控压钻井环空水力模拟计算

控压钻井环空水力模拟计算余金海;孙宁;崔龙连【摘要】AnnularhydraulicsimulationisakeypartofanyManagedPressureDrilling(MPD)operation.AdetailedhydraulicanalysiscannotonlybeusedforhydraulicparameterdesignofMPD,butalsoguidethedrillingengineerreal-timedealingwithdifficulthydrodynamicissues.AccordingtothedrillingfluidcharacteristicsusedintheMPDoperation,therheologymodelsofdrillingfluidwerecomparedanddetermined.Basedonexperimentsandtheoreticalanalysis,takingintoaccounttheimpactofbottomholetemperatureandpressureondrillingfluiddensityandshearrate,thehydraulicsimulationsofMPDwereconducted.ThesimulationresultswerecomparedwithrealtimePWDdataofthetwoonsitewells.Thehydraulicsimulationresultsconsistwellwithon-siterealtimePWDdata.%环空水力模拟是控压钻井技术的一个重要组成部分.环空水力模拟不仅可用于控压钻井水力参数设计，还能指导现场实时判断、准确地处理井下出现的各种复杂情况.详细地分析了控压钻井作业环空水力学特征，根据实际钻井液特性选择相适应的钻井液流变模型，综合考虑井下温度、压力对钻井液密度和剪切应力的影响，进行控压钻井环空水力模拟计算.与实施控压钻井的2口井现场实时PWD数据进行对比，表明水力模拟结果与现场数据较为吻合，可用于指导现场施工.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷)，期】2011(033)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】控压钻井;水力学计算;现场应用【作者】余金海;孙宁;崔龙连【作者单位】西南石油大学，四川成都610500;中国石油集团公司钻井工程技术研究院，北京100195;中国石油集团公司钻井工程技术研究院，北京100195;中国石油集团公司钻井工程技术研究院，北京100195【正文语种】中文【中图分类】TE21窄密度窗口地层钻井导致的非生产时效日趋增加，特别是深水、枯竭地层以及海相碳酸盐岩储层。通常情况下，窄密度窗口定义为钻井过程中的环空循环压耗大于或等于地层孔隙压力与破裂压力之差，这就给钻井液密度选择和安全钻进带来了挑战，其结果是静止状态下环空静液柱压力小于地层孔隙压力，导致溢流发生；当钻井液处于循环状态，井底压力大于地层破裂压力，导致钻井液漏失。控压钻井技术作为一种能有效解决窄密度窗口地层钻井问题的技术得到快速发展，其应用范围和作业井次逐年增加。控压钻井通过一系列技术、工具和工艺主动控制环空水力参数，使井底始终处于〃不涌、不漏”状态。当前国内控压钻井研究重点在控压钻井设备的研制开发，而精确的环空水力模拟理论计算略显欠缺。环空水力学模拟是控压钻井技术一个重要组成部分。控压钻井作业过程中，现场工程师将依赖水力学模拟，特别是针对某区块第1口井的控压钻井作业。准确的环空水力学模拟不仅可用于控压钻井水力参数设计，还能指导工程师实时准确地判断和正确地处理井下出现的各种复杂情况，如井涌、井漏。控压钻井作业前的水力学模拟能帮助工程师根据地层压力窗口选择合理的钻井液密度和钻井泵排量。控压钻井作业过程中的水力学模拟有助于优化合理的作业参数，并能提前预测可能的风险。控压钻井作业对井底压力控制精度要求非常高，常达到0.6~1MPa。然而，循环过程中影响井底压力的参数多，如钻井液密度、钻井液流变性、钻井泵排量、岩屑浓度、温度、井眼尺寸及钻具组合等。这些参数对井底压力的影响效果不同，但却相互关联。