CN111734399A - 一种钻井过程中智能堵漏方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻井过程中智能堵漏方法和系统,包括:实时采集流速值,根据井筒出入口流速差值判断钻井是否存在漏失异常,若存在漏失异常,则计算漏速值及其对应的裂缝宽度、漏层待提升的地层强度数据;将计算结果输出至预先存储钻井桥接堵漏方案数据库的应用模块中中进行搜索,以得到最优钻井桥接堵漏方案,并可现场使用堵漏材料性能可视化装置验证堵漏效果。本发明通过对漏失地层的裂缝宽度、和漏失地层须被强化的压力值等数据进行定量分析,在传统的漏失地层漏速、岩性、邻井信息等信息的基础上,对漏失地层信息有更全面精确的分析;同时通过预先建立的钻井桥接堵漏方案数据库自动输出钻井桥接堵漏方案,提高堵漏效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻井堵漏技术领域,特别涉及一种钻井过程中智能堵漏方法和系统。
背景技术
随着常规油气资源逐步衰竭,钻井已走向超深层、复杂地层及非常规油气层,复杂地质环境及特殊钻井工艺并未减少井漏问题。尤其是在页岩气田钻井过程中,由于裂缝发育较好,以及窄钻进窗口挑战,井漏问题异常突出。
钻井液漏失问题处理过程中,由于在堵漏成功或将钻井液漏失降低到合理水平前,井漏问题有可能带来大量钻井液的损失,因此井漏也是最昂贵的钻井问题之一。
井漏的发生,一般要求同时存在以下三个条件:第一,钻井液液柱压力大于地层漏失压力,或钻井液液柱压力与泥浆激动压力之和大于地层破裂压力;第二,储层中存在漏失通道,如天然裂缝、溶洞孔缝或诱导缝;第三,钻井液中固相颗粒无法在孔缝中形成足够的封堵。当满足上述条件时,带有压力的钻井液就会从环空进入地层内部,严重的时候,钻井液注入井筒,导致钻井液失返。若处理不及时,还会带来井控风险。
漏发生后,为了开展有效的堵漏作业,最重要的是准确分析漏层性质和提出有针对性的堵漏方案。目前常用的方法是分析井漏后所采集的资料,这些资料一般包括漏失量、漏失速度、井口液面深度、钻井液性能、钻井工况及参数、地层岩性剖面、气测录井资料、邻井实钻情况,推测出漏层位置、井漏原因,以及结合邻井堵漏经验和人员经验,提出堵漏方案。但这些分析均停留在定性层面,缺少对该井漏失地层的裂缝宽度、和漏失地层须被强化的压力值等数据的定量分析,而这些定量数据对制定最常用的、最有成本优势的桥接堵漏方案起决定性作用。同时,目前依赖专家经验提出的堵漏方案,往往需要多次尝试、调整才能成功堵漏,恢复钻进,导致进一步延长了施工工期,增加了钻井成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的缺少对井漏失地层的裂缝宽度、和漏失地层须被强化的压力值等数据进行定量分析、导致堵漏方案不准确的问题,提供一种钻井过程中智能堵漏方法和系统,能够对漏失地层的裂缝宽度、和漏失地层须被强化的压力值等数据进行定量分析,对漏失状态有更精确全面的分析;同时通过收集大量实验数据、工程经验,预先建立钻井桥接堵漏方案数据库,该数据库能够自动输出匹配度最高的钻井桥接堵漏方案。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
一种钻井过程中智能堵漏方法,包括:
步骤1:结合钻井参数,实时计算钻井的井底压力值;采集并监测钻井出口的流速值,根据所述流速值判断钻井是否存在漏失异常,若存在漏失异常,则进入步骤2;
步骤2:根据计算得到的漏失异常停止时的井底压力值计算漏层待提升的强度数据;以及,
根据所述流速值计算漏速值,根据计算所得漏速值以及所述漏失异常停止时的井底压力值计算裂缝宽度;
