CN112878904A - 一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，通过井下举升泵、泵入钻井液节流控制装置和返出钻井液节流控制装置的调控，精确控制隔离液的位置，随着井深增加，隔离液位置不断变化，使钻进过程中井底当量密度和所有裸眼井段当量密度处于安全密度窗口内，从而提高钻进过程的安全性，这样可以使得单次钻进深度最大，从而减少套管层次，优化井身结构，节约特种钢用量，减少套管和固井水泥的用量，显著节约钻井和固井成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，属于深水油气钻井工程技术领域。
背景技术
近年来，深水油气开发越来越受到国际关注，深水油气开发成为21世纪世界各国竞相研究的热点。常规钻井技术在陆地油气开采中越来越成熟，但应用到深水油气开采却面临诸多问题：深水钻井中安全密度窗口狭窄、井控难度大、环境污染风险高。常规钻井技术利用增加套管层次的方法来解决安全密度窗口狭窄的问题，大大增加了钻井成本。上世纪90年代，双梯度钻井技术在国外开始应用于实际生产中，目前双梯度钻井技术主要分为无隔水管钻井技术、海底泵举升钻井液钻井技术、双密度钻井技术。
海底泵举升钻井液钻井技术需要在海底安装海底泵，利用海底泵将泥线至井底环空钻井液通过单独的小管径回流管线举升至钻井平台。该技术适用范围最广，但成本相对较高，技术要求较高，有环保处理的问题。
无隔水管双梯度钻井技术不采用隔水管，直接将钻杆裸露在海水中，利用在井底安装旋转控制头，来隔开海水段的影响。该技术节约了隔水管的成本但海底吸入模块、海底泵设计要求高，控制理论和方法不成熟。
双密度钻井技术利用注气、注空心球的方法改变海底至海面处隔水管的钻井液密度，从而实现双梯度钻井，该技术经济性优于海底泵举升钻井液技术，但双梯度实现效果不太理想。
CN111021958A提出了一种双层管双梯度钻井系统，该系统具有成本较低、双梯度实现能力较强、可实时切换常规钻井模式的优点，但面临着井身结构优化方法没有被提出的问题。本发明提出的双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法则很好地解决了双层管双梯度钻井技术井身结构优化方法没有被提出的问题。
发明内容
本发明主要是解决双层管双梯度钻井技术不成熟、井身结构优化方法没有被提出的问题，提出一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，通过井下举升泵和节流控制装置的调控，精确控制隔离液的位置，随着井深增加，隔离液位置不断变化，使井底当量密度一直控制在安全密度窗口内，这样可以使得单次钻进深度最大，从而减少套管层次，优化井身结构，节约钻井成本。
本发明实施例的具体技术方案是：
步骤S10、获取钻井的基本参数；
步骤S20、设计出钻井液泥浆密度；
步骤S30、设计出钻井液井底安全密度窗口；
步骤S40、设计出隔离液安全位置范围及隔离液中间位置曲线；
步骤S50、改变隔离液的初始位置，重复步骤S20、S30、S40，以得到最优的井身结构设计；
步骤S60、钻前准备；
步骤S70、利用井下举升泵、泵入钻井液节流控制装置和返出钻井液节流控制装置，调控隔离液位置到隔离液初始位置；
步骤S80、正常钻进，根据隔离液中间位置曲线，利用井下举升泵和节流控制装置，实时调控隔离液的位置，利用隔离液位置监测装置实时监测隔离液位置；
步骤S90、单次钻进完成，进行下套管、固井操作；
步骤S100、按照优化后的井身结构设计重复步骤S60、S70、S80、S90；
步骤S110、钻井完成。
进一步的技术方案是，所述S10步骤中获取钻井的基本参数包括地层压力剖面数值、海水密度、泥线位置。
进一步的技术方案是，所述S20步骤中所述钻井液泥浆密度的设计是根据钻井的基本参数、隔离液初始位置计算钻井液泥浆密度。
