深水控制泥漿帽鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

李 昊， 孫寶江， 高永海， 王金堂， 王 寧

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

?深水鉆井完井專題?

深水控制泥漿帽鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

李 昊， 孫寶江， 高永海， 王金堂， 王 寧

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

深水控制泥漿帽鉆井技術(shù)可以應(yīng)對嚴(yán)重漏失地層和高壓、高含硫地層的鉆井問題，但鉆井水力參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算較為困難。為此，結(jié)合深水鉆井工藝流程，建立了深水控制泥漿帽鉆井井底壓力計(jì)算模型，給出了深水鉆井不同工況下的鉆井液密度確定準(zhǔn)則和鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度計(jì)算方法，并基于井筒內(nèi)循環(huán)壓耗分析得到了水面泵和水下泵的泵壓計(jì)算方法；針對嚴(yán)重漏失地層和高壓、高含硫地層的井筒壓力分布特點(diǎn)，給出了該工況下的泥漿帽高度計(jì)算方法；結(jié)合井眼清潔準(zhǔn)則和漏失量與漏失壓差的關(guān)系，給出了犧牲流體排量計(jì)算方法，并以此為基礎(chǔ)提出了深水控制泥漿帽鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)流程。以一口深水井為例，對控制泥漿帽鉆井水力參數(shù)進(jìn)行了算例分析，結(jié)果表明：泥漿帽高度主要由井底壓力的大小決定，鉆井液密度與排量的大小可對其產(chǎn)生一定影響，所以通過調(diào)節(jié)泥漿帽高度可以控制井筒壓力。

深水鉆井 控壓鉆井 泥漿帽 水力參數(shù)設(shè)計(jì) 計(jì)算方法

深水控制泥漿帽(control mud cap,CMC)鉆井技術(shù)是B.Fossli等人[1]提出的一種應(yīng)對嚴(yán)重漏失地層和高壓、高含硫地層鉆井問題的先進(jìn)技術(shù)。但其特殊的鉆井工藝也給水力參數(shù)設(shè)計(jì)帶來了難題：在鉆進(jìn)過程中，由于受泥漿帽高度、水下鉆井液舉升泵排量等參數(shù)的影響，井底壓力的控制難度很大，須建立能夠綜合考慮以上因素的井筒壓力模型；而當(dāng)鉆遇漏失層時(shí)，泥漿帽密度、高度與犧牲流體漏失量之間存在內(nèi)在聯(lián)系，因此在設(shè)計(jì)犧牲流體排量時(shí)需綜合考慮犧牲流體攜巖特性及地層漏失特性。國內(nèi)學(xué)者[2-5]近年來相繼開展了泥漿帽鉆井方面的理論研究，并取得了一定的研究成果。然而，由于CMC鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)方面的研究尚處于起步階段，因此需要結(jié)合深水CMC鉆井的工藝特征,從一些基礎(chǔ)問題入手,建立深水CMC鉆井井底壓力計(jì)算模型，給出適合于深水CMC鉆井的水力參數(shù)計(jì)算方法。

1 深水CMC鉆井井底壓力模型及關(guān)鍵參數(shù)確定

深水CMC鉆井的鉆井液不是通過隔水管井口返回平臺，而是經(jīng)水下隔水管短節(jié)[6]、水下鉆井泵泵送回平臺[7]。當(dāng)鉆遇惡性漏失地層時(shí)，通過向天然漏層注入犧牲流體的方式避免浪費(fèi)鉆井液；當(dāng)鉆遇高壓、高含硫地層時(shí)，為了避免高壓、高含硫氣體危及平臺人員安全，通過調(diào)節(jié)泥漿帽高度在套管鞋處壓漏地層，利用犧牲流體將氣侵流體壓入地層[8]。擬建立的深水CMC鉆井井底壓力模型與常規(guī)深水鉆井壓力系統(tǒng)有所不同[9]，它假設(shè)正常鉆進(jìn)時(shí)井底壓力恒定，并認(rèn)為氣柱形成的壓力忽略不計(jì)，根據(jù)深水CMC鉆井工藝特點(diǎn)，在深水CMC鉆井井筒壓力分析模型的基礎(chǔ)上，給出正常鉆進(jìn)時(shí)鉆井液密度、當(dāng)量循環(huán)密度及鉆井泵泵壓的計(jì)算方法。