步骤3:将计算得到的漏速值、裂缝宽度和漏层待提升的强度数据输出至预先存储的钻井桥接堵漏方案数据库中进行搜索,以搜索得到匹配度最高的钻井桥接堵漏方案。
优选的,所述实时计算钻井的井底压力值,包括:
根据所述钻井参数中的井底垂深、泥浆比重计算钻井井底静液柱压力值;
根据所述钻井参数中的钻具长度、钻具外径、钻头尺寸、上开套管内径及长度计算钻井井底环空摩阻值;
将所述钻井参数中的地面背压值与所述钻井井底静液柱压力值及钻井井底环空摩阻值相加得到所述漏失异常停止时的井底压力值。
优选的,所述漏层待提升的强度数据ΔP由下式求得:
ΔP=BHPreq-BHPloss
其中,BHPreq为目标地层破裂压力值,BHPloss为漏失异常停止时的井底压力值。
优选的,所述漏速值等于所述流速值与所述钻井参数中的泥浆入口流速的差值,为负值。
优选的,所述根据计算所得漏速值以及所述漏失异常停止时的井底压力值计算裂缝宽度,包括:
对所述漏速值进行积分得到漏失量;以及,计算漏失异常发生前的井底压力值与所述漏失异常停止时的井底压力值之间的压差;
根据所述漏失量、压差计算所述裂缝宽度。
进一步优选的,所述裂缝宽度的计算模型为:
其中,dP/dr为基于宾汉流体模型的压降,单位kPa/m;r为钻井参数中的泥浆侵入带半径,单位m;P为所述漏失异常发生前井底压力值与所述漏失异常停止时的井底压力值之间的压差;PV为钻井参数中的泥浆塑性粘度,单位cp; Vm为积分得到的漏失量,单位l;w为漏失地层裂缝宽度,单位m;dVm(t)/dt 为沿井筒轴向裂缝的泥浆漏失速率,单位l/hr;YP为泥浆动切力,单位lbs/100ft2。
进一步优选的,根据所述流速值判断钻井是否存在漏失异常包括:
判断所采集到的流速值是否低于流速阈值,若否,则认为流速正常、不存在漏失异常;若是,则持续监测所述流速值,并根据预设时间判断所述流速值低于流速阈值是否为连续事件;若为连续事件,则判断存在漏失异常,并进入步骤2;若为非连续事件,则判断为不存在漏失异常。
进一步优选的,还包括:基于漏失时间绘制所述漏速值与井底压力值的关系图以及漏速值与裂缝宽度的关系图。
进一步优选的,所述钻井桥接堵漏方案数据库由钻井堵漏实验结果、以往工程经验、行业参考堵漏文献所建立;并根据实际钻井桥接堵漏方案对所述钻井桥接堵漏方案数据库进行实时更新。
在本发明进一步的实施例中还提供一种钻井过程中智能堵漏系统,包括:
流量计,安装于钻井系统的泥浆循环出口处,用于采集钻井出口流速值和泥浆密度值;并输出至第一数据处理模块;
第一数据处理模块,用于与钻井系统中的综合录井仪通讯连接,以接收钻井参数;并结合钻井参数,实时计算钻井的井底压力值;监测所述流速值,并根据所述流速值判断钻井是否存在漏失异常,若存在漏失异常,则根据据计算得到的漏失异常停止时的井底压力值计算漏层待提升的强度数据;以及,根据所述流速值计算漏速值,根据计算所得漏速值以及所述漏失异常停止时的井底压力值计算裂缝宽度;并将其计算得到的数据传输至第二数据处理模块;
第二数据处理模块,用于存储钻井桥接堵漏方案数据库,根据第一数据处理模块传输的数据在所述钻井桥接堵漏方案数据库中进行搜索,找到匹配度最高的钻井桥接堵漏方案,并输出。
与现有技术相比,本发明的有益效果:通过对设置在钻井出口处的流量计采集到的流速值进行监控,当监测到漏失异常发生时,根据漏速、漏失发生前后的井底压力(漏层压力)计算漏失地层的裂缝宽度和漏失地层待提升强度数据;能够对裂缝宽度、漏失地层待提升强度数据进行定量分析,以对钻井漏失状态有更全面精确的分析,基于该分析得到的堵漏方案更准确、全面;同时通过收集大量实验数据、工程经验,预先建立钻井桥接堵漏方案数据库,将定量分析结果输出至所述数据库,能够自动输出匹配度最高的钻井桥接堵漏方案,有效提升堵漏决策的效率。