进一步的技术方案是，所述S30步骤中所述钻井液井底安全密度窗口的设计是根据所述地层压力剖面曲线、所述钻井液泥浆密度、所述隔离液初始位置参数设计而来。根据所述地层压力剖面曲线中地层孔隙压力、地层破裂压力曲线与井深变化的关系，即井段当量密度安全范围，计算出井底当量密度安全范围随井深变化关系，即井底安全密度窗口。
进一步的技术方案是，所述S40步骤中所述隔离液安全位置范围的设计是依靠井底安全密度窗口、钻井液泥浆密度、隔离液初始位置参数设计而来。根据井底当量密度安全范围计算出隔离液安全位置范围随井深变化关系，取每个井深处，隔离液安全范围的中点，即可求出隔离液中间位置随井深变化关系曲线。
进一步的技术方案是，所述S60步骤中钻前准备指调试好所述井下举升泵、所述泵入钻井液节流控制装置和所述返出钻井液节流控制装置，将隔离液、钻井液泥浆分别注入到双层管外管与套管环空中，做好钻前准备。
进一步的技术方案是，所述S70步骤中钻进过程需要利用所述井下举升泵、所述泵入钻井液节流控制装置和返出钻井液节流控制装置严格按照所述隔离液中间位置随井深变化关系曲线调控，隔离液的实时位置由所述隔离液位置监测系统反馈给所述隔离液位置自动控制系统，并由所述隔离液位置自动控制系统调控所述井下举升泵、所述泵入钻井液节流控制装置和所述返出钻井液节流控制装置，从而在钻进过程中实时地、精确地、自动地调节所述井底当量密度，使所述井底当量密度和所述所有井段当量密度严格地控制在所述安全密度窗口内，从而保证钻进过程的安全，并极大的提高单次钻井深度，达到减少套管层次、优化井身结构、节约钻井成本的目的。
进一步的技术方案是，所述优化后的井身结构设计将常规钻井与双梯度钻井结合，最大化开发钻井深度，并减少套管层次。在所述双层管双梯度钻井技术中，常规钻井方式和双梯度钻井方式可以实时切换，这就可以保证在整个钻井过程中，针对不同的井段，可以采用不同的钻井方式，以获得最大化钻井效益。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的隔离液中间位置随井深变化关系曲线可以保证在钻进过程中井底当量密度和所有裸眼井段当量密度处于安全密度窗口内，从而提高钻进过程的安全性；
2、本发明提出的隔离液中间位置随井深变化关系曲线可以极大的提高单次钻井深度；
3、本发明提出的井深结构优化方法可以从井身结构设计出发减少套管层次，优化井身结构，节约钻井成本。
附图说明
图1为双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法的流程示意图
图2为双层管双梯度钻井井底压力控制系统结构示意图；
图3为本发明具体实施例中某井地层压力剖面图；
图4为本发明具体实施例中从3026m开始利用双梯度钻井系统裸眼钻进到3726m的井底当量密度安全密度窗口；
图5为本发明具体实施例中从3026m裸眼钻井到3726m的隔离液位置波动范围及隔离液中间位置曲线；
图6为本发明具体实施例中优化前的井身结构示意图；
图7为本发明具体实施例中优化后的井身结构示意图。
图中所示：1.钻井液储液罐；2.钻井泵；3.泵入钻井液节流控制装置；4.自动控制装置；5.隔离液位置监测装置；6.防喷器组及井口装置；7.泥线；8.套管；9.井下举升泵；10.桥式通道；11.钻头；12.钻井液；13.下部环形区域；14.隔离液；15.隔水管；16.上部环形区域；17.海水；18.海平面；19.双层管；20.返出钻井液节流控制装置；21.导管；22.第一层套管；23.尾管；24.第二层套管；25.第三层套管。
具体实施方式
