力可以通过以下公式计算：

其中，b为温度系数，不同剪切速率时的温度系数不同，在转速Φ_i下的温度系数

t₁为环空循环温度，℃，分别是流体在温度t₀、t₁时转速Φ_i下测得的切力，τ₀为温度t₀时的流体切力，t₀表示室温，τ₀为测量值。由于在实际的计算过程中发现，在同一转速下t₁的取值不同对温度系数b的影响有限，因此，在实际计算过程中，t₁可以取值为某个环空温度即可，例如，可以取值60℃或者90℃等。

这里，环空循环温度可以由井筒温度传热模型，输入管柱，地层，流体的比热、热导率、换热系数等物性参数，使用有限差分的方法计算模型，代入边界条件后，利用高斯迭代方法求解。环空循环温度与井深的关系如图1所示，不同的井深对应不同的环空循环温度。通过计算环空循环温度，然后根据得到的环空循环温度利用公式(3)计算不同深度液体的流变性(流体切力)，最后根据流体切力计算得到环空摩阻。

在环空循环温度t₀、t₁，转速Φ_i下，可以利用旋转粘度计测量剪切应力值和(下表中的测量值τ)。温度为t时的预测值可以如下表1所示：

表1不同的温度t₀、t₁下的剪切应力

由不同循环温度t时下的流体切力τ(t)，可以计算得到广义的雷诺数，进而可以根据环空几何参数沿井筒温度剖面求解流动摩阻系数，环空摩阻可以有以下公式计算得到：

其中，P为环空摩阻；f(τ(t),s)为井筒环空循环温度为t，环空形态为s的流体摩阻系数，s为井眼和钻具几何尺寸的函数；L为环空段长；ρ为钻井液密度，n表示将井段分为n段，L_i表示第i段的长度；v为环空返速；D_h为井眼直径；D_o为管柱外径。如图2示出了在1000m时环空循环温度对环空摩阻的影响，而本发明在计算环空摩阻时考虑了井筒环空循环温度对钻井液流变性能的影响，避免了常温条件下测量的流变特性有较大差异。在计算得到τ(t)和s后，所述流体摩阻系数在层流状态下可以利用赫-巴流体环空结构流摩阻系数公式计算，紊流状态下可以利用赫-巴流体粗糙管范宁摩阻系数计算公式计算。

S102，若在进行井筒的承压实验过程中发生钻井液漏失，根据上述公式(1)计算漏失时刻的环空动态当量密度ECD_leak。在漏失时刻，环空摩阻发生改变，可以根据式(4)计算此时的环空摩阻。

S103，确定固定作业允许的环空动态密度上限为ECD_up＝min(ECD_cem,ECD_leak)，其中，ECD_up为固井作业允许的环空动态当量密度上限。

在本实施例中，所述S200确定固井作业允许的环空动态当量密度的下限可以包括：

逐渐调整循环钻井液密度，例如降低循环钻井液密度，全井筒钻井液密度均匀后，在循环无后效、液面平稳无异常的情况下，钻具短起至上层套管内做静止观察井筒内的漏井、溢井情况，确认是否存在井控风险。静止观察结束后，钻具再次下入井底，开泵钻井液循环，如果油气上窜速度满足安全作业要求且后效气测值能够在较短时间内恢复原基值，则在此时满足上述条件的钻井液密度ρ_mud，井作业允许的环空动态当量密度下限可以为：

ECD_down＝ρ_mud+(0.02～0.03)，

其中，ECD_down固井作业允许的环空动态当量密度下限，g/cm³。对于上述0.02～0.03g/cm³的范围内，可以取值为0.02g/cm³。

以上，油气上窜速度可以小于15m/h时属于安全范围。所述短时间内恢复原基值可以是在短时间内恢复正常(例如，一个迟到时间内恢复正常，即循环1个气层以上井段环容后内恢复正常)。原基值可以根据实际钻井进行确定。