附图说明:
图1为本发明示例性实施例的钻井过程中智能堵漏系统结构示意图。
图2为本发明示例性实施例的钻井过程中智能堵漏方法流程图。
图3为本发明示例性实施例的钻井过程中漏速与井底压力值关系图。
图4为本发明示例性实施例的钻井过程中漏速与裂缝宽度关系图。
图5a为本发明示例性实施例的可视化模拟堵漏试验曲线图1。
图5b为本发明示例性实施例的可视化模拟堵漏试验曲线图2。
图5c为本发明示例性实施例的可视化模拟堵漏试验曲线图3。
图5d为本发明示例性实施例的可视化模拟堵漏试验曲线图4。
图5e为本发明示例性实施例的可视化模拟堵漏试验曲线图5。
图5f为本发明示例性实施例的可视化模拟堵漏试验曲线图6。
图6为本发明示例性实施例的实际缝板的封堵试验结果图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
图1示出了本发明示例性实施例的钻井过程中智能堵漏系统,包括:安装在钻井系统泥浆循环出口处的流量计(科式流量计或电磁流量计)以及用于连接钻井系统的综合录井仪的数据处理模块,包括第一数据处理模块和第二数据处理模块,能够进行漏失检测计算和堵漏方案输出。其中,综合录井仪是钻井系统中的数据采集中心,并会实时将其中的钻井参数(包括提前录入的参数和接收到的各个传感器数据)通过数据交换机与数据处理模块(图中的计算机) 共享。
现场连接如图1所示的系统,打开系统后,须人工录入如下数据(钻井的物理参数):1)入井钻具尺寸,如钻杆内外径、加重钻杆内外径及长度、钻铤内外径及长度、螺杆内外径及长度、其他钻具内外径及长度、钻头尺寸及长度、钻头水眼尺寸及个数;2)上开套管内径及总长度、上开套管鞋垂深和斜深;3) 地面管线类型,如立管长度与内径、水龙带长度与内径、循环头长度及内径、方钻杆长度及内径。系统自检数据通讯状态,若有异常,报警,直到解决。
图2示出了本发明示例性实施例的钻井过程中智能堵漏方法,包括:
步骤1:结合钻井参数,实时计算钻井的井底压力值;采集并监测钻井出口的流速值,根据所述流速值判断钻井是否存在漏失异常,若存在漏失异常,则进入步骤2;
实际上,当连接完成后,堵漏系统会结合综合录井仪的钻井参数(包括物理参数和钻井系统中各个传感器传输至综合录井仪的状态参数)自动计算实时井底压力,并监测流量计的流速值以持续判断钻井液是否存在漏失异常。
所述钻井参数包括:提前录入的钻井物理参数和实时接收的钻井状态参数。所述钻井物理参数包括:入井钻具尺寸、钻杆内外径、加重钻杆内外径及长度、钻铤内外径及长度、螺杆内外径及长度、其他井下钻具内外径及长度、钻头尺寸及长度、钻头水眼尺寸及个数;上开套管内径及总长度、上开套管鞋垂深和斜深、立管长度与内径、水龙带长度与内径、循环头长度及内径、方钻杆长度及内径、泥浆入口密度、流变参数等,以及实时接收的钻井状态参数包括:立管压力、地面背压值、泥浆出口密度、泥浆入口流速、泥浆出口流速(钻井出口的流速值)、井底垂深和斜深、钻头垂深和斜深等。
其中,井底压力的计算包括:根据井底垂深、泥浆比重计算钻井井底静液柱压力值Ph;根据钻具长度、钻具外径计算钻井环空摩阻值,计算方式为范宁达西公式:
其中,f是范宁水力摩阻系数,ρ是钻井液密度,L是长度,V是流速,r是水力半径,即流道截面半径。钻井环空摩阻值计算过程为:根据钻具外径值,将环空分段,分别计算其环空摩阻值,最终累加获得钻井环空摩阻值。
实时接收地面压力表测得的环空地面背压值SBP;将接收到的环空地面背压值、钻井井底静液柱压力值Ph、钻井环空摩阻值ΔP运算得到钻井的井底压力值BHP。
BHP=SBP+ΔP+Ph。
