（油气井工程专业论文）深水井控模型建立及井控软件开发.pdf

m o d e l i n ga n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t o fw e l lc o n t r o l i nd e e pw a t e r z h a n gs h u h u i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ur u i w e n a b s t r a c t h y d r o c a r b o nr e s o u r c e s i nt h ed e e pw a t e rr e g i o nh a v eb e c o m et h e c r u c i a la i mf o ra l lc o u n t r i e s a n dt h ed e e pw a t e rw e l lc o n t r o li st h ek e yt o s u c c e s s f u l l yd e v e l o pt h e s e 既如岫r c 髓t h i sp a p e rp r e s e m st h ep r o b l e m si n d e e pw a t e rw e l lc o n t r o la n da n a l y z e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e no n s h o r ea n d o f f s h o r e s p e c i a lf o r m a t i o na n dl o n gc h o k el i n e c o n d i t i o n so f t e nc a u s e k i l l i n gp r o c e d u r ef a i l u r ew i t l lt h el e a kf o r m a t i o nd u r i n gk i l l i n ge v e n t a n d v a r i a t i o n so fc a s i n ga n ds t a n dp i p ep r e s s u r ea r ed i f f e r e n tf r o ml a n d d r i l l e r s m e t h o dk i l lc u r v e so fc a s m ga n ds t a n dp i p ep r e s s u r ev a r i a t i o n sh a v eb e e n g i v e no u tb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h ed i f f i c u l t yt oc o n t r o lak i c kd u r i n g d e e p w a t e rd r i l l i n g i s m o s t l y d u et ol o wf o r m a t i o nf r a c t i o n p r e s s u r e c o m b i n e dt oh i 曲f r i c t i o nl o s s e si nl o n gc o n t r o ll i n e s a d d i t i o n a lf l o wr a t e m e t h o df a f r sm e t h o d ) a n db o t hc h o k e & k i l ll i n e sf o rc i r c u l a t i o na r et w o o p t i o n st or e d u c et h ef r i c t i o nl o s s d u r i n gc i r c u l a t i o no fk i l l i n g ，u s i n gb o t h c & kl i n e so f f e rs o m ea d v a n t a g e si nr e d u c i n gc h o k e1 i n ef r i c t i o na n dt h e b o p s e p a r a t o re f f e c tr e d u c et h ec a s i n gp r e s s u r ef l u c t u a t i o n s t h ep r i n c i p l e o f a f rm e t h o dc o n s i s t si nm i x i n gt h em u dr e t u r n i n gt h r o u g ht h ec h o k el i n e ， w i t hal i g h ta n dt h i nf l u i da tt h eb o pl e v e l t h ek i l l i n gp r o c e d u r ei s i n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h