CN110656932B - 一种钻井过程中钻井液漏失位置估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，主要步骤是，钻井液循环系统内，在地层裸眼段中假定一个漏失层位置作为节点，通过固定泵入钻井液流量、记录泵压和钻井液返出流量，计算该节点的流入压力和流出压力；然后改变节点位置，计算相应节点的流入压力和流出压力；以节点压力差，节点流入压力减去节点流出压力，为横坐标，漏失层假定深度为纵坐标，绘制节点压力差散点图，最后在散点图基础上作线性拟合，求解拟合曲线在纵坐标上的截距，即求得漏失层位置。本发明的估算方法利用泵压、钻井液水力学参数、钻井液泵入流量和返出流量，可以高效地计算出钻井过程中漏失层位置。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别是一种估算钻井过程中钻井液漏失位置的方法。
背景技术
在油气勘探开发的钻井过程中，常常会遇到天然漏失通道而发生井漏，主要表现为井口钻井液返出量小于泵入量，或井口无钻井液返出(失返)。井漏是钻井工程中常见的井内复杂情况，多数钻井过程都有不同程度的漏失，严重的井漏会导致井内压力下降，影响正常钻井、引起井壁失稳、诱发地层流体涌入井筒并井喷。
找准漏失层位置是制定防漏、堵漏技术措施的第一步，是将井漏造成的损失降低到最低程度的关键。目前，漏失层位置的确定主要有三种方法：综合分析法、仪器测试法、水动力学测试法。综合分析法需要根据大量的现场数据作经验性的判断，其准确性较差；仪器测试法需要专业化队伍而且成本较高，经济效益较低；水动力学测试法主要有正反循环测试法、从钻杆内外同时泵注钻井液的测试法等等，其存在测试步骤繁琐，无法快速、高效的找到漏失层位置。
因此，针对上述问题提出一种钻井过程中钻井液漏失位置估算新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种简便、高效的钻井过程中钻井液漏失位置估算方法。
本发明提供的钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，技术方案如下：钻井液循环系统由地面管汇、钻柱内部、钻头喷嘴、钻柱与井壁形成的环形空间组成。在钻井液循环系统中，将假定的漏失层位置视作节点，实现将钻井液循环系统隔离成两个相对独立的子系统。通过固定泵入钻井液流量、记录泵压和钻井液返出流量，在地层裸眼段中改变节点位置，并计算相应的节点流入压力和流出压力。在坐标系中，以节点压力差(节点流入压力-节点流出压力)为横坐标，漏失层假定深度为纵坐标，绘制节点压力差散点图。最后，在散点图基础上作线性拟合，求解拟合曲线在纵坐标上的截距，即求得漏失层位置。
根据钻井液在井口是否有返出，按如下两种方式进行漏失层位置的估算：
(1)当钻井液返出流量Q出>0，即钻井液在井口有返出时，估算方法具体步骤如下：
S1、取漏失层位置初始深度为H漏，0＝H鞋+Δ0，其中，H漏，0是流失层中点的初始深度，H鞋为裸眼段上层套管下入深度，
T0是裸眼段最浅地层厚度；裸眼段地层厚度T按照地层深度从浅到深依次是T0、T1、T2…Tj-1、Tj；
S2、计算该初始节点的流入压力P入，0和流出压力P出，0；记录漏失层位置H漏，0，以及此种情况下相应的节点流入压力P入，0、流出压力P出，0；
S3、改变假定的漏失层位置，使其满足：漏失层位置深度H漏，j＝H漏，j-1+Δj，Δj＝Τj/2，H漏，j，H漏，j-1是漏失层中点的深度，当j为奇数时，则Δj＝Τj-1/2；判断是否满足：H漏≥H总、Δ＞Tjmax/2，H总是钻井总深度；若满足，则进行步骤S4；若不满足，则按照步骤S2的流入压力和流出压力计算方法计算该节点的流入压力P入，j和流出压力P出，j；并记录漏失层位置H漏，j，以及此种情况下对应的节点流入压力P入，j和流出压力P出，j；重复步骤S3，迭代计算并记录不同节点对应的流入压力P入，j和流出压力P出，j；直到满足条件：H漏≥H总、Δ＞Tjmax/2，停止步骤S3，进行步骤S4；