以某井压力剖面为例，采用井身结构优化方法对该井3026m到3726m的井身结构进行优化设计，下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图2所示，双层管双梯度钻井井底压力控制系统，包括所述双层管19、所述隔水管15与所述套管8，使得所述双层管19与所述套管8以及所述隔水管15形成井环空。所述隔离液14设置在井环空中，并将井环空分隔成上部环形区域16与下部环形区域13，上部环形区域16充满海水17，下部环形区域13延伸至井底，并充满所述钻井液12，所述钻井液12密度大于所述海水17密度以及井底当量密度。所述隔离液14可以在所述双层管19外管与所述隔水管15环空、所述双层管19外管与所述套管8中移动，并且受所述井下举升泵9、所述泵入钻井液节流控制装置3和所述返出钻井液节流控制装置20的控制。当井下举升泵9的举升钻井液流量大于泵入钻井液的流量时，隔离液14的位置下降；当井下举升泵9的举升钻井液流量小于泵入钻井液的流量时，隔离液14的位置上升。隔离液14的安全调控范围受钻井液安全密度窗口及井下举升泵9的调节能力影响。利用隔离液中间位置与井深变化曲线，通过所述井下举升泵9、所述泵入钻井液节流控制装置3和返出钻井液节流控制装置20调控隔离液14位置，达到隔离液14位置精确控制的目的，从而实现井身结构优化，节约钻井成本。
如图6和图7所示，海洋深水钻井中，安全密度窗口狭窄，井控难度大，常规钻井中由于井筒内单一压力梯度的约束，钻进过程中不得不通过增加套管层次来适应窄安全密度窗口。常规钻井中用了第一层套管22、第二层套管24和第三层套管25，1层导管21，1层尾管23，而利用双层管双梯度钻井系统、井底压力调控系统和井身结构优化方法之后，井身结构中减少了第二层套管24的使用，节约了特种钢用量，降低成本。
如图1所示，该具体实施例的具体步骤为：
步骤S10、获取钻井的基本参数
步骤S20、设计出钻井液泥浆密度；
步骤S30、设计出钻井液井底安全密度窗口；
步骤S40、设计出隔离液安全位置范围及隔离液中间位置曲线；
步骤S50、改变隔离液14的初始位置，重复步骤S20、S30、S40，以得到最优的井身结构设计；
步骤S60、钻前准备；
步骤S70、利用井下举升泵9、泵入钻井液节流控制装置3和返出钻井液节流控制装置20，调控隔离液14位置到隔离液14初始位置；
步骤S80、正常钻井，根据隔离液中间位置曲线，利用井下举升泵9、泵入钻井液节流控制装置3和返出钻井液节流控制装置20，实时调控隔离液14的位置，利用隔离液位置监测装置实时监测隔离液位置；
步骤S90、单次钻进完成，进行下套管、固井操作；
步骤S100、按照优化后的井身结构设计重复步骤S60、S70、S80、S90；
步骤S110、钻井完成。
所述S10步骤中，如图3所示，获取钻井的基本参数包括地层压力剖面数值、海水密度、泥线位置，海水密度为1.05g/cm3,泥线位置为556m。
所述S20步骤中钻井液泥浆密度的设计是依靠所述地层压力剖面在3026m处井底当量密度为2.14g/cm3来设计，并按照所述隔离液14初始位置在泥线位置时来设计，其理论设计公式为：
Pb＝ρeghe＝ρwghw+ρmghm (1)
he＝hw+hm (2)
式中，Pb为井底压力，MP；ρe为井底钻井液当量密度，g/cm3；ρw为海水密度，g/cm3；ρm为钻井液泥浆密度，g/cm3；g为当地重力加速度，m/s2；he为井底深度，m；hw为隔离液位置，m；hm为隔离液位置到井底垂深，m。
进一步推出：
ρehe＝ρwhw+ρm(he-hw) (3)
利用该公式，代入钻井的基本参数即可求出钻井液泥浆密度值为2.38g/cm3。
所述S30步骤中钻井液井底安全密度窗口的设计是依靠地层压力剖面曲线、钻井液泥浆密度、隔离液初始位置钻井参数设计而来，其理论公式为
式中：ρex为井壁某段钻井液当量密度，g/cm3；hex为井壁深度，m。
联立公式(4)、公式(5)，就可以得到井壁和井底当量密度的函数关系：
如图4所示，将地层压力剖面曲线中地层孔隙压力、地层破裂压力曲线与井深变化的关系，即井段当量密度安全范围，取有限个节点，代入公式(6)中，即可得到井底当量密度安全范围随井深变化关系，即井底安全密度窗口。具体算法为：ρex最小值即地层孔隙压力值，ρex最大值即破裂压力值(不考虑安全余量)，代入ρex最小值和对应的井壁深度hex，即可求出井底当量密度ρe最小值；代入ρex最大值和对应的井壁深度hex，即可求出井底当量密度ρe最大值。井底安全密度窗口由左右两条曲线组成，左侧曲线表示安全密度窗口最小值，即公式(6)中计算出的井底当量密度最小值，左侧曲线与地层孔隙压力曲线在一定条件下重合；右侧曲线表示安全密度窗口最大值，即公式(6)中计算出的井底当量密度最大值。