e nas a f e t yk m i n go p e r a t i o nc a l lb ea c h i e v e d d e e p w a t e a d y n a m i ck i l lm e t h o di st h eb e s ts e l e c t i o na m o n gw e l lc o n t r o l t e c h n i q u e sw h e nc o n v e n t i o n a lk i l lt e c h n i q u e sa l eo u to fw o r k t h er e l i a b l e m a t h e m a t i c a lm o d e l sd u r i n gf l o wp e r i o dh a v eb e e nd e v e l o p e db ya n a l y z i n g p a r a m e t e r so fp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e i tc a r lp r o v i d ep r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r ef o rw e l lb o r e c o n s t i t u t i o na n dv a r i a t i o nc b l v ek i l lr a t e s i m u l a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt ou s ei t e m t i v es o l u t i o nt oc a l c u l a t ea n d d e s c r i b ea l lk i n d so f c u r v e s k e y w o r d s ：d e e pw a t e rw e l lc o n t r o l ，f r i c t i o nl o s s e s ，d r i l l e r sm e t h o do f k i l l ， c h o k el i n e ，d y n a m i ck i l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 签名：蝣硼年厂月加日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： z 7 年5 - 月2 1 0 日 j 田d 7 年厂月2 o 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究意义 近年来，世界油气储量迅速递减，陆上石油紧缺问题日渐突出，未 勘探的领域越来越少，而占地球面积7 0 以上的海洋，油气储量相当可 观。随着世界各国对能源的战略需求，人们越来越将油气勘探的目光从 近海转向了浩瀚的深水海域。迄今为止，深水油气发现已经为世界油气 储量贡献了6 0 亿桶原油。然而只有2 5 的深水海洋油气储量被开发或 正在开发，已经生产的仅占5 ，可见深海的油气潜力十分巨大，同时 也说明深水勘探开发工作具有十分广阔的施展空间。 我国拥有3 xl o m 2 的海疆，据专家估计，近海石油资源量达2 4 6 l o s t ，气为8 1x1 0 1 2 m 3 。我国深水海域广阔，深海油气资源十分丰富， 水深5 0 0 m 以上的面积，占全海域的7 5 ，其中不乏千米以上深水水域。 但是目前我国海洋勘探开发尚处于起步阶段，油气资源开发主要是在 2 0 0 m 水深以下，对大于4 0 0 m 水深的海域勘探则较少，这些水域亟待 勘探和开发。 诸多海上钻探实例表明深水钻井并控作业面临着一系列特殊困难。 在深水钻井中，防喷器组一般安装在海底部位，当发生井涌进行常规压 井作业时，由于节流管线长、内径较小，钻井液在节流管线内存在高摩 阻损失，作用在井底的压力往往大于地层的破裂压力，从而引起压井过 程的复杂性甚至造成压井作业的失败。 由于深水区域上覆岩岩层相当一部分由海水组成而且常存在气隙， 上覆岩层压力与陆地相比偏低。地层在这种低的上覆岩层压力下压实， 趋向于较低的破裂压力，而孔隙压力没有很大变化，从而使得孔隙压力 与破裂压力之间的间隙变得非常狭窄。这样压井作业中本来易于控制的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 孔隙压力，在较浅深度处却会引起大量复杂情况。因此在陆地上常规的 井控方法就受到了挑战，深水钻井急需探索新的井控方法来保证海洋深 水石油成功开发。 1 2 研究内容 本文拟通过理论分析和示例计算，利用数模方法对常规司钻法压井 过程中立压、套压的变化规律，降低节流管线摩阻损耗的方法以及适用 于深水、超深水的非常规动力压井法进行研究，主要内容如下： ( 1 ) 计算深水司钻法压井过程中立压、套压值，绘制立压、套压变 化曲线； ( 2 ) 研究降低节流管线摩阻损耗方法的理论依据，给出具体操作步 骤： ( 3 ) 通过分析，确定溢流初始条件，建立溢流期间井筒压力和温度 分布模型，并给出计算步骤和方法； ( 4 ) 对不同条件下井筒压力和温度的数模计算，得出动力压井排量 与井筒压力温度以及溢流量之间的变化规律； ( 5 ) 编制深水井控动力压井模拟软件。