CN115455740A - 控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法 - Google Patents

控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法 Download PDF

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CN115455740A CN202211278397.1A CN202211278397A CN115455740A CN 115455740 A CN115455740 A CN 115455740A CN 202211278397 A CN202211278397 A CN 202211278397A CN 115455740 A CN115455740 A CN 115455740A
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李中
任美鹏
孙宝江
杨向前
谢仁军
殷志明
郭华
武治强
张兴全
赵以鹏
王雪瑞
郭宗禄
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Abstract

本发明涉及控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法。获取作业井的基础数据，记录井底处地层孔隙压力、破裂压力和井底目标压力。连接循环洗井过程控压钻井系统，实现循环洗井过程中井筒压力的控制，获取洗井过程中井口回压目标值。通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为所述目标值，直到洗井结束；连接起钻杆过程控压钻井系统，实现起钻杆过程中井筒压力的控制；连接下套管过程控压钻井系统，实现下套管过程井筒压力的控制；和连接降密度过程控压钻井系统，实现降密度工况井筒压力的控制，获取降密度过程中井口回压目标值，通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为所述目标值，直到降密度结束。

Description

控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法
技术领域
本发明涉及油气开发钻完井工程领域，具体地，涉及一种控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法。
背景技术
伴随世界新发现油气藏不断向深层、深水等区块推进，这些区块地质条件复杂，窄安全密度窗口、浅层气、浅层流等难题极易导致钻井过程中发生井涌、井喷等事故，严重威胁钻完井安全，传统的钻井\固井技术已经难以满足复杂地层条件安全高效的要求。
精细控压钻井\固井技术是近年来发展起来的新型钻井技术，该技术借助钻井过程中井筒水力学参数实时计算与井口回压控制装备相结合，实时精细地控制钻井\固井过程中井筒压力，使井筒压力始终维持在地层安全作业窗口范围以内，防止井涌、井喷等复杂事故的发生，弥补了传统钻井技术的不足。
目前现有精细控压技术主要是针对钻井和固井过程，可以实现包括钻进、停泵、注水泥、候凝等工况的井筒压力精细控制。但对于钻井与固井作业环节衔接期间，由于钻井设备与固井设备处于切换过程，同时需要完成包括循环洗井、起钻杆、下套管、降密度等工况，现有技术无法实现钻井与固井作业环节衔接期间井筒压力的精细控制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，包括：
获取作业井的基础数据，记录井底处地层孔隙压力、破裂压力和井底目标压力，其中井底目标压力按照下式计算：
Paim＝(Pp+Pf)/2
式中
Paim为目标压力；
Pp为地层孔隙压力；
Pf为破裂压力；
连接循环洗井过程控压钻井系统，实现循环洗井过程中井筒压力的控制，获取洗井过程中井口回压目标值，井口回压目标值按照下式计算：
pa＝paim-pb
式中
Pa为井口回压目标值；
pb为井底压力；
通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为目标值，直到洗井结束；
连接起钻杆过程控压钻井系统，实现起钻杆过程中井筒压力的控制，获取起钻杆过程中井口回压目标值，通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为目标值，直到起钻杆结束；