所述S40步骤中隔离液安全位置范围的设计是依靠井底安全密度窗口、钻井液泥浆密度、隔离液初始位置参数设计而来，其理论公式为
如图5所示，代入井底安全密度范围、钻井液泥浆密度、海水密度、井底深度即可求出从3026m裸眼钻井到3726m的隔离液波动范围及隔离液中间位置曲线，利用隔离液中间位置曲线可以极大地提高钻进过程的安全性，并且使井底压力控制操作方便、快捷和精准。
所述S60步骤中钻前准备指调节好井下举升泵9、泵入钻井液节流控制装置3和返出钻井液节流控制装置20，将所述隔离液15、所述钻井液12分别注入到所述双层管19外管与所述套管8环空中，做好钻前准备。
所述S70步骤中钻进过程需要利用所述井下举升泵9、所述泵入钻井液节流控制装置3和返出钻井液节流控制装置20严格按照所述隔离液14中间位置随井深变化关系曲线调控，所述隔离液14的实时位置由所述隔离液位置监测装置反馈给所述隔离液位置自动控制装置4，并由所述隔离液位置自动控制装置4调控所述井下举升泵9、所述泵入钻井液节流控制装置3和返出钻井液节流控制装置20，从而在钻进过程中实时地、精确地、自动地调节井底当量密度，使井底当量密度和所有井段当量密度严格地控制在安全密度窗口内，从而保证钻进过程的安全，并极大的提高单次钻井深度，达到减少套管层次、优化井身结构、节约钻井成本的目的。
如图7所示，优化后的井身结构设计将常规钻井与双梯度钻井结合，最大化开发钻井深度，并减少套管层次。在所述双层管双梯度钻井技术中，常规钻井方式和双梯度钻井方式可以实时切换，这就可以保证在整个钻井过程中，针对不同的井段，可以采用不同的钻井方式，以获得最大化钻井效益。优化后的井身结构从泥线到3026m采用常规钻井模式，从3026m到3726m采用双梯度钻井模式，从而节约了从泥线到3526m的套管层次，即第二层套管24，节约了特种钢用量，节约了钻井成本，缩短了钻井周期。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，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变动或修饰为同变化的效实施例，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、同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤S10、获取钻井的基本参数；
步骤S20、设计出钻井液泥浆密度；
步骤S30、设计出钻井液井底安全密度窗口；
步骤S40、设计出隔离液安全位置范围及隔离液中间位置曲线；
步骤S50、改变隔离液的初始位置，重复步骤S20、S30、S40，以得到最优的井身结构设计；
步骤S60、钻前准备；
步骤S70、利用井下举升泵、泵入钻井液节流控制装置和返出钻井液节流控制装置，调控隔离液位置到隔离液初始位置；
步骤S80、正常钻进，根据隔离液中间位置曲线，利用井下举升泵和节流控制装置，实时调控隔离液的位置，利用隔离液位置监测装置实时监测隔离液位置；
步骤S90、单次钻进完成，进行下套管、固井操作；
步骤S100、按照优化后的井身结构设计重复步骤S60、S70、S80、S90；
步骤S110、钻井完成。
2.根据权利要求1所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于：
所述步骤S10中获取钻井的基本参数包括地层压力剖面数值、海水密度、泥线位置。
3.根据权利要求1所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于：
所述步骤S20中所述钻井液泥浆密度的设计是根据钻井的基本参数、隔离液初始位置计算钻井液泥浆密度。