1.1 井底壓力計(jì)算模型的建立

建立的深水CMC鉆井井筒壓力分析模型為：

(1)

式中：pB為井底壓力，MPa；pBP為井口回壓，MPa；pU，pL分別為上部、下部鉆井液液柱靜壓力，MPa；Δpa為下部鉆井液循環(huán)摩阻，MPa。

與常規(guī)深水鉆井相比，深水CMC鉆井井底恒壓，其數(shù)值與鉆井液排量和泥漿帽高度均無關(guān)，只與地層孔隙壓力對應(yīng)，因此其計(jì)算式為：

(2)

式中：ρp為地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；g為重力加速度，取9.806 65 m/s2；H為垂深，m。

在正常鉆進(jìn)時(shí)，由于是開環(huán)循環(huán)，因此有：

(3)

上部鉆井液液柱靜壓力：

(4)

式中：ρm為鉆井液密度，g/cm3；HU為靜止的泥漿帽液柱高度，m。

下部鉆井液液柱靜壓力:

(5)

式中,HL為隔水管短節(jié)以下循環(huán)鉆井液液柱深度，m。

環(huán)空內(nèi)的循環(huán)壓耗[10]：

(6)

式中：dhi為井眼內(nèi)徑，m；dpo為鉆桿外徑，m；dco為鉆鋌外徑，m；μm為鉆井液黏度，Pa·s;Q為鉆井液排量，L/s。

整理后可得正常鉆進(jìn)時(shí)泥漿帽高度的計(jì)算公式為：

1.2 鉆井液密度的確定準(zhǔn)則

在相同井深條件下，深水CMC鉆井井筒內(nèi)的鉆井液柱高度較小，其所用的鉆井液密度比常規(guī)深水鉆井高。為了在正常鉆進(jìn)、停泵以及緊急斷開隔水管時(shí)不出現(xiàn)地層流體侵入或井漏事故，要保證任何情況下井筒內(nèi)的壓力都略大于地層孔隙壓力而小于地層破裂壓力。根據(jù)以上3種工況的特點(diǎn)，可得深水CMC鉆井的鉆井液密度確定準(zhǔn)則為:

1)正常鉆進(jìn)

(8)

2)停鉆

(9)

3)緊急斷開隔水管

(10)

式中：ρf為地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Hwd為海水深度，m；ρs為海水密度，g/cm3；Hssb為泥線以下井筒深度，m。

1.3 正常鉆進(jìn)時(shí)當(dāng)量循環(huán)密度的確定

深水CMC鉆井過程中的當(dāng)量循環(huán)密度為：

式中：ρE為深水CMC鉆井正常鉆進(jìn)時(shí)的當(dāng)量循環(huán)密度，g/cm3。

如果井筒內(nèi)無鉆具或停泵，則單純依靠調(diào)整井口回壓無法平衡地層壓力，因此需要向井筒內(nèi)注入鉆井液，增加泥漿帽的高度以彌補(bǔ)因停止循環(huán)而損失的循環(huán)壓耗。此時(shí)的鉆井液靜液柱壓力與正常鉆進(jìn)(循環(huán))時(shí)的井底壓力相同，但鉆井液液柱高度不同，因此井筒壓力剖面存在差異。

1.4 CMC鉆井的泵壓計(jì)算

1.4.1 平臺鉆井泵泵壓的計(jì)算

平臺鉆井泵的泵壓由管路中的循環(huán)壓耗確定，具體可表示為：

(12)

式中：pp為平臺鉆井泵泵壓，MPa；Δpdp為鉆桿內(nèi)循環(huán)壓耗，MPa；Δpa為環(huán)空內(nèi)鉆井液循環(huán)壓耗，MPa；Δpb為鉆頭處的壓耗，MPa；Δpc為水下泵后端返回管線內(nèi)的循環(huán)壓耗，MPa；Δprl為水下泵前端與隔水管短節(jié)之間連接管線內(nèi)的循環(huán)壓耗，MPa；pssp為水下鉆井泵的泵壓，MPa。