连接下套管过程控压钻井系统，实现下套管过程井筒压力的控制，获取下套管过程中井口回压目标值，通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为目标值，直到下套管结束；和
连接降密度过程控压钻井系统，实现降密度工况井筒压力的控制，获取降密度过程中井口回压目标值，通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为目标值，直到降密度结束。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
借助对不同工况下井筒内流体的状态分析，构建钻井与固井作业环节衔接期间井筒压力的精确计算方法，给出井口回压动态调控目标值。此外，通过在井口补充回压泵，可以实现流体循环和非循环两种状态下井口压力的调节，结合回压动态调控目标值实现钻井与固井作业环节衔接期间井筒压力的精细控制。防止钻井\固井井涌、漏失等复杂事故的发生，弥补了传统钻井技术的不足。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1为根据本申请实施例的循环洗井阶段井筒压力控制示意图；
图2为根据本申请实施例的起钻杆阶段井筒压力控制示意图；
图3为根据本申请实施例的下套管阶段井筒压力控制示意图；和
图4为根据本申请实施例的降密度阶段井筒压力控制示意图；
附图中各标记表示如下：
1、钻架；2、防喷器；3、井筒；4、钻杆；5、钻头；6、井口回压控制节流管汇；7、流量计；8、泥浆池；9、自动控制软件系统；10、钻井液泵；11、钻井液罐；12、回压泵；13、套管；14、低密度钻井液。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本申请的一些实施例，提供一种控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法具体操作过程为：
步骤1、获取作业井的基础数据，包括：井眼轨迹、井身结构、地层温度梯度、循环排量等，记录钻井液设计密度为ρ0。
步骤2、获取作业井地层三压力剖面，记录井底处地层孔隙压力Pp、破裂压力Pf，则井底目标压力为
Paim＝(Pp+Pf)/2 (1)
式中
Paim为井底目标压力；
Pp为地层孔隙压力；
Pf为破裂压力。
步骤3、如图1所示，连接循环洗井工况精细控压钻井系统：
(1)钻架1安置于井筒3中心上部，为钻井工作人员提供操作平台。
(2)井口处安装防喷器2，可用于紧急情况关闭井筒。
(3)井口出口与井口回压控制节流管汇6相连，可通过调节其内部节流阀的开度来动态调整井口回压，进而控制井筒内部压力。
(4)井口回压控制节流管汇6下游依次连接有流量计7、泥浆池8，流量计7用来实时测量钻井循环排量，泥浆池8用于存储井筒内循环出的钻井液。
(5)井口入口依次连接钻井泵10以及钻井液罐11，钻井泵10为钻井液注入井筒提供动力，并可调节注入过程的排量，钻井液罐11用于存储钻井液。
(6)自动控制软件系统9内安装有本专利涉及的井筒压力计算程序，且能够实时读取钻井泵10、井口回压控制节流管汇6、流量计7记录的井口回压及钻井排量。
步骤4、循环洗井过程井筒压力自动控制
(1)通过泥浆泵10将洗井液注入井筒内，清洗井眼内岩屑为固井做准备。
(2)洗井过程中井底压力可由下式模拟计算：
Figure BDA0003897496070000041
式中：
pb为井底压力，Pa；
ρ为井筒流体密度，kg/m3；
h为井筒长度，m；
f为环空模组系数；
v为环空钻井液流速，m/s；
dw为井眼直径，m
dpo为钻杆外径，m。
(3)获取洗井过程中井口回压目标值：
pa＝paim-pb (3)
(4)通过调整井口回压控制节流管汇6开度，实时调整井口回压为所述目标值，直到洗井结束。
步骤5、如图2所示，连接起钻杆工况精细控压钻井系统：
(1)钻架1安置于井筒3中心上部，为钻井工作人员提供操作平台。
(2)井口处安装防喷器2，可用于紧急情况关闭井筒。
(3)井口出口与井口回压控制节流管汇6相连，回压控制节流管汇6还与回压泵12相连，可通过开启自动压力控制回压泵来实现非循环状态下井口回压的控制。
(4)井口回压控制节流管汇6下游依次连接有流量计7、泥浆池8，流量计7用来实时测量钻井循环排量，泥浆池8用于存储井筒内循环出的钻井液。
(5)自动控制软件系统9内安装有本专利涉及的井筒压力计算程序，且能够实时读取回压泵10、井口回压控制节流管汇6、流量计7记录的井口回压及钻井排量。