进一步的,上述井底压力为3部分压力之和,分别计算如下:井底静夜柱压力Ph,单位kPa,Ph=TVD*MW,其中TVD为井底垂深,单位m;MW为泥浆比重,单位kPa/m。
环空摩阻,每段钻具的压耗ΔP,单位kPa,若为层流, 若为紊流,其中L为该段钻具长度,单位m;YP为动切力,单位Pa;PV为塑性粘度,单位 mPa·s;D2为井筒或上开套管内径,单位mm;D1为钻具外径,单位mm;V 为该段钻具环空钻井液流速,单位m/min;Q为钻井液排量,单位l/min。环空钻井液流型判断,关键流速该段钻具对应的环空钻井液实际流速如果V>Vc,钻井液流型为紊流,否则钻井液流型为层流。环空地面背压SBP,单位kPa,由地面压力表读出,若环空与大气连通,SBP取0。
进一步的,采集并监测钻井出口的流速值,根据流速值判断钻井是否存在漏失异常,若存在漏失异常,即发现出口流速持续低于入口流速某个阈值后,提醒发生漏失异常。具体为:判断所采集到的流速值是否低于流速阈值,若否,则认为流速正常、不存在漏失异常;若是,则持续监测所述流速值,并根据预设时间判断所述流速值低于流速阈值是否为连续事件;若为连续事件,则判断存在漏失异常,并进入步骤2;若为非连续事件,则判断为不存在漏失异常。注:持续时间一般超过1分钟计为连续事件,流速阈值一般为15l/min,需由具体井况进行校正。并且当提醒漏失异常后,现在工作人员通过核实地面管线没有刺漏,确定钻井液漏失后,司钻按照常规钻井工艺规定,如降低泥浆泵泵速等操作,待钻井液停止漏失后,小排量提升泥浆泵泵速,直到科式流量计检测到漏失,再以更小的排量降低泥浆泵泵速,直到钻井液停止漏失,随后司钻按照常规操作即可,此时即可开始计算漏失量和堵漏方案。
步骤2:根据计算得到的漏失异常停止时的井底压力值计算漏层待提升的强度数据;以及,根据所述流速值计算漏速值,根据计算所得漏速值以及所述漏失异常停止时的井底压力值计算裂缝宽度;
具体的,人工录入漏失开始时间、停止时间,第一数据处理模块自动计算出漏速、裂缝宽度、和漏层待提升的强度数据,以及漏速与井底当量循环密度 (井底压力)的关系图和漏速与裂缝宽度的关系图(如图3、图4所示),具体算法如下“技术措施”所述。
漏层待提升的强度计算方法为,漏失发生后,重建了循环平衡时,即刚好不漏(漏失异常停止时),此时井底压力值为地层破裂压力值Pl;系统中实时计算计算井底压力值,此时读取漏失异常停止时的井底压力值(此时的井底压力值即为地层破裂压力值)计算漏层待提升的强度数据ΔP由下式求得:
ΔP=BHPreq-BHPloss
其中,BHPreq为目标地层破裂压力值,BHPloss为漏失异常停止时的井底压力值。目标地层破裂压力值可以为漏失异常发生前的井底压力值,也可以是工作人员现场评估修正后的设定值。
接着对所述漏速值进行积分得到漏失量;并计算漏失异常发生前井底压力值与所述漏失异常停止时的井底压力值之间的压差;根据所述漏失量、压差计算所述裂缝宽度。
其中,dP/dr为基于宾汉流体模型的压降,单位kPa/m;r为钻井参数中的泥浆侵入带半径,单位m;P为所述漏失异常发生时井底压力值与所述漏失异常停止时的井底压力值之间的压差;PV为泥浆塑性粘度,单位cp;Vm为积分得到的漏失量,单位l;w为漏失地层裂缝宽度,单位m;dVm(t)/dt为沿井筒轴向裂缝的泥浆漏失速率(漏速),单位l/hr;YP为泥浆动切力,单位lbs/100ft2。该模型的初始条件为:r等于井筒半径时,dP/dr=0;边界条件为:r大于井筒半径时, dP为漏失发生后,漏失异常发生前井底压力值与所述漏失异常停止时的井底压力值之间的压差。本发明所采用的裂缝宽度计算模型是基于Olivier Lietard 1999年使用达西公式和宾汉塑性流体模型推导出的计算模型进行演变得到,本发明的裂缝宽度计算模型在Olivier Lietard所提出的计算模型基础上,经过参数等价变换,以及边界条件的转换,即可得到上述缝宽模型,经过数值模拟计算,本发明所采用的裂缝宽度模型精度在误差允许之内,且能够很好地为后面堵漏进行指导。