通过上述求得的固井作业允许的环空动态当量密度上限ECD_up以及固井作业允许的环空动态当量密度的下限ECD_down可以得到固井作业的安全密度窗口ECD_safe范围为ECD_down≤ECD_safe≤ECD_up。

进一步的，静止观察的时间可以为通井开始起钻至套管下至设计井深的总时间。例如，最后一趟通井开始起钻至套管下至设计井深的总时间。

在本实施例中，所述测定方法还可以包括在上述S101之前，可以在中完或完钻作业的最后一趟通井钻具通井划眼到井底，充分循环排除后效油、气、水侵及沉砂，循环排量与正常钻进期间相当，调整进、出口钻井液密度达到与正常钻进期间相的钻井液一致。

在本实施例中，所述测定方法还可以包括如果增大钻井液循环排量不足以使的实际环空动态当量密度大于等于在固井作业时的最大环空动态当量密度(ECD_mud≥ECD_cem)，则可以通过节流循环，例如地面精细控压流程节流循环，控制一定的套压CUP，使循环承压动态当量密度满ECD_mud≥ECD_cem。其中，

CUP＝(ECD_cem×0.00981×H_ver-P_s-P)/(0.00981×H_ver)，

其中，CUP为环空控压值，H_ver为垂深，P_s为静液柱压力，P为环空摩阻。

在本实施例中，本发明的测定方法尤其适用于测定超深井固井安全作业密度窗口。所述超深井可以是深度大于5000米以上的深井，例如6000米的深井。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

川渝油气田川中地区磨溪气田某高压气井三开采用215.9mm钻头5250m中完，进行177.8mm尾管悬挂固井作业。固井作业前，需进行该开次裸眼井段安全密度窗口的测定，为后续固井方案设计和实施奠定基础。经初步计算，固井期间栖霞组漏层(4495m)承压最大环空动态当量密度ECD将达到2.45g/cm³，为防止该层系井漏，实现固井注水泥一次性上返，中完作业通井期间进行承压试验，确保栖霞组漏层承压满足注水泥一次性上返要求。具体做法是：采用三扶通井钻具划眼至井底附近，在井筒钻井液密度2.36g/cm³的情况下，循环充分排除后效，进出口密度均匀(2.36g/cm³)条件下进行承压试验。采用钻井液含温流变控制方程(上述式(4))，依据实测井径分段计算环空摩阻，累加得出环空总摩阻值。经计算，在目前井浆条件下，循环排量25L/s，缓慢控制节流阀位，提高环空控压值至1.5Mpa，液面计量平稳，即可模拟固井作业期间栖霞组漏层位置的允许的环空动态当量密度上限。

表1井筒承压作业参数

钻井液密度g/cm<sup>3</sup>	排量L/s	套压控压值MPa	当量密度g/cm<sup>3</sup>
				2.36	25	0	2.421
2.36	25	1.5	2.455

然后通过降钻井液密度的方式测试气侵压力即安全作业密度窗口下限。将钻井液密度由2.36g/cm3下调至2.30g/cm3，起钻至上层管鞋内，静止观察24h后开泵循环后效值较弱(全烃值＜10％)；再次通井至井底后，将钻井液密度由2.30g/cm3下调至2.28g/cm3，起钻至上层管鞋内，静止观察48h，下钻至井底开泵，计算龙潭组气层油气上窜速度12m/h，可将钻井液密度2.28g/cm3附加0.02g/cm3，即2.30g/cm³作为固井作业安全密度窗口下限值。由此确定了该井井筒的安全密度窗口范围(2.30～2.45g/cm3)，是后续进行固井工艺参数设计的前提。

综上所述，本发明的环空摩阻考虑了井筒循环温度对钻井液流变性能的影响，避免了常温条件下测量的流变特性有较大差异；本发明通过精细控压流程介入固井作业前的承压试验，解决了大尺寸环空当量密度响应对循环排量变化不敏感的问题，能够准确控制环空压力剖面，使得固井作业前模拟深井、超深井筒的安全密度窗口承压当量密度不失真；能够安全、准确地确定超深井筒安全作业密度窗口，能够为固井浆柱结构、注替排量设计等提供科学、合理方案奠定基础。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述测定方法包括以下步骤：