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章深水钻井发展综述及井控面临困难 第2 章深水钻井发展综述及井控面临困难 2 。1 深水钻井发展及现状 正规的海上石油工业始于2 0 世纪4 0 年代，此后用了近2 0 年的时 间实现了在l o o m 水深区域钻井并生产油气，又用了2 0 多年达到近 2 0 0 0 m 水深的海域钻井，而最近几年钻井作业已进入3 0 0 0 m 水深的海域。 图2 1 显示了海洋钻井可及水深的变化趋势。 图2 - l 海洋钻井可及水深的变化趋势 2 0 世纪7 0 年代以后深水海域的钻井迅速发展起来，在短短的几年 内深水的定义发生了很大变化。最初，水深超过2 0 0 m 就称为深水；1 9 9 8 年，深水的界限从2 0 0 m 扩展到3 0 0 m ；在第十七届石油大会上将深海水 域石油勘探开发以水深分为：4 0 0 m 以下水域为常规水深作业，4 0 0 1 5 0 0 m 为深水作业，大于1 5 0 0 m 则称为超深水作业。现在大部分人已将 5 0 0 m 作为“深水”的界限“1 。 与大陆架和陆上勘探钻井作业相比，深水作业的成本非常昂贵，但 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章深水钻井发展综述及井控面临困难 固掣 的。d t c | ao e 幽幽 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章深水钻井发展综述及井控面临困难 2 2 2 节流管线的摩阻损耗 深水钻井中，防喷器通常安装在海底，与之相连的节流、压井管线 由于水深而变得很长，再加上节流管线内径较小，在压井作业过程中， 当流体流过海底防喷器组和节流管线时，产生较大的摩擦阻力损耗，而 且水越深、节流管线越长，摩擦损失的节流效应就越大。节流管线的节 流效应增加了对井底的额外回压，对此必须得到补偿，否则，会出现地 层破裂甚至井漏嘲。 2 0 0 2 年，p a u - i c ki s a m b o u r g 和a r m e ls i m o n d i n 提出了附加漉量法 ( a f r 方法) ，可有效地降低节流管线的摩阻损耗。本文第3 章对此方法 有详细的描述。 2 2 3 水合物堵塞循环体系 海底的温度( 即使在热带) 一般在5 0 c 左右，在有些地区温度达3o c 。 海水的低温可以影响到泥线以下约4 5 0 m 的岩层，使它们具有低于正常 地温梯度下的温度。低温容易形成天然气水合物，它们稳定存在于低温 ( 0 1 0 。c ) 和高压( 1 0 m p a 以上) 条件下，会造成压井循环体系堵塞，能影 响到防喷器的操作。当循环井涌时，节流管线的部分或全部堵塞能引起 井底压力增加从而导致地层破裂0 1 。 处理水合物堵塞的最好的方法是预防或尽可能减小水合物出现的 可能性，高含盐钻井液能够抑制水合性地层。任何情况下，在水合性地 层进行井控作业时，应考虑到水合性地层出现的可能。 2 2 4 表层( 浅井段) 溢流 深水钻井中，最严重的井控问题是还没有下入技术套管或钻表层时 就发生了溢流，在这些浅井段，由于破裂压力梯度低，即使不引起地下 井喷，通常也承受不住关井压力。这种溢流所引起的复杂问题，通常与 下入技术套管后发生溢流所引起的问题不一样。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章深水钻井发展综述及井控面临困难 由于地层的破裂和压漏浅气层的可能性，常常不能安全的关井， 当浅层气体侵入到海水中时，钻井平台( 船) 下的水充气，浮力减小，从 而可能引起钻机翻转和下沉。 当溢流在这种情况下发生时，从海底到钻井船之间隔水管中的泥 浆可能被低密度气体驱除和代替。隔水管的挤压强度因其张力和弯曲力 而减小，可能降到作用在它外面的海水柱压力以下，从而导致隔水管挤 扁。为了避免这种情况发生，必须确保隔水导管在任何情况下不会被气 体所排空伽。 解决方法： 用泥浆泵连续向隔水管泵注钻井液，或者打开隔水管底部的一个 阀让海水进入隔水管内。 浅井段溢流不能使用常规方法关井并压井，由于地层破裂压力低， 因此在这些层地段经常使用的井控作业是分流放喷，直到使储集层衰竭 或者桥堵。对于小容量的储集层来说，此方法是成功的，因为储集层的 容量较小，在短时间内就能使其衰竭。 发现溢流时，立即在井底打一段高比重钻井液，用不超过地层破 裂压力梯度的压力控制溢流。虽然这种方法在陆上已多次用过，但在深 水钻井中，由于涉及的因素多，有可能使这种方法复杂化。 用膨胀式钻井封隔器来封隔溢流层。这种封隔器接在钻柱的下 部，发生溢流时，通过膨胀来封住井眼，从而阻止了地层流体流进井眼， 同时也不会使浅井段压裂。但是这种封隔器难于在大肚子井段坐封，因 此可能还会拖长从发现溢流到封隔器胀开所需的时间1 。 2 2 5 钻井液密度窗口狭窄 在深水区域上覆岩层相当一部分是由海水所代替，因此上覆岩层压 力与陆地上相比要偏低。