4.根据权利要求1所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于：
所述步骤S30中所述钻井液井底安全密度窗口的设计是根据所述地层压力剖面曲线、所述钻井液泥浆密度、所述隔离液初始位置参数设计而来，根据所述地层压力剖面曲线中地层孔隙压力、地层破裂压力曲线与井深变化的关系，即井段当量密度安全范围，计算出井底当量密度安全范围随井深变化关系，即井底安全密度窗口。
5.根据权利要求1所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于：
所述步骤S40中所述隔离液安全位置范围的设计是依靠井底安全密度窗口、钻井液泥浆密度、隔离液初始位置参数设计而来，据井底当量密度安全范围计算出隔离液安全位置范围随井深变化关系，取每个井深处，隔离液安全范围的中点，即可求出隔离液中间位置随井深变化关系曲线。
6.根据权利要求1所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于：
所述步骤S60中钻前准备指调试好所述井下举升泵、所述泵入钻井液节流控制装置和所述返出钻井液节流控制装置，将隔离液、钻井液泥浆分别注入到双层管外管与套管环空中，做好钻前准备。
7.根据权利要求1所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于：
所述步骤S70中钻进过程需要利用所述井下举升泵、所述泵入钻井液节流控制装置和返出钻井液节流控制装置严格按照所述隔离液中间位置随井深变化关系曲线调控，隔离液的实时位置由所述隔离液位置监测系统反馈给所述隔离液位置自动控制系统，并由所述隔离液位置自动控制系统调控所述井下举升泵、所述泵入钻井液节流控制装置和所述返出钻井液节流控制装置，从而在钻进过程中实时地、精确地、自动地调节所述井底当量密度，使所述井底当量密度和所述所有井段当量密度严格地控制在所述安全密度窗口内。
8.根据权利要求3所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于，在步骤S20中，计算钻井液泥浆密度计算公式为：
其理论设计公式为：
Pb＝ρeghe＝ρwghw+ρmghm (1)
he＝hw+hm (2)
式中，Pb为井底压力，MP；ρe为井底钻井液当量密度，g/cm3；ρw为海水密度，g/cm3；ρm为钻井液泥浆密度，g/cm3；g为当地重力加速度，m/s2；he为井底深度，m；hw为隔离液位置，m；hm为隔离液位置到井底垂深，m；
进一步推出：
ρehe＝ρwhw+ρm(he-hw) (3)
将井底钻井液当量密度，海水密度，海水段长度，井底深度代入公式(3)中，就可以求出钻井液泥浆密度。
9.根据权利要求4所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于，在步骤S30中，计算钻井液井底变化范围随井深变化关系，即井底安全密度窗口，计算公式为：
式中：ρex为井壁某段钻井液当量密度，g/cm3；hex为井壁深度，m；
联立公式(4)、公式(5)，就可以得到井壁和井底当量密度的函数关系：
ρm为钻井液泥浆密度，g/cm3；he为井底深度，m；ρex最小值即地层孔隙压力值，ρex最大值即破裂压力值(不考虑安全余量)，代入ρex最小值和对应的井壁深度hex，即可求出井底当量密度ρe最小值；代入ρex最大值和对应的井壁深度hex，即可求出井底当量密度ρe最大值。
10.根据权利要求5所述的一种双层管双梯度钻井技术的井身结构优化方法，其特征在于，在步骤S40中，计算隔离液位置hw的公式为：
ρm为钻井液泥浆密度，g/cm3；ρw为海水密度，g/cm3；ρe为井底当量密度，g/cm3；he为井底深度，m；
代入井底当量密度窗口参数ρe和he，即可求出隔离液位置在某一钻井深度的位置。
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