Power-Law模型和Bingham塑性模型在直井模拟中能得到较为满意的结果，但对水平井、大位移井需考虑偏心率，因此选择考虑偏心率的Roberston-Stiff流变模型。Roberston-Stiff模型优点是计算结果与实际结果较吻合，但其模型参数多、计算复杂。井深增加，温度和井底压力也随之增大，但温度和压力对钻井液密度影响效果相反：钻井液密度随温度增大而减小，而随压力增加而增大。因此，必须综合考虑温度、压力对钻井液密度的影响。计算中还考虑一些常被忽略的参数，如接头参数（包括接头长度、内径和外径）。钻井泵效率要根据实际情况进行修正。水平井或定向井中不同的钻井方式（转盘、螺杆以及复合钻进）会导致实际裸眼井段直径存在一定差别。综合考虑以上因素，进行了环空水力参数模拟计算，并与2口井控压钻井现场实时PWD数据进行对比。对比结果表明，水力学模拟计算结果与现场数据较为吻合。1钻井液流变模型选择钻井液流变性对环空水力模拟结果有着极其重要的影响。因此，环空水力计算分析中钻井液流变模型的选择尤为关键。现场使用的钻井液通常存在一个非零屈服值。在钻井泵开启时，非零屈服值将会导致泵压瞬间升高。常用描述钻井液流变性的模型主要有：幕律模型（PL）、宾汉模型（BH）-塑性流体、卡森（CS）模型、赫-巴（H-B）三参数流变模型（又称为修正幕律模型）和Roberston-Stiff（R-S）模型。其中Roberston-Stiff模型的表达式为式中，A为稠度系数，Pa・sB;C表示剪切速率，s-1;B为流性指数。在这里，若B=0,表示流体为宾汉流体；若C=0，表示流体为幕律流体。尽管上述5种模型都常被用来描述钻井液的流变性，研究中选择了一种最合适描述中所涉及的低密度无固相钻井液。所采用的方法是均方差法。具体处理方法如下。根据旋转黏度计中600、中300、中200、中100、中6和中3的读数分别计算出钻井液的塑性黏度pp、动切力T0、卡森动切力TC、极限高剪黏度门8等5种模型下的常数，然后分别代入这5种模型，分别求出这几种模型下不同剪切速率Y对应的剪切应力tT。同时依据tF=0.511中的关系，计算出钻井液在6个剪切速率下的实测剪切应力值tF。将剪切应力的理论值tT和实测值tF进行相对误差计算，取偏差平方和的平方根最小为最优流变模型。表1是通过回归计算得到的各流变模型的参数及均方差分析结果。3组参数均方差分析结果表明，研究中所涉及的低密度无固相钻井液宾汉流变模型的均方差最大，3组读数的均方差都大于1；卡森模型的均方差在1左右，幕律流变模型的3组均方差值处于0.5~1之间，赫-巴模型和罗-斯模型的均方差最小，3组均方差均小于0.5。通过均方差分析认为，赫-巴模型、罗-斯模型和幕律模型均可很好地描述钻井液的流变性。但由于研究所涉及水力模拟计算的井均为水平井，因此，选用罗-斯流变模型对低密度无固相钻井液流变性进行描述。表1钻井液流变性回归分析结果流变模式流变方程均方差流变方程均方差流变方程均方差PLt=0.725y0.490.823t=0.729y0.490.7771t=0.716y0.510.6240BHt=3.19+0.02136y1.9982t=3.15+0.02124y1.8772t=3.57+0.02216y2.4066CSt1/2=1.36+14.68y1/20.9666t1/2=1.36+14.50y1/20.9798t1/2=1.44+15.60y1/21.3753H-Bt=0.857+0.327y0.6120.5073t=0.958+0.298y0.6250.4534t=0.399+0.534y0.5500.2094R-St=0.4x(4.762+y)0.58800.4025t=0.375x（9.060+y）0.59700.2625t=0.586x（20286+y）0.58800.21652温度、压力对钻井液密度的影响井筒中钻井液的温度和压力都随井深增加而升高。温度增加时的热膨胀导致钻井液密度降低，而压力增加时的压缩效应使钻井液密度升高。在特定的温度分布下，这两种对立的效果相互补偿、趋于抵消。控压钻井中，对环空水力学模拟计算的精度要求高，因此必须详细分析温度、压力对钻井液密度的影响。此外，作业过程中，环空和钻杆内的温度处于变化状态，时间不同，温度分布也不同。为获取这两种效应对钻井液密度的影响，必须计算温度动态分布。