地层在这种低的上覆岩层压力下压实，趋向于 显出较低的破裂压力，而孔隙压力没有很大变化，这就使得孔隙压力和 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章深水钻井发展综述及井控面临困难 破裂压力之间的差距变得非常狭窄0 1 。 压力差距狭窄意味着可用的钻井液密度窗口很小，最直接的后果是 套管下入层次增多，增加了下技术套管和固井的时间，使得整个建井周 期延长，钻井成本增加，而且套管层次要受装备、井眼尺寸的限制。如 果没有那么多层技术套管可供选择，深水钻井中就失去了对付浅层溢 流、漏失层、井控事故等最有效的方法。如果采用隔水管钻井，往往要 求隔水管的尺寸相应增大，从而对钻井平台的要求也相应提高，造成一 种不良的连锁反应。 国外上世纪9 0 年代研制出用于超过1 5 0 0 m 水深的双梯度钻井技术 f d u a lg r a d i e n td r i l l i n g ，简称d g d ) ，该技术的主要思想是采取一定的措 施，使得同尺寸的井眼中产生两个液柱压力梯度，从水面到海底为密度 较小的钻井液或者是海水，而海底到井底为泥浆，如图2 3 所示。这个 方法很好地解决了因钻井液密度窗口狭窄带来的问题“1 。 图2 - 3 常规钻井技术和双梯度钻井技术对比 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章深水钻井发展综述及井控面临困难 拇腐 n 警哟嚣j r 丛 瞧桷一 压力峥藿犏 五嘉 图2 - 4 常规钻井和双梯度钻井钻井液压力梯度示意图 双梯度钻井的优点： 减少套管下入层次 在单梯度系统中，孔隙压力、破裂压力和钻井液压力梯度以转盘面 为参考点；双梯度系统中，海底以上的隔水管里为海水或者与海水等密 度的混合流体，所有的压力以海底为参考点，钻井液密度窗口相对的变 宽了，如图2 - 4 所示。从设计的角度出发，最主要的优点是不再需要多 层套管体系，减少了下技术套管和固井时间，使全井的建井周期缩短 6 5 。 破裂压力和孔隙压力间的间隙变宽，使得井喷、井漏等问题大大 减少，从而大量节约了处理钻井复杂事故时间。 与传统方法相比降低了上部井段内的压力，而维持了井底压力不 变，当隔水管被拆除后，海底防喷器所承受的压力不会发生变化。 实现双梯度钻井的方式m ： 海底泵举升法。隔水管内充满海水，在海底放置一个海底泵举升 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章深水钻井发展综述及井控面临困难 钻井液旁路返回水面。s m d 、d c c p v i s i o n 、s s p s 都属于这种方式。 注气法。在隔水管底部注气，使隔水管中的泥浆密度与海水相当， 实现双梯度。l s u 大学已经开展了这种方法可行性研究。 注空心球法。在隔水管的底部注入空心球，使隔水管中的钻井液 密度与海水相当，实现双梯度。m a u r c th g s 已经对该方法开展了研究。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 一 第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 3 1 深水司钻法压井 同陆地常规压井方法相比，深水的自然环境和地质条件对井控带来 了不利的影响，特殊深水的条件和长节流管的存在，使得深水井控中套 压、立压变化复杂，陆上的常规井控方法已经不再适用。为了指导施工， 掌握套压、立压的计算方法及变化规律，本节通过对传统司钻法改进， 建立了深水井控的司钻法模型。为了区别原来陆地使用的司钻法，称之 为“深水司钻法”。 3 1 1 压井循环泵速 在陆地压井循环过程中，压井泵速的选取通常是钻进时钻井泵正常 排量的1 3 1 2 ，但这种方法并不适宜于深水井控环境，因此要对压 井泵速的选取进行优化设计。 选取压并循环泵速的原则是：为了避免压破地层，泵速不能太高； 为了减少压井周期，避免井下事故的发生，泵速不能太低。 套管鞋处的地层最容易压破，井控的目的之一就是要保证套管鞋处 所受到的压力p 缸小于地层破裂压力p ，撕，即： = a 昀+ a + 见+ p y 船 ( 3 - 1 ) 式中舰节流管线摩阻，1 v l p a ； a 习不空摩阻，m p a ； 见关井套压，m p a ； 儿钻井液静液压力，m p a 。 当气体溢流被循环到套管鞋下方时，最大，凸、蛾都是压 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 井排量的函数，根据已知条件可求得其最大值。 3 1 2 立管压力计算 ( 1 ) 开泵循环后的初始立压p m 第一循环周，立压保持不变 p m = a p d + a + p 。( t ) ( 3 - 2 ) 式中如压井排量下的循环压力，m p a ： f 压井时间，s 。 ( 2 ) 压井液在钻杼内下行到钻头前任一点处的立压胁 设压井液进入钻杆内长度m = q f 4 ，则钻杆内的平均密度为 帆= 坦! 警监( 3 - 3 ) 2 p p - z ) g ：鹊一g ) q t 4 + 警( 撺钏( 3 - 4 ) 式中 q 压井排量，m 3 s5 4 钻杆内横截面积，m 2 ； d 并深，m ； n 井底压力，m p a ； 印。