步骤6、起钻杆工况井筒压力实时控制
(1)将钻杆缓慢起出井眼，记录钻杆上升速度Vp。
(2)计算起钻杆过程井筒内当量流速：
Figure BDA0003897496070000042
式中：
Figure BDA0003897496070000043
为环空当量流速，m/s；
vp起钻杆速度，m/s；
Kc为钻井液的粘附系数，无量纲。
结合式(1)，根据环空当量流速实时获取起钻杆过程中井底压力。
(3)获取起钻杆过程中井口回压目标值：
pa＝paim-pb (5)
(4)通过调整井口回压控制节流管汇6开度，实时调整井口回压为所述目标值，直到起钻杆结束。
步骤7、如图3所示，连接下套管工况精细控压钻井系统：
(1)钻架1安置于井筒3中心上部，为钻井工作人员提供操作平台。
(2)井口处安装防喷器2，可用于紧急情况关闭井筒。
(3)井口出口与井口回压控制节流管汇6相连，回压控制节流管汇6还与回压泵12相连，可通过开启自动压力控制回压泵来实现非循环状态下井口回压的控制。
(4)井口回压控制节流管汇6下游依次连接有流量计7、泥浆池8，流量计7用来实时测量钻井循环排量，泥浆池8用于存储井筒内循环出的钻井液。
(5)自动控制软件系统9内安装有本专利涉及的井筒压力计算程序，且能够实时读取回压泵10、井口回压控制节流管汇6、流量计7记录的井口回压及钻井排量。
步骤8、下套管工况井筒压力实时控制
(1)缓慢下入套管进井眼，记录套管下入速度vc。
(2)计算下套管过程井筒内当量流速：
Figure BDA0003897496070000051
式中：
vc为下套管速度，m/s；
dco为套管外径，m。
结合式(1)，根据环空当量流速实时获取下套管过程中井底压力。
(3)获取下套管过程中井口回压目标值：
pa＝paim-pb (7)
(4)通过调整井口回压控制节流管汇6开度，实时调整井口回压为所述目标值，直到下套管结束。
步骤9、如图4所示，连接降密度工况精细控压钻井系统：
(1)钻架1安置于井筒3中心上部，为钻井工作人员提供操作平台。
(2)井口处安装防喷器2，可用于紧急情况关闭井筒。
(3)井口出口与井口回压控制节流管汇6相连，可通过调节其内部节流阀的开度来动态调整井口回压，进而控制井筒内部压力。
(4)井口回压控制节流管汇6下游依次连接有流量计7、泥浆池8，流量计7用来实时测量钻井循环排量，泥浆池8用于存储井筒内循环出的钻井液。
(5)井口入口依次连接钻井泵10以及钻井液罐11，钻井泵10为钻井液注入井筒提供动力，并可调节注入过程的排量，钻井液罐11用于存储钻井液。
(6)自动控制软件系统9内安装有本专利涉及的井筒压力计算程序，且能够实时读取钻井泵10、井口回压控制节流管汇6、流量计7记录的井口回压及钻井排量。
步骤10、降密度工况井筒压力自动控制
(1)通过泥浆泵10将低密度钻井液14注入井筒内，记录注入排量为Q，以及注入体积V＝Q×t。
(2)根据下式获取环空低密度钻井液液面高度：
Figure BDA0003897496070000061
式中：
hl为环空低密度钻井液液面高度，m/s；
Vc为套管内体积，m3；
Aa为环空截面积，m2。
(3)降密度过程中井底压力可由下式模拟计算：
Figure BDA0003897496070000062
式中：
ρl为低密度钻井液密度，kg/m3。
(4)获取降密度过程中井口回压目标值：
pa＝paim-pb
(5)通过调整井口回压控制节流管汇6开度，实时调整井口回压为所述目标值，直到降密度结束。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，包括：
获取作业井的基础数据，记录井底处地层孔隙压力、破裂压力和井底目标压力；
连接循环洗井过程控压钻井系统，实现循环洗井过程中井筒压力的控制，获取洗井过程中的第一井口回压目标值，通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为所述第一井口回压目标值，直到洗井结束；
连接起钻杆过程控压钻井系统，实现起钻杆过程中井筒压力的控制，获取起钻杆过程中的第二井口回压目标值，通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为所述第二井口回压目标值，直到起钻杆结束；
连接下套管过程控压钻井系统，实现下套管过程井筒压力的控制，获取下套管过程中的第三井口回压目标值，通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为所述第三井口回压目标值，直到下套管结束；和