在计算环空温度分布时，假设：（1）与轴向对流相比，忽略轴向热传导；（2）钻杆内、环空流体不存在径向温度梯度；（3）忽略流体黏度消散产生的热量；（4）钻井液流动为一维稳定流；（5）井筒热传输为径向稳态，地层周围热传输为非稳定状态。根据上述假设，建立钻杆、环空和地层间的热传导方程，通过数值求解，获得不同状态下环空温度分布。图1是静置与循环状态钻井液环空温度分布规律。长时间静置使地层温度与环空钻井液的热交换达到平衡状态，环空钻井液温度分布规律与地层温度分布规律相同。钻井液在循环过程中，与地层发生热交换，使地层温度降低，同时钻井液的温度也随之降低。当这种热交换达到稳定状态时，环空钻井液温度分布如图中蓝线所示。与静置状态相比，循环时钻井液出口温度大于静置时井口温度，而井底温度小于静置时井底温度，在1250m左右，环空钻井液温度与静置时相等。图1地层温度曲线与正常循环时环空钻井液温度对比图2是钻井液由静置开始循环至传热达到平衡过程中环空钻井液随井深的变化曲线。从图2中可看出，在钻井液开始循环的30min内，井底温度迅速降低，井口返出钻井液温度快速升高；随着钻井液循环的继续，井底温度进一步降低，井口温度也有一定升高；当循环时间达到300min后，环空钻井液的温度随井深分布基本达到稳定状态，井底温度基本保持不变，而井口温度也不再增加。循环300min后的环空钻井液温度分布与图1中的循环温度分布基本一致。从图中还可看出，循环时间延长，温度恒定点的位置也随之上升，最后维持在1700m左右。图2循环开始后不同时间点循环钻井液温度曲线用于描述温度、压力对钻井液密度影响的方法有多种。概括起来，钻井液密度随压力、温度的变化模式分为2种：复合模式、经验模式。根据研究中所涉及的钻井液特性，选用一种修正的复合模型，表达式为式中，p0,T0和p0为模型特征参数，E为模型修正参数；C1,C2,C3为水的特性参数，C1=-2.2139x10-4,C2=-5.0123x10-7,C3=3.0997x10-6。采用修正的复合模型建立水基钻井液静态密度与温度、压力间的关系，将压力、温度随井筒分布规律代入即可得到钻井液的密度特征。钻井液的密度的迭代公式为式中，pw(p,T)为水的密度；i为迭代步长。将上述环空温度分布规律代入式(2)和式(3)，然后根据如下的ESD计算公式，通过计算机程序计算即可得到钻井液的当量静态密度式中，ESD为当量静态钻井液密度，g/cm3;p(p,T)为钻井液密度，g/cm3;H为井深，m。图3是地层温度对钻井液当量静态密度的影响。可以看出，随井深增加，ESD降低。地温梯度越大，即井底温度越高，ESD的值越小。在3种不同的井底温度下，ESD的变化趋势相同，但井底温度越高，ESD下降速度越快。在井底温度达到175°C时，井底的钻井液密度仅为0.99g/cm3，与地表密度1.08g/cm3相比下降了8.33%。因此，在高温、高压井进行环空水力计算时，必须考虑温度、压力对钻井液密度的影响。图3井底温度对钻井液当量静态密度（ESD）的影响3温度、压力对钻井液流变性的影响常规环空水力学计算中很少考虑温度、压力对钻井液流变性的影响。但是，一些研究结果表明，温度、压力对钻井液流变性存在一定影响。总体来讲，在压力相同条件下，温度升高，剪切力变小；在温度相同条件下，剪切力随压力的增大而增大。对本研究的低密度无固相水基钻井液，井底温度不超过140°C,井底压力小于60MPa,环空流动处于低剪切速率范围，采用数据回归可较好反映钻井液流变性能。构造一个函数关系用于表示低剪切速率条件下钻井液剪切力与温度、压力的关系式中，f（p,T）是一定剪切速率下，剪切应力关于压力和温度的函数；f（p0,T0）是1个大气压、室温条件下的剪切应力。通过分析和室内实验，用回归的方法得到关系式中的参数值：a0=1.0521;a1=1.4432x10-3;a2=-1.4662x10-3;a3=3.0225x10-6;a4=3.0964x10-6;a5=-1.5114x10-6。回归相关系数值为98.5%，评价误差为1.041%。将a0~a5分别代入式（5）得上述数学方程表明：流体剪切力随压力增大而增大，随温度增大而减小。式（6）是温度、压力对水基钻井液流变性影响的函数关系。分析实验数据、回归函数及R-S流变模型的分析，若对R-S模型进行修正，可采取修正参数A的方式，即式中，X为修正稠度系数，Pa-sB;C为剪切速率，s-1;B为流性指数。