钻杆内压耗，m p a ： n ，氏压井液密度和钻井液密度，k g m 3 ； q ，瓯压井液梯度和钻井液梯度，m p a m 。 ( 3 ) 压井液进入环空至上返到海底防喷器的觑 这个过程中，钻杆内部始终是压井液，钻杆内液柱压力不变，所以 立管压力不变，即 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 = 见p ；( f 6s t 岛) ( 3 5 ) ( 4 ) 压井液进入节流管线至返出井口的p 。 设压井液进入节流管线内长度儿= q f 幺，则管线内平均密度为 岛糊= 型巡毕( 3 - 6 ) p r 矿= ( p 缸+ a p d ) 岛平均岛( r 7 f t d( 3 7 ) 式中 4 节流管线内横截面积，m 2 ； 岛节流管线长度，m 。 3 1 3 套管压力的计算 ( 1 ) 开始循环后，气体溢流自井底被顶到钻铤上部的 设气体溢流在钻杆套管环空中的高度是囊= q t 4 ，钻铤一套管 环空中的高度是吃- - ( v g q t ) 4 4 ，在气体移动的过程当中，由于钻铤 长度相对较小，此时间段忽略温度变化对气体产生的影响，可以得出 = 磊一& g ( 厶一 一坞) ( f f 2 )( 3 - 8 ) 式中e 气体溢流体积，m 3 ； 4 钻杆和套管环空截面积，m 2 ； 4 钻铤和套管环空的截面积，m ? ； 岛气体密度，g ，c m 3 ； 厶钻铤长度，m 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 ( 2 ) 气体溢流自钻铤上部被循环到防喷器时的p o c o 设气体在钻铤上都的钻杆套管一环空 中所占高度为嚏，气体重力产生的压力为 以。当替入环空为y 高度的钻井液，气柱 项部被顶到距防喷器x 处时，气柱长度为 吃，在距防喷器x 处地层所受的压力为以， 如图3 - i 所示。 图3 - i 岛c d 计算原理图 根据文献 3 0 ，可以得出在c d 范围内套压的变化公式 f k d = p 乏d 一厶6 k 一舰( t 2 t 岛)( 3 - 9 ) 当气柱项部到达防喷器下面( 此时x = o ) 时，环空钻井液上升到最大高 度， ：型兰堕地唑笔型垫墼堕兰( 3 - 1 0 ) 7 ” 2 g 三 ”一7 此阶段的套压最大值： 儿一= 戌一一厶g 埘一锄( r = 岛) ( 3 - 1 1 ) 其中如= c - h + 瓦1 2 西 c = p p p g 。= 警 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 以。= 露一q 一以 式中p 岛诲底防喷器压力，m p a ； ， 丸钻铤上部压力，m p a ； 从钻铤上部到海底防喷器的距离，1 1 1 ； 刀、正钻铤上部和距防喷器x 处的温度，k ： 乏、互气体在钻铤上部和距防喷器x 处压缩系数，无因次。 ( 3 ) 气体溢流从进入节流管线被循环到井口时的p 缸 这个过程同( 2 ) 类似，原理相同，设气体在节流管线中所占高度为巧， 当替入节流管线为，高度的钻井液，气柱顶部被顶到距井口一处时，气 柱长度为彰，在距井口r 处所受的压力为见。 = 4 一厶瓯+ 巧b 瓦一舰等( 拶钏 ( 3 - 1 2 ) 当气柱顶部到井口( 此时一= 0 ) 时，节流管线中钻井液上升到最大高 度止： 儿= 坐堂巡警警些蚴( 3 彤) 其中a = p ：c o 一岛 口：垒丝丝鱼 k z 脚 此阶段的套压最大值： 见一一2 一儿q 一岛一岘鲁( f 2 f 4 ) ( 3 - 1 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 式中7 乙、巧海底和距井口，处的温度，。c ； z 。、z 海底和距井口，处的压缩系数，无因次。 ( 4 ) 从排出气体溢流到钻井液充满整个节流管线时的p 缸 当气体全部排出去后，第一循环周结束，此时刻套压： p o f = p p d 6 _ 一a 艮一a ( t = t s ) ( 3 1 5 ) 根据文献 3 0 ，此阶段的套压随压井时间的增加成直线关系变化，套 压最大值= p 口一( r = ) ，最小值为。 ( 5 ) 压井液通过钻杆从井口到钻头时的p o m 这个过程中，因为环空液柱压力无变化，所以套压无变化，即： 儿w = ( t s t s t 6 )( 3 - 1 6 ) ( 6 ) 压井液从井底上返到海底防喷器时的儿。 设压井液在环空中的高度y s = q t 局，由环空压力平衡关系得： = p ，一y 5 g ：一( d 一儿) 瓯一a p d a ( 气f s f 7 )( 3 - 1 7 ) 当压井液到防喷器时， 鼬2 p p d ，q 一舰一蛾邕2 见一m ( 3 - 1 8 ) 其中d ，井底到防喷器的距离，m 。 压井液通过节流管线从防喷器上返到井口时的p o m p o r e = 见“。( f 7s t t 9 )( 3 - 1 9 ) 3 1 4 其它相关计算 ( 1 ) 压井时间计算 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 针对不同阶段的立管压力和套管压力，将压井时间分成不同时间段， 计算公式 t = 0 三) e ( 3 - 2 0 ) 式中a 不同阶段的横截面积，m 2 ； 不同阶段的管线长度或环空长度，m 。 ( 2 ) 压耗计算 假设钻井液和压井液都是宾汉流体，气体溢流在环空中无滑脱。雷 诺数计算公式 帖悬 1 ) ( 1 + _ 兰= 一) 式中f 动切应力，p a ； 流体塑性粘度，p a s ； p 流体密度，k g m 3 ； d 管路内径，m m l v 流体在管路的平均流速，m s 。 管流压耗计算公式参照式( 3 - 2 1 ) ，当流体流态为层流时，= 6 4 。； 为紊流时，= 0 1 2 5 n q 瓦。 管流压耗计算公式m 1 ： 锄= 筹( 3 - 2 2 ) 当流体流态为层流时，= 6 4 k ，为紊流时，= o 1 2 5 瓦 式中码豳。旨线压力损耗，m p a l 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 三管线长度，m ： 管路摩阻系数，无因次。 环空流压耗计算“： 魄= ( 3 2 3 ) 其中厶是环空流摩阻系数，当流体流态为层流时，厶= 9 6 ； 为紊流时，厶= 0 0 1 5 0 0 2 4 。 萨翻 p 2 4 ) 式中西环空外径，m m ； 吒环空内径，姗。 3 i 5 计算示例 示例基本参数如表4 - 1 所示： 表4 - 1 示例数据 井深( m ) 3 5 0 0 钻杆外径( m m ) 1 1 4 钻铤长度( m ) 1 5 0 水深( m ) 9 8 0 钻杆内径( m m l 9 7 2 节流管线长度( m ) 1 0 0 0 套管鞋深度( m ) 3 3 0 0 钻头尺寸( m m ) 2 1 6 节流内径( m m ) 7 6 钻井液密度( k g m 3 ) 1 4 1 0 套管尺寸( m m ) 2 4 4 5 气体溢流量( m 3 ) 2 钻劳液粘度o s ) o 0 3 1 钻铤外径( f 啪) 1 7 8 海底温度( o c ) 1 2 动切应力i f a ) 1 0 4 海面温度( 。c ) 2 0 地温梯度( o c m ) o 0 3 ( 1 ) 最优排量的选择 根据式( 3 - 1 ) ，计算不同压井排量下套管鞋处所受的压力p 岫，转化 1 7 为 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 成当量密度如图3 - 2 所示： 1 6 5 1 6 4 芦 1 6 3 、 1 6 2 髫1 6 1 翥 1 6 1 6 9 1 5 8 567891 01 11 21 31 41 5 压井排量( l s ) 图3 - 2 不同排量下套管鞋处压力当量密度 可以得出，最优排量q = 1 1 6 i j s 。 ( 2 ) 压力计算和编程模拟 o3 06 09 01 2 0 1 5 01 8 02 1 02 4 02 7 03 0 0 3 3 0 3 6 0 3 9 0 4 2 04 5 0 时闻( m 蛐 图3 - 3 立压、套压变化曲线 蝣心u m 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 vr坦 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻j 兰堑 通过计算机编程，将示例数据带入计算。套压、立压的变化曲线如 图3 3 所示。 为了直观表示，将套压的变化划分为a b 、b c 、c d 、d e 、e f 、f g 、 g h 、h i 、u 等9 个阶段，立压变化划分为a b 、b c 、c d 、d e 、e f , f g 、曲 等7 个阶段。模拟压井过程如下： 第一循环周( b c 段) 关井，压力变化稳定后，读套压表p 。( a b 段) ，立压表( a b 段) ； 开泵循环，增加泵速到压井泵速，初始循环立压p h ，调节节流 阀保持立压不变。气体移动过钻铤后，由于环空容积增大，气体在环空 中的高度下降，从而导致套压下降( b c 段) ； 保持立压砌不变，气体继续上升，随着气体体积不断膨胀，静液 压力减小，套压也逐渐增大( c d 段) ； 保持立压p h 不变，气体进入节流管线，由于节流管线内径较小， 气体有效高度迅速增加，导致套压迅速增加e 段) ； 保持立压办不变，气体被排出后，套压岛迅速下降；继续循环， 直到套压平稳( e f 段) 。 第二循环周： 启动泵，调节节流阀保持套压儿不变，开始泵入压井液，立压开 始下降雠段) ： 保持套压不变，压井液到达井底后，立压不再变化( d e 段) ； 此时改为保持立压不变，压井液开始上返，套压下降，压井液上 返到节流管线( o h 段) ； 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 为了防止压破地层，保持套压不变( t - u 段) ，由于存在节流管线摩 阻，立管压力上升( e l 段) ； 压井返出地面时，持续循环，直到套压、立压保持稳定( f g 段) ； 停泵，循环停止，各种压力损耗消失，立压表和套压表为零凹 段1 。 