逐步增大钻井液循环排量，计算不同钻井液循环排量下的实际环空动态当量密度直至实际环空动态当量密度不小于在固井作业时的最大环空动态当量密度，若增大钻井液循环排量过程中出现井漏情况，则计算漏失时刻环空动态当量密度，比较最大环空动态当量密度与漏失时刻环空动态当量密度的大小，确定固井作业允许的环空动态当量密度上限为：

ECD_up＝min(ECD_cem,ECD_leak)，

其中，ECD_up为固井作业允许的环空动态当量密度上限，ECD_cem为固井作业时的最大环空动态当量密度，ECD_leak为漏失时刻环空动态当量密度；

调整循环的钻井液密度，全井筒内钻井液密度均匀后钻具短起至上层套管鞋内静止观察井筒漏井、溢井情况，观察结束后，钻具下入井底，钻井液循环，若油气上窜速度满足固井安全作业要求且后效气测值能够在短时间内恢复原基值，则根据此时的钻井液密度计算固井作业允许的环空动态当量密度下限为：

ECD_down＝ρ_mud+(0.02～0.03)，

其中，ECD_down固井作业允许的环空动态当量密度下限，ρ_mud为所述此时的钻井液密度；

通过所述固井作业允许的环空动态当量密度上限以及固井作业允许的环空动态当量密度下限得到固井作业安全作业密度窗口。

2.根据权利要求1所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述钻井液循环排量下的实际环空动态当量密度由以下公式计算：

ECD_mud＝(0.00981×ρ×H_ver+P)/(0.00981×H_ver)，

其中，ECD_mud为钻井液循环期间的实际环空动态当量密度；ρ为钻井液密度；H_ver为垂深；P为环空摩阻。

3.根据权利要求1所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述固井作业时的最大环空动态当量密度由以下公式计算：

ECD_cem＝(P_S+P)/(0.00981×H_ver)，

其中，P_S为静液柱压力；P为环空摩阻；H_ver为垂深。

4.根据权利要求2或3所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述环空摩阻的计算包括：

其中，P为环空摩阻；f(τ(t),s)为井筒循环温度为t，环空形态为s的流体摩阻系数，s为井眼和钻具几何尺寸的函数；n表示将井段分为n段，L_i表示第i段的环空段长；ρ为钻井液密度；v为环空返速；D_h为井眼直径；D_o为管柱外径；τ₀为温度t₀时的流体切力；t为温度；e为自然常数；b为温度系数；τ(t)为井筒循环温度t时的流体切力。

5.根据权利要求1所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述测定方法还包括逐渐增大钻井液循环排量之前将钻具通井划眼到井底，循环排除后效油、气、水侵及沉砂，保持循环排量与正常钻进期间相当并调整进、出口钻井液密度与原钻井液一致。

6.根据权利要求5所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述将钻具通井划眼到井底包括在中完或完钻作业最后一趟通井将钻具通井划眼到井底。

7.根据权利要求1所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述静止观察的时间为通井开始起钻至套管下至设计井深的总时间。

8.根据权利要求1所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述测定方法还包括在确定固井作业允许的环空动态当量密度上限的步骤中：

若通过增大钻井液循环排量不能使实际环空动态当量密度不小于固井作业时预测的最大环空动态当量密度，则通过节流循环，调节环空空压值以使实际环空动态当量密度不小于固井作业时预测的最大环空动态当量密度。

9.根据权利要求8所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述环空控压值通过以下公式计算：

CUP＝(ECD_cem×0.00981×H_ver-P_s-P)/(0.00981×H_ver)，

其中，CUP为环空控压值，H_ver为垂深，P_s为静液柱压力，P为环空摩阻。

10.根据权利要求1所述的固井安全作业密度窗口测定方法，其特征在于，所述测定方法适用于深度大于5000米以上的超深井固井安全作业密度窗口测定。