S4、在直角坐标系中，以节点压力差△Pj＝P入，j-P出，j为横坐标，假定漏失层深度为纵坐标，绘制节点压力差散点图，在散点图的基础上作线性拟合，求解拟合曲线在纵坐标上的截距，即求得漏失层位置。
上述方法中，所有的H漏都是指漏失层中点的深度。
所述步骤S2和S3中，计算流入压力P入的公式如下：
式中：
Ps是泵压，Pa；
Pab是井底到漏失层位置的环空压耗，Pa；
Pat是漏失层位置到井口的环空压耗，Pa；
n是钻柱内不同横截面井段数量；
m是漏失层以下环空尺寸不同井段数量；
Hj漏失层以下环空长度，m；
Hi钻杆的长度，m；
fpi是钻杆内摩阻系数；
vpi是钻杆内平均流速，m/s；
Di是钻杆内径，m；
ρ是流体密度，kg/m3；
Q入是体积流量，m3/s；
Dn1是钻头第一个水眼直径，m；
Dn2是钻头第二个水眼直径，m；
faj是漏失层以下环空内摩阻系数；
vaj是漏失层以下环空平均流速，m/s；
D2j是漏失层以下环空外径，m；
D1j是漏失层以下环空内径，m。
计算流出压力P出的公式如下：
式中：
k是漏失层以上环空尺寸不同井段数量；
ρ是流体密度，kg/m3；
Hk是漏失层以上环空长度，m；
fak是漏失层以上环空内摩阻系数；
vak是漏失层以上环空平均流速，m/s；
D2k是漏失层以上环空外径，m；
D1k是漏失层以上环空内径，m。
(2)当钻井液失返，即钻井液返出流量Q出≤0时，估算方法具体步骤如下：
S1、取漏失层位置初始深度为H漏，0＝H鞋+Δ0，其中，H鞋为裸眼段上层套管下入深度，
T0是裸眼段最浅地层厚度；裸眼段地层厚度T按照地层深度从浅到深依次是T0、T1、T2…Tj-1、Tj；
S2、流出压力P出，0等于0，只需要计算该初始节点的流入压力P入，0；
S3、改变假定的漏失层位置，使其满足：漏失层位置深度H漏，j＝H漏，j-1+Δj，Δj＝Τj/2，当迭代计数值j为奇数时，则Δj＝Τj-1/2；判断是否满足：H漏≥H总、Δ＞Tjmax/2，H总是钻井总深度；若满足，则进行步骤S4；若不满足，则按照步骤S2的计算流入压力方法计算该节点的流入压力P入，j，流出压力P出，j等于0，不需要计算；同时记录记录漏失层位置H漏，j，以及此种情况下对应的节点流入压力P入，j和泵压Ps；重复步骤S3，迭代计算并记录不同节点对应的流入压力P入，j和泵压Ps；直到满足条件：H漏≥H总、Δ＞Tjmax/2，停止步骤S3，进行步骤S4；
S4、在直角坐标系中，以节点流入压力P入，j为横坐标，假定漏失层深度为纵坐标，绘制节点流入压力散点图，在散点图的基础上作线性拟合，求解拟合曲线在纵坐标上的截距，即求得漏失层位置。
上述方法中，所有的H漏都是指漏失层中点的深度。
所述步骤S2和S3中，根据上述公式(1)计算流入压力P入。
计算流入压力P入的公式(1)和流出压力P出的公式(2)的推导过程如下：
依据钻井液水力学公式，可确定得出以下关系：
(1)钻杆内摩擦损失压力(内径视为相同)：
钻杆内雷诺数为，
如果Rep≤2100，则
如果Rep＞2100，则
钻杆内压耗为，
式中：
τ0是钻井液动切力，Pa；
μp是钻井液塑性黏度，Pa·s；
Pp是钻杆内压耗，Pa；
Lm是钻杆的长度，m；
fp是钻杆内摩阻系数；
vp是钻杆内平均流速，m/s；
D是钻杆内径，m；
ρ是流体密度，kg/m3。
(2)钻头水眼处的压降：
式中：
Pn是钻头水眼处压降，Pa；
Q是体积流量，m3/s；
Dn1是钻头第一个水眼直径，m；
Dn2是钻头第二个水眼直径，m。
(3)环空内摩擦损失压力(内径不同时，应逐段分别计算)：
环空内雷诺数为，
如果Rea≤2100，则
如果Rea＞2100，则
环空压耗为，
式中：
τ0是钻井液动切力，Pa；
μa是钻井液塑性黏度，Pa·s；
Pa是环空压耗，Pa；
Lm是环空长度，m；
fa是环空内摩阻系数；
va是环空平均流速，m/s；
D2是环空外径，m；
D1是环空内径，m；
ρ是流体密度，kg/m3。