3 2 节流管线摩阻分析及压井方法 与海底防喷器连接的节流管线通常内径为6 3 5 1 1 4 3 m m ，长度可 达5 0 0 2 0 0 0 m ( 视水深而定) ，当进行压井循环时，海底防喷器组和节流 管汇限制了流体的流动，这种摩擦阻力引起了巨大的压力损失，而且水 越深、节流管线越长，摩擦损失的节流效应就越大。这种节流效应增加 了对井壁的额外回压，再加上钻井液密度和套管鞋处当量密度之间的可 操作窗口比较小，必须要考虑节流管线和压井管线的摩阻损耗，否则会 出现地层破裂甚至井漏嘲。 3 2 1 双管线节流法 自海洋钻井开始以来，海底防喷器组的两侧就装配有两条平行的管 线：节流管线和压井管线。它们连接海底防喷器组到钻井平台，当进行 压井作业时，为溢流的循环排放提供了通道。 压井管线和节流管线的叫法来自于陆地防喷器，有着它最初的使用 目的：节流管线的作用是，为流体提供一条连接环空( 钻杆套管) 到节 流管汇的通道；压井管线的作用是，在需要的情况下，提供一条注入压 井液到环空的通道。 对于海底防喷器系统而言，这两条管线还有其它作用：提供一条 通道对防喷器组进行测压；一条节流管线失效时，另外一条作为后援； 两条管线都作为节流管线来进行压井循环，可以有效降低循环摩阻： 同时是用来循环溢流，能够去除防喷器组中的圈闭气体，产生“b o p 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 分离气体效应”，可有效减少地面套压的波动，降低套压的调节难度脚。 ( 1 ) 双管线节流降低摩阻原理 图3 4 双管线循环示意图 根据管线摩擦损耗计算式( 3 - 2 1 ) ，在不改变钻井液物性参数的条件 下，降低摩阻的方法有：减小压井循环排量和增大节流管线内径。循环 速度过低会导致压井时间过长，从延长整个钻井周期甚至会出现井下事 故。在不更换井控设备的条件下，采用双管线循环相当于增大了节流管 线内径，不但有效降低了节流压耗，并且节约更换井控设备的资金，如 图3 4 所示。 ( 2 ) “b o p 分离气体效应”原理 双管线循环溢流的直觉是，每条管线分配流体的5 0 ，但是分析表 明这种直觉是不正确的。如图3 5 所示，当流体中含有自由气体时，防 喷器确实能起到分离气体的作用，过程如下； 相对于钻井液，由于气体密度低，会优先到达防喷器顶部，然后 进入上部节流管线( 左边) ，因而这条管线内会有更多的气体，如图3 5 ( a ) 所示。 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 此时，上部管线中的液柱压头要比下部节流管线的低。 因而，上部管线中流体的流速高于下部管线。 随着上部管线液柱压头的进一步降低，根据u 型管原理，下部管 线中流体流向会发生逆转，如图3 5 所示。 此时，下部管线流入上部管线中的流体( 基本上不含气体) 增加了 钻井液在上部管线中的高度，相应的气体高度就减少了。 由于气体高度在上部管线中降低，从而减少了节流管线中液柱压 头的损失，避免了套压强烈波动。 图3 - 5 “b o p 分离气体效应”示意图 ( 3 ) 模拟计算 为了更好描述上述效应对压并期间套压的影响，通过计算机程序模 拟嘲( 溢流气体1 6 3 m ? ，节流管线内径7 5 2 m m ，井深4 0 0 0 m ，水深1 5 0 0 m ) ， 结果如图3 - 6 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 1 5 骨1 2 言。 怖6 3 0 01 02 03 0加 气体进入防喷嚣时问( m 蛐 5 0 图3 - 6 单、双管线循环溢流时套压变化曲线 从以上分析可以得出，同时使用两条节流管线进行压井循环可以有 效地降低摩阻损耗，从而避免了压裂套管鞋处薄弱地层。 “b o p 分离气体效应”很好的降低了井口套管压力的波动，并且使 节流阀的调节变得更容易。 3 2 2 附加流量法 针对深水井控过程中节流管线的压耗问题，在现有的压井理论和基 础上，国外提出了一种适合深水井控环境的压井方法_ 附加流量 法一。 ( 1 ) 附加流量法原理 原理如图3 - 7 所示。停钻关井后，同时泵入两种流体：一是压井液 通过钻杆正常泵入；二是通过压井管线，在海底防喷器组位置泵入低密 度流体，这两种流体在防喷器位置混合后由节流管线返出。注入的这种 低密度流体必须具有这样的特性：密度尽可能的低；粘度要低； 能跟钻井液相容；相对于钻井液具有低流变性。确保其产生的混合物 具有低密度和低粘性，减少了节流管线中钻井液返回产生的压降。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 图3 7 附加流量法原理示意图 ( 2 ) 压井过程 压井过程同传统的司钻法非常相似，分两个循环周，第一循环周用 原钻井液循环排出井内受污染钻井液。压井液配置好后，开始第二循环 周，循环泵入压井液。下面详细描述压井过程。 第一循环周： 关四通下防喷器。记录关井立管压力； 关四通上防喷器，从压井管线泵入低密度流体，直到流体全部注 满节流管线，关节流阀； 开四通下防喷器，记录关井套压； 开始以压井泵速泵入原始钻井液，并记录初始立管总压力； 从压井管线开始泵入低密度流体，同时调节节流阀使立管总压力 等于初始立管总压力： 保持钻井液泵入速度和低密度流体泵入速度不变，调节节流阀保 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 持初始立管总压力不变，直到溢流排出； 关井，记录此时的套管压力，此时节流管汇中充满了钻井液和低 密度流体的混合流体。 