在这里，若B=0，表示流体为宾汉流体；若C=0，表示流体为幕律流体。式中，e为稠度系数比，无因次，表示考虑温度、压力对稠度系数影响与未考虑温度、压力稠度系数之比值。p、t对剪切应力的作用效果相反，在本研究中，地层压力系数取0.011MPa/m,地温系数取0.0204C/m。将温度、压力梯度系数代入式（8）和（9）即可得到随井深变化的温度、压力对应的e值（图4）。图4井深变化对稠度系数比的影响在开始阶段井底压力作用使钻井液的剪切应力增加，但增加量较小，与地表正常值相比，剪切应力最大增加了3.5%；随着井底温度的升高，热效应使流体剪切应力相应地减低，在井深达到3650m时，压力的增加效应与温度的降低效应抵消，此时钻井液的剪切应力与井底剪切应力值相当；当井深大于3650m时，温度效应起主要作用，即钻井液剪切应力小于地表剪切应力。因此，经修正后流体的本构方程可表示为4井底压力计算及现场应用采用修正的R-S模型计算环空循环压耗。环空压耗pg的计算公式可表示为式中，R2为井眼或套管内径，R1为钻柱外径，e为偏心率。通过全井段分段积分可得全井段环空压耗根据井底压力等于环空压力与静态当量密度之和可得到井底压力通过编写计算机程序即可得到不同作业参数下的井底压力。图5和图6是两口典型的窄密度窗口地层钻井实测井底压力与理论计算结果的对比，井段基本为水平井段，邻井采用常规钻井工艺曾出现〃喷漏同层、喷漏同存〃的井下复杂情况。采用控压钻井作业后，较好地解决了窄密度窗口地层的上述复杂情况。将钻井液密度、井身结构、钻具组合等主要参数输入建立的理论模型。现场作业过程中采用的流量是12L/s，但由于钻井泵上水效率等原因，实际流量约为11.5L/s。因此，在其他参数不变的情况下，选择11L/s和12L/s的钻井液排量分别进行计算。从图5和图6可以看出：环空水力学模拟计算结果与2口井的实测数据比较吻合，提高排量参数的输入精度能进一步提高模拟计算精度，可以满足控压钻井的需要。图5塔XX-1井现场PWD实测数据与计算数据对比图6塔XX-2井现场PWD实测数据与计算数据对比5结论（1） 分析了控压钻井作业过程中的环空水力学特征。影响井底压力参数众多，合理地处理各参数间的相互关系，对提高环空水力计算精度尤为关键。钻井液流变模型的选择对模拟计算结果具有至关重要的影响。（2） 对定向井、水平井，Roberston-Stiff流变模型能较好地描述钻井液流变性，但其计算参数多，计算过程复杂。（3） 获取钻井过程中的动态温度分布非常重要，同时还要考虑一些常被忽略的参数如钻杆接头、钻井泵上水效率以及水平井水平段的钻进方式等。（4） 水力模拟计算结果与现场数据吻合，表明水力计算模型正确、计算求解方法可靠。【相关文献】[1]ISAMBOURGP,ANFINSENBT,MARKENC.Volumetricbehaviorofdrillingmudsathighpressureandhightemperature[R].SPE36830,1996.[2]ROMMETVIETR,BJORKEBOLLKS.TemperatureandpressureeffectsondrillingfuidrheologyandECDinverydeepwells[R].SPE/IADC39282,1997.[3]汪海阁，李相方，刘希圣.Robertson-Stiff流体管流与环流轴向流动规律研究[J].河南石油,1996,10(5):16-20.[4]汪海阁，苏义脑.Robertson-Stiff流体在偏心环空中的流动[J].应用数学和力学，1998,19(10):92-100.[5]ISAMBOURGP,BERTINDL,BRANGETTOM.FieldhydraulictestsimproveHPHTdrillingsafetyandperformance[R].SPE49115,1998.[6]HERZHAFTB,PEYSSONY,ISAMBOURGP,etal.Rheologicalpropertiesofdrillingmudsindeepoffshoreconditions[R].SPE/IADC67736,2001.[7]CHARLESR,TIANS.Sometimesneglectedhydraulicparametersofunderbalancedandmanagedpressuredrilling[R].SPE/IADC114