步骤3:将计算得到的漏速、裂缝宽度、和漏层待提升的强度数据输出至预先存储的钻井桥接堵漏方案数据库中进行搜索,以搜索得到匹配度最高的钻井桥接堵漏方案。
具体的,由第二数据处理模块根据计算结果输出推荐的桥接堵漏方案,以及堵漏时的井底压力控制值,供现场工程人员参考。并且在实际使用时,考虑到实际异常情况,现场工程人员也可对关键参数——漏速、裂缝宽度、和漏层待提升的强度数据进行修正,由第二数据处理模块重新输出推荐的桥接堵漏方案。
桥接堵漏方案库的建立步骤包括:首先,结合刚性封堵理论(参照文献:《封堵技术基础理论回顾与展望》)和一般堵漏成功经验,建立桥接堵漏方案基础模板,其次,使用堵漏材料性能评价装置(如一种承压钻井液封堵及堵漏材料性能可视化评价装置,专利号:ZL201510601414.4),基于承压能力和缝板封堵情况,优化针对不同缝宽的桥接堵漏方案。以1mm缝宽为例,利用上述承压钻井液封堵及堵漏材料性能可视化评价装置评价各堵漏方案的堵漏效果。从下图 5a~图5f可知,其中横坐标为试验时间,纵坐标为承压压力值。在堵漏承压能力方面,左上和左下压力曲线对应的堵漏方案不具备堵漏能力,即在一定时间内无法形成漏失封堵,而且承压能力欠缺;右中和右下压力曲线对应的堵漏方案有一定的封堵能力,但无法形成稳定的堵漏效果;左中和右上压力曲线对应的堵漏方案具有良好的堵漏效果,不仅在1分钟左右形成封堵,而且10分钟内压力基本稳定。因此应选择图5b和图5c压力曲线对应的堵漏方案。在承压能力基础上,继续通过缝板的封堵情况来进一步优化堵漏方案。从图6可知,不锈钢原片中间开口形成一条1mm宽*15mm长*5mm深的缝,堵漏清理缝表面的堵漏材料后,观察缝中封堵情况,发现左上、左下和右上对应的堵漏方案并未在缝中形成封堵,虽然具有承压能力,但不能形成稳定封堵;右下对应的堵漏方案在缝中形成了有效封堵,为最佳方案。最后,可以根据某区块特定漏层的实际堵漏成功经验,进一步优化堵漏方案,并通过第二步验证优化结果,初步建立了针对本区块的堵漏方案库:
(1)轻微漏失(漏速≤2m3/hr),缝宽范围为10-300μm,10m3堵漏浆配方为: 400kg40μm粒径+300kg 100μm粒径+300kg 400μm粒径的堵漏剂混合物
(2)中等漏失(漏速≤8m3/hr),缝宽范围为300-700μm,10m3堵漏浆配方为: 600kg40μm粒径+450kg 100μm粒径+450kg 400μm粒径+150kg 1mm 粒径的堵漏剂混合物
(3)严重漏失(漏速>8m3/hr),缝宽范围为大于700μm,10m3堵漏浆配方为: 800kg100μm粒径+600kg 400μm粒径+600kg 1mm粒径+200kg 2.5mm粒径的堵漏剂混合物
并基于后续实际的堵漏作业,持续优化堵漏方案库。该方案库将整合各类地层的成功堵漏经验,持续改善。
以上所述,仅为本专利具体实施方式的详细说明,而非对本专利的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下,做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钻井过程中智能堵漏方法,其特征在于,包括:
步骤1:结合钻井参数,实时计算钻井的井底压力值;采集并监测钻井出口的流速值,根据所述流速值判断钻井是否存在漏失异常,若存在漏失异常,则进入步骤2;