(4)钻井液循环系统中，流入压力P入＝Ps-(Pp+Pn+Pab)，流出压力P出＝Pat，Pab是井底到漏失层位置的环空压耗，Pa；Pat是漏失层位置到井口的环空压耗，Pa。由于钻井液循环系统中各个井段横截面大小不同时，其压耗应逐段计算。因此，得到如下公式：
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
本发明提供了一种估算钻井过程中钻井液漏失位置的新方法，其主要利用泵压、钻井液水力学参数、钻井液泵入流量和返出流量，最终可以简单，高效地计算出钻井过程中漏失层位置。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是钻井液地下循环示意图。
图2是本发明的钻井液有返出模型求解流程图。
图3是本发明的钻井液失返模型求解流程图。
图4是实施例中原始数据分布散点图。
图5是实施例中筛选数据进行线性拟合。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，给出了钻井液在地下循环过程示意图。
当Q出>0，即钻井液在井口有返出时，本发明的钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，对应的估算求解流程如图2所示。
当Q出≤0，即钻井液失返时，本发明的钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，对应的估算求解流程如图3所示。
将本发明的方法应用在某个具体的钻井施工中。地层基本数据见表1。
表1、地层数据表
| 地层 | 岩性描述 | 底深(m) | 厚度(m) |
| 第四系 | 砾岩 | 350 | 350 |
| 新近系 | 泥岩 | 1448 | 1098 |
| 古近系 | 泥岩 | 1672 | 224 |
| 吐谷鲁群 | 泥岩 | 2316 | 644 |
| 齐古组 | 泥岩 | 2464 | 148 |
| 头屯河组 | 泥岩 | 2727 | 263 |
| 八道湾组 | 煤 | 2984 | 257 |
| 黄山街组 | 砂岩 | 3221 | 237 |
| 克拉玛依组 | 泥岩 | 3384 | 163 |
| 烧房沟组 | 泥岩 | 3560 | 176 |
| 韭菜园组 | 泥岩 | 3732 | 172 |
| 梧桐沟组 | 泥岩 | 3841 | 109 |
| 石炭系 | 泥岩 | 4450 | 609 |
套管数据：套管外径244.48mm，套管壁厚10mm，套管鞋深度3197.76m。
钻柱数据见表2。
表2、钻柱基本数据列表
| 钻杆外径(mm) | 钻杆壁厚(mm) | 钻杆长度(m) |
| 127 | 9.19 | 3693 |
| 钻铤外径(mm) | 钻铤壁厚(mm) | 钻铤长度(m) |
| 158.8 | 87.4 | 237 |
钻头数据：钻头位置3930m，钻头直径215.9mm，喷嘴直径11mm(6个等径喷嘴)。
钻井液数据：密度1.84g/cm3，塑性粘度50mPa·s，动切力19Pa。
漏失数据：泵入流量26L/s，返出流量24.68L/s，漏失前泵压21.73MPa，漏失后泵压19.13MPa。
由于钻井液在井口有返出，因此采用的是如图2所示的估算求解流程方法估算钻井液漏失位置。根据上述的基本数据计算出的不同假定漏失层位置对应的节点流入、流出压力，见表3。
表3、不同假定漏失层位置对应的节点流入、流出压力
在坐标系中，以节点压力差为横坐标、假定漏失层深度为纵坐标，绘制节点压力差散点图，见图4。最后，根据散点分布趋势筛选数据作线性拟合(见图5)，拟合方程为:H＝0.01735Δp+3862.7。其在纵坐标上的截距为3862.7，即可估计漏失层深度为3862.7m。