鉆頭壓降和鉆柱內(nèi)壓耗分別為[11-12]：

(13)

式中：B為常數(shù)，內(nèi)平鉆桿取0.516 55，貫眼鉆桿取0.575 03；c為噴嘴流量系數(shù)；Ao為噴嘴面積，cm2；Lp為鉆桿長度，m；Lc為鉆鋌長度，m；μm為鉆井液塑性黏度，Pa·s。

1.4.2 水下鉆井泵泵壓的計(jì)算

水下鉆井泵的泵壓可表示為[6]：

pssp=Δpc+Δprl+gρm(H-HL-HU)

(15)

式中，pssp為水下鉆井泵的泵壓，MPa。

正常鉆進(jìn)時(shí)平臺鉆井泵和水下鉆井泵的排量相等，可以保證泥漿帽高度保持恒定；當(dāng)需要調(diào)整泥漿帽高度時(shí)，只需調(diào)節(jié)水下鉆井泵或平臺鉆井泵的排量，就可以完成操作。

1.5 鉆遇特殊地層時(shí)關(guān)鍵工藝參數(shù)的計(jì)算

在海上鉆井時(shí)，當(dāng)鉆遇漏失層或高壓、高含硫等特殊地層時(shí)，一般將海水作為犧牲流體[13]。由于海水的密度已知，因此需要結(jié)合地層特點(diǎn)對犧牲流體排量、泥漿帽高度等重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.5.1 泥漿帽高度的確定

(16)

在向井筒內(nèi)注入犧牲流體后，漏失層上部的鉆井液停止循環(huán)，因此要保證犧牲流體順利進(jìn)入漏失層以增加泥漿帽的高度，即：

(17)

從式(17)可以看出，此時(shí)泥漿帽高度大于正常鉆進(jìn)時(shí)的泥漿帽高度，泥漿帽增加的高度正是漏失層上部環(huán)空循環(huán)壓耗對應(yīng)的當(dāng)量液柱高度。

1.5.2 犧牲流體排量的確定準(zhǔn)則

在設(shè)計(jì)犧牲流體的注入排量時(shí)，須從2方面入手[15]：1)犧牲流體注入排量要滿足井筒內(nèi)的攜巖要求；2)在保證將巖屑攜帶進(jìn)漏失流道的前提下，要保證CMC鉆井井內(nèi)的動態(tài)平衡。

1.5.2.1 犧牲流體最小攜巖返速

由環(huán)空固-液兩相流動基本原理可以得到直井段不同環(huán)空濃度所需要的鉆井液返速為[16-17]：

(18)

(19)

式中:vf為鉆井液返速，m/s；vs為顆粒沉降速度，m/s；Ca為環(huán)空中巖屑體積分?jǐn)?shù)；dw為井徑，m；vr為機(jī)械鉆速，m/h。

令Ca=5％，則vf即為所求的最小環(huán)空返速。

根據(jù)前人的相關(guān)研究成果，巖屑的沉降速度vs還受巖屑尺寸、巖屑密度、井斜角、鉆柱轉(zhuǎn)速和鉆井液密度的影響，因此筆者通過引入相關(guān)影響因子對式(19)進(jìn)行了修正，修正后的表達(dá)式為：

(20)

結(jié)合式(18)、式(20)可得：

(21)

在得到攜巖最小返速后，根據(jù)漏失層以下環(huán)空最大截面積可以得到攜巖最小排量。

1.5.2.2 漏失量與漏失壓差間的關(guān)系

犧牲流體排量過大或過小都會造成漏失壓差變化，從而導(dǎo)致泥漿帽高度失穩(wěn)，因此在設(shè)計(jì)犧牲流體排量時(shí)，需確定漏失量與漏失壓差間的關(guān)系。目前很多學(xué)者[4，18-19]已經(jīng)通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究得到了關(guān)于漏失量與漏失壓差關(guān)系的各種數(shù)學(xué)模型，見表1。然而，漏失壓差與漏失速度之間的真實(shí)關(guān)系須根據(jù)現(xiàn)場漏失數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析得到，并通過數(shù)值方法回歸出表1中的參數(shù)。