第二循环周： 开泥浆泵，以压井泵速泵入压井液； ， 同时开泵注入低密度流体，调节节流阀保持套压不变； 一旦压井钻井液到达钻头，使用节流阀保持终了立管总压力不 变； 一旦压井钻井液返出到防喷器位置，关闭下层闸板防喷器，用压 井液取代压井管线和节流管线中的流体； 打开下层防喷器，检查压井情况； 用压井液取代隔水管中的钻井液。 ( 3 ) 模拟计算 混合流体密度计算式 岛：旦粤丛 ( 3 - 2 5 ) 岛2 百7 一 u 呓” y 是低密度流体排量比率，y = q ，伤 式中 岛钻井液密度，k g m 3 ； p ，低密度流体密度，k g m 3 ； 幺钻井液排量，l s ； q ，低密度流体排量，l s 。 雷诺数计算参照式( 3 2 1 ) ，管线摩阻计算参照式( 3 - 2 2 ) 。 ( 4 ) 计算示例 安哥拉某深水井水深为9 8 5 m ，节流管线长1 0 0 0 m ，钻井液密度岛= 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 1 4 5 0 k g m 3 ，低密度流体是油基乳化剂，密度乃- - - - - 8 0 0 k g m 3 。 为了验证方法的有效性，选取三组不同的r 侄t ( o ，0 2 ，o 4 ) 和不同 的内径尺寸( 7 5 2 m m ，8 8 9 r a m ，1 0 1 6 r a m ) ，通过测量动切应力f 、塑性 粘度和设定不同排量的疡、q ，于是得到三组不同的蛾值，如表 3 - 2 所示。 表3 - 2 不同条件下的节流管线压耗计算结果 排量( l s )压耗( m a ) 条件 钻井液低密度流体总排量不同直径节流管线 l y - - - - 0 ，f = 1 0 4 p a ，= o 0 3 1 p a s 7 5 2 m m8 8 9 r a m1 0 1 6 m m 55o 9 2o 7 20 6 0 881 0 3o 7 80 6 4 1 01 01 5 6o 8 2o 6 6 1 21 22 1 31 0 50 6 8 2 ，= o 2 ，f = 6 8 p a ，卸0 2 4 p a s 7 5 2 m m8 8 9 r n m1 0 1 6 m m 516o 6 50 5 0o 4 l 81 69 61 2 8o 6 30 4 4 1 021 21 8 80 9 20 4 6 1 22 41 4 42 5 91 2 60 6 9 3 ，= o 4 ，f 司1 p a ，, a = o 0 1 3 p a s 7 5 2 r a m8 8 9 r n m1 0 1 6 n u n 5270 6 40 3 00 2 5 83 2 1 1 21 4 5 0 7 10 3 9 1 041 42 1 41 0 5 0 5 7 1 24 81 6 82 9 41 4 3 0 7 8 从图3 8 中可以看出，对于小内径的节流管线，即使采用较低排量 也容易造成紊流，使用本方法后压耗反而增大了。 图3 - 9 、图3 1 0 很好的反映了因排量变化引起流态变化的现象。使 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章深水司钻法压井及节流管线摩阻分析 用大内径的节流管线，加入低密度流体后，管线中流量虽然增大了，但 是由于流体密度、粘度的改变，管线压耗反而降低了。随着排量不断增 大，一旦流态变为紊流，压耗迅速增大。当管径尺寸固定时，存在最优 的钻井液排量和排量比组合，使节流管线的压耗最小。 同陆地井控相比，深水井控一般采用较低的压井排量，通过对数据 的分析比较可以看出，增大钻井液排量有助于提高压井速度，节约压井 时间，但排量过大会形成紊流，造成压耗增长。使用大内径节流管线， 可有效降低管线压耗，提高压井速度。 言2 莹2 蓄- 螂1 j 扭0 0 2 薹： 懿 钻井液捧量旺 ) 图3 - 8 不同钻井液排量比下7 5 2 m m 管线压耗对比 钻井液捧量q 呐) 图3 - 9 不同钻井液排量比下矽8 8 9 r a m 管线压耗对比 2 7 嬉蓥一篆 2 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章深水动力压井模型建立 第4 章深水动力压井模型建立 在深水超深水条件下，当发生强烈溢流不能用常规压井方法进行压 井时，动力压井法可以作为深水非常规压井中一种有效的方法，它可以 有效的避免压裂地层，国外已经对此方法作了大量研究“”。 4 1 动力压井法 4 1 1 动力压井法实施方法 动力压并是一种制服井喷的有效方法，它是由m o b i l 公司首先提出 的，并在1 9 7 8 年用这种方法成功制服了a n m 油田c i i 2 井的强烈井喷。 这种方法不同于常规压井方法借助井口装置产生回压来平衡地层 压力，而是借助于流体循环时克服环空流动阻力所需的井底压力来平衡 地层压力。该方法最初是针对利用救援井锖4 服喷并而提出的，曾多次成 功地制服