在其他施工案例中，若遇到钻井液失返的情况，则采用的是如图3所示的估算求解流程方法估算钻井液漏失位置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，其特征在于，钻井液循环系统内，在地层裸眼段中假定一个漏失层位置作为节点，通过固定泵入钻井液流量、记录泵压和钻井液返出流量，计算该节点的流入压力和流出压力；然后改变节点位置，计算相应节点的流入压力和流出压力；以节点压力差，节点流入压力减去节点流出压力，为横坐标，漏失层假定深度为纵坐标，绘制节点压力差散点图，最后在散点图基础上作线性拟合，求解拟合曲线在纵坐标上的截距，即求得漏失层位置；具体包括如下步骤：
S1、取漏失层位置初始深度为H漏，0＝H鞋+Δ0，其中，H鞋为裸眼段上层套管下入深度，
T0是裸眼段最浅地层厚度；裸眼段地层厚度T按照地层深度从浅到深依次是T0、T1、T2…Tj-1、Tj；
S2、计算该初始节点的流入压力P入，0和流出压力P出，0；
S3、改变假定的漏失层位置，使其满足：漏失层位置深度H漏，j＝H漏，j-1+Δj，Δj＝Tj/2，当j为奇数时，则Δj＝Tj-1/2；判断是否满足：H漏≥H总、Δ＞Tjmax/2，H总是钻井总深度；若满足，则进行步骤S4；若不满足，则按照步骤S2的流入压力和流出压力计算方法计算该节点的流入压力P入，j和流出压力P出，j；重复步骤S3，迭代计算并记录不同节点对应的流入压力P入，j和流出压力P出，j；直到满足条件：H漏≥H总、Δ＞Tjmax/2，停止步骤S3，进行步骤S4；
S4、在直角坐标系中，以节点压力差△Pj＝P入，j-P出，j为横坐标，假定漏失层深度为纵坐标，绘制节点压力差散点图，在散点图的基础上作线性拟合，求解拟合曲线在纵坐标上的截距，即求得漏失层位置。
2.如权利要求1所述的钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，其特征在于，当钻井液失返，即钻井液返出流量Q出≤0时，步骤S2和S3中，只需计算流入压力P入，流出压力P出等于0，步骤S4中，在直角坐标系中，以节点流入压力P入，j为横坐标，假定漏失层深度为纵坐标，绘制节点流入压力散点图，在散点图的基础上作线性拟合，求解拟合曲线在纵坐标上的截距，即求得漏失层位置。
3.如权利要求1或2所述的钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，其特征在于，所述步骤S2和S3中，计算流入压力P入的公式如下：
式中：
Ps是泵压，Pa；
Pab是井底到漏失层位置的环空压耗，Pa；
Pat是漏失层位置到井口的环空压耗，Pa；
n是钻柱内不同横截面井段数量；
m是漏失层以下环空尺寸不同井段数量；
Hj漏失层以下环空长度，m；
Hi钻杆的长度，m；
fpi是钻杆内摩阻系数；
vpi是钻杆内平均流速，m/s；
Di是钻杆内径，m；
ρ是流体密度，kg/m3；
Q入是体积流量，m3/s；
Dn1是钻头第一个水眼直径，m；
Dn2是钻头第二个水眼直径，m；
faj是漏失层以下环空内摩阻系数；
vaj是漏失层以下环空平均流速，m/s；
D2j是漏失层以下环空外径，m；
D1j是漏失层以下环空内径，m。
4.如权利要求1所述的钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，其特征在于，所述步骤S2和S3中，计算流出压力P出的公式如下：
式中：
k是漏失层以上环空尺寸不同井段数量；
ρ是流体密度，kg/m3；
Hk是漏失层以上环空长度，m；
fak是漏失层以上环空内摩阻系数；
vak是漏失层以上环空平均流速，m/s；
D2k是漏失层以上环空外径，m；
D1k是漏失层以上环空内径，m。
5.如权利要求1所述的钻井过程中钻井液漏失位置估算方法，其特征在于，所述钻井液循环系统由地面管汇、钻柱内部、钻头喷嘴、钻柱与井壁形成的环形空间组成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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