表1 漏失量與漏失壓差關(guān)系模型

2 CMC鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)流程

深水CMC鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)流程如下：1)根據(jù)工藝參數(shù)確定巖屑直徑；2)根據(jù)循環(huán)鉆井液(犧牲流體)屬性計(jì)算最小攜巖返速，并確定最小排量；3)根據(jù)漏失量與漏失壓差的關(guān)系，確定最小排量對應(yīng)的漏失壓力；4)根據(jù)泥漿帽高度與井筒壓力的關(guān)系，確定最小排量對應(yīng)的泥漿帽高度；5)根據(jù)地層破裂壓力和地層孔隙壓力確定泥漿帽的可調(diào)整范圍，及其對應(yīng)的漏失量范圍；6)如果計(jì)算得到的泥漿帽高度位于可調(diào)整范圍內(nèi)，則得到CMC鉆井犧牲流體排量；7)如果計(jì)算得到的泥漿帽高度不在可調(diào)整范圍內(nèi)，則分2種情況：a.計(jì)算得到的泥漿帽高度超出泥漿帽可調(diào)整范圍，表示在泥漿帽可調(diào)整范圍內(nèi)無法達(dá)到攜巖最小返速，應(yīng)調(diào)整工藝參數(shù)和鉆井液類型，進(jìn)一步減小攜巖最小排量；b.計(jì)算得到的泥漿帽高度低于泥漿帽可調(diào)整范圍的低限，則為了達(dá)到最好的井眼清潔效果，應(yīng)以泥漿帽可調(diào)整范圍高限對應(yīng)的排量作為施工參數(shù)。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某深水井平臺距海平面25 m，水深1 250 m，立管內(nèi)徑317.5 mm，采用φ127.0 mm鉆桿，φ311.1 mm井眼最大排量2 500 L/min，φ215.9 mm 井眼最大排量1 500 L/min，低泵速循環(huán)排量400 L/min。進(jìn)行深水CMC鉆井時(shí)，泥漿帽最低位置可達(dá)海平面以下560 m。如果使用密度為1.57 g/cm3的鉆井液，則123 m的泥漿帽高度即可獲得2 MPa液柱壓力，此時(shí)泥漿帽氣液界面距離水面井口437 m。不同套管鞋位置的地層破裂壓力和孔隙壓力見表2[20]。從表2可以看出：如果采用常規(guī)鉆井方式鉆φ311.1 mm井眼時(shí)，需要在鉆至井深2 300 m時(shí)下入φ244.5 mm套管，而使用CMC鉆井方式在φ311.1 mm井眼可鉆至井深3 800 m。

地層孔隙壓力和破裂壓力剖面如圖1所示：井深2 500 m處的地層孔隙壓力當(dāng)量密度已經(jīng)高于常規(guī)鉆井的鉆井液密度，如果繼續(xù)鉆進(jìn)可能誘發(fā)井控事故，因此必須下入φ244.5 mm套管固井。若采用CMC鉆井，井深2 500 m處的井底壓力為33.33 MPa，大于地層孔隙壓力(30.50 MPa)，為安全鉆進(jìn)提供了保障，可不下φ244.5 mm套管繼續(xù)鉆進(jìn)。

表2 套管鞋處的地層破裂壓力和孔隙壓力

圖1 實(shí)例井套管程序及壓力剖面Fig.1 Casing program and pressure profile of the case well

3.2 循環(huán)壓耗計(jì)算結(jié)果

假設(shè)地溫梯度為2.3 ℃/100m，注入的鉆井液密度為1.57 g/cm3，黏度為0.03 Pa·s，并假設(shè)泥漿帽到海平面的距離為400 m，根據(jù)相關(guān)公式，計(jì)算得到不同排量下環(huán)空和水下泵管線內(nèi)的壓耗，結(jié)果分別如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可知：各個管線內(nèi)的循環(huán)壓耗隨深度增加而增加；鉆井液排量對壓耗有明顯影響，排量越大壓耗變化越大；在泥線及井深1 940 m處，環(huán)空內(nèi)循環(huán)壓耗的增長速度發(fā)生變化，這主要是因?yàn)樵谀嗑€處井筒由φ339.7 mm套管變?yōu)棣?17.5 mm隔水管，環(huán)空截面積突然減??；在井深1 940 m處，井筒由φ311.1 mm井眼變?yōu)棣?39.7 mm套管，環(huán)空截面積突然變大而引起的。