连接降密度过程控压钻井系统，实现降密度工况井筒压力的控制，获取降密度过程中的第四井口回压目标值，通过调整井口回压控制节流管汇的开度，实时调整井口回压为所述第四井口回压目标值，直到降密度结束。
2.根据权利要求1所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，所述井底目标压力按照下式计算：
Paim＝(Pp+Pf)/2
式中，Paim为井底目标压力；Pp为地层孔隙压力；Pf为破裂压力；
所述第一井口回压目标值按照下式计算：
pa＝Paim-pb
式中，pa为第一井口回压目标值；pb为井底压力。
3.根据权利要求1所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，所述连接循环洗井过程控压钻井系统包括：
将钻架安置在井筒的中心上部，在井口处安装防喷器，将井口出口与井口回压控制节流管汇相连，通过调节井口回压控制节流管汇中的节流阀的开度来动态调整井口回压，进而控制井筒内部压力。
4.根据权利要求3所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，所述实现循环洗井过程中井筒压力的控制包括：
通过泥浆泵将洗井液注入井筒内，清洗井眼内岩屑为固井做准备；
洗井过程中井底压力由下式模拟计算：
Figure FDA0003897496060000021
式中，pb为井底压力；ρ为井筒流体密度；h为井筒长度；f为环空模组系数；v为环空钻井液流速；dw为井眼直径；dpo为钻杆外径。
5.根据权利要求4所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，连接起钻杆过程控压钻井系统包括：
将钻架安置在井筒的中心上部，在井口处安装防喷器，将井口出口与井口回压控制节流管汇相连，回压控制节流管汇还与回压泵相连，通过开启自动压力控制回压泵来实现非循环状态下井口回压的控制。
6.根据权利要求5所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，所述实现起钻杆过程中井筒压力的控制包括：
将钻杆缓慢起出井眼，记录钻杆上升速度vp；
计算起钻杆过程井筒内当量流速：
Figure FDA0003897496060000022
式中，
Figure FDA0003897496060000023
为环空当量流速；vp为钻杆上升速度；Kc为钻井液的粘附系数；
根据环空当量流速实时获取起钻杆过程中井底压力。
7.根据权利要求6所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，所述连接下套管过程控压钻井系统包括：
将钻架安置在井筒的中心上部，在井口处安装防喷器，将井口出口与井口回压控制节流管汇相连，回压控制节流管汇还与回压泵相连，通过开启自动压力控制回压泵来实现非循环状态下井口回压的控制。
8.根据权利要求7所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，所述实现下套管过程井筒压力的控制包括：
缓慢下入套管进井眼，记录套管下入速度vc；
计算下套管过程井筒内当量流速：
Figure FDA0003897496060000031
式中，vc为下套管速度；dco为套管外径；
根据环空当量流速实时获取下套管过程中井底压力。
9.根据权利要求8所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，所述连接降密度过程控压钻井系统包括：
将钻架安置于井筒的中心上部，在井口处安装防喷器，将井口出口与井口回压控制节流管汇相连，通过调节井口回压控制节流管汇中的节流阀的开度来动态调整井口回压，进而控制井筒内部压力。
10.根据权利要求9所述的控压钻井与固井作业环节衔接中的井口压力动态调控方法，其特征在于，所述实现降密度工况井筒压力的控制包括：
通过泥浆泵将低密度钻井液注入井筒内，记录注入排量为Q，以及注入体积V＝Q×t；
根据下式获取环空低密度钻井液液面高度：
hl＝0,V<Vc
hl＝(V-Vc)\Aa,V<Vc
式中，hl为环空低密度钻井液液面高度；Vc为套管内体积；Aa为环空截面积；
降密度过程中井底压力由下式模拟计算：
Figure FDA0003897496060000032
式中，ρl为低密度钻井液密度。
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