步骤2:根据计算得到的漏失异常停止时的井底压力值计算漏层待提升的强度数据;以及,
根据所述流速值计算漏速值,根据计算所得漏速值以及所述漏失异常停止时的井底压力值计算裂缝宽度;
步骤3:将计算得到的漏速值、裂缝宽度和漏层待提升的强度数据输出至预先存储的钻井桥接堵漏方案数据库中进行搜索,以搜索得到匹配度最高的钻井桥接堵漏方案。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述实时计算钻井的井底压力值,包括:
根据所述钻井参数中的井底垂深、泥浆比重计算钻井井底静液柱压力值;
根据所述钻井参数中的钻具长度、钻具外径、钻头尺寸、上开套管内径及长度计算钻井井底环空摩阻值;
将所述钻井参数中的地面背压值与所述钻井井底静液柱压力值及钻井井底环空摩阻值相加得到所述漏失异常停止时的井底压力值。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述漏层待提升的强度数据ΔP由下式求得:
ΔP=BHPreq-BHPloss
其中,BHPreq为目标地层破裂压力值,BHPloss为漏失异常停止时的井底压力值。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述漏速值等于所述流速值与所述钻井参数中的泥浆入口流速的差值,为负值。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据计算所得漏速值以及所述漏失异常停止时的井底压力值计算裂缝宽度,包括:
对所述漏速值进行积分得到漏失量;以及,计算漏失异常发生前的井底压力值与所述漏失异常停止时的井底压力值之间的压差;
根据所述漏失量、压差计算所述裂缝宽度。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述流速值判断钻井是否存在漏失异常包括:
判断所采集到的流速值是否低于流速阈值,若否,则认为流速正常、不存在漏失异常;若是,则持续监测所述流速值,并根据预设时间判断所述流速值低于流速阈值是否为连续事件;若为连续事件,则判断存在漏失异常,并进入步骤2;若为非连续事件,则判断为不存在漏失异常。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括:基于漏失时间绘制所述漏速值与井底压力值的关系图以及漏速值与裂缝宽度的关系图。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述钻井桥接堵漏方案数据库由钻井堵漏实验结果、以往工程经验、行业参考堵漏文献所建立;并根据实际钻井桥接堵漏方案对所述钻井桥接堵漏方案数据库进行实时更新。
10.一种钻井过程中智能堵漏系统,其特征在于,包括:
流量计,安装于钻井系统的泥浆循环出口处,用于采集钻井出口流速值和泥浆密度值;并输出至第一数据处理模块;
第一数据处理模块,用于与钻井系统中的综合录井仪通讯连接,以接收钻井参数;并结合钻井参数,实时计算钻井的井底压力值;监测所述流速值,并根据所述流速值判断钻井是否存在漏失异常,若存在漏失异常,则根据据计算得到的漏失异常停止时的井底压力值计算漏层待提升的强度数据;以及,根据所述流速值计算漏速值,根据计算所得漏速值以及所述漏失异常停止时的井底压力值计算裂缝宽度;并将其计算得到的数据传输至第二数据处理模块;
第二数据处理模块,用于存储钻井桥接堵漏方案数据库,根据第一数据处理模块传输的数据在所述钻井桥接堵漏方案数据库中进行搜索,找到匹配度最高的钻井桥接堵漏方案,并输出。
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