圖2 不同排量下環(huán)空內(nèi)壓耗隨深度的變化Fig.2 Annulus pressure loss vs.depth curve at different flow rates

3.3 泥漿帽高度計(jì)算結(jié)果

設(shè)井深為3 800 m，不同密度下泥漿帽的高度隨排量的變化曲線如圖4所示。

圖3 不同排量下水下泵系統(tǒng)管線內(nèi)循環(huán)壓耗隨深度的變化Fig.3 Circulating pressure loss in underwater pump system and pipes vs.depth curve at different flow rates

圖4 不同密度下泥漿帽高度隨排量的變化Fig.4 Mud cap height vs.flow rate curve at different mud density

設(shè)井深為3 800 m，注入的鉆井液密度為1.57 g/cm3，不同排量下泥漿帽的高度隨井底壓力變化的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不同排量下泥漿帽的高度隨井底壓力的變化Fig.5 Mud cap height vs.bottom-hole pressure at different flow rates

從圖4可以看出：當(dāng)井底壓力確定以后，泥漿帽的高度將隨著排量的增大而降低，這主要是因?yàn)榕帕吭酱?，循環(huán)中的鉆井液對井底造成的壓力也將會增大，只需要較低的泥漿帽高度便可以平衡井底壓力；在同一排量下，注入的鉆井液密度越大，泥漿帽的高度越低。從圖5可以看出：給定密度且在同一排量下，泥漿帽高度隨著井底壓力的增大而增高；同一井底壓力下，排量越大泥漿帽高度越低。根據(jù)以上分析可知，泥漿帽高度主要由井底壓力的大小決定，鉆井液密度與排量的大小也對其產(chǎn)生一定影響，通過調(diào)節(jié)泥漿帽高度可以控制井筒壓力。

4 結(jié)束語

結(jié)合鉆井工藝流程給出了深水控制泥漿帽鉆井井底壓力計(jì)算模型，得到了鉆井液密度確定準(zhǔn)則及當(dāng)量循環(huán)密度計(jì)算方法。根據(jù)控制泥漿帽鉆井的特點(diǎn)，得到了鉆遇漏失層時(shí)泥漿帽高度、合理漏失量、犧牲流體排量的確定方法，并結(jié)合井筒攜巖要求及漏失量與漏失壓差的關(guān)系特征給出了控制泥漿帽鉆井水力參數(shù)的設(shè)計(jì)流程。實(shí)例計(jì)算表明：在同一排量下，注入鉆井液密度越大，泥漿帽的高度越低；鉆井液密度和排量不變的條件下，泥漿帽高度隨著井底壓力的增大而增高；同一井底壓力下，排量越大泥漿帽高度越低。分析認(rèn)為，泥漿帽高度主要由井底壓力的大小決定，但鉆井液密度與排量的大小也對其產(chǎn)生一定影響，所以通過調(diào)節(jié)泥漿帽高度可以控制井筒壓力。

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DesignandCalculationofHydraulicParametersforControllingMudCapinDeepwaterDrilling

LiHao，SunBaojiang，GaoYonghai，WangJintang，WangNing

(SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China)

Deepwater control mud cap drilling is an advanced technology to deal with thief zone,high-pressure and high sulfur-bearing formation,but its drilling hydraulic parameters design and calculation are more complex.According to the drilling process in deepwater,the calculation model of BHP for deepwater control mud cap drilling was established.The guidelines for determining drilling fluid density under different conditions and calculation method of ECD were proposed,based on the analysis of circulating pressure loss,the calculating methods for pump pressure were put forward at subsea and surface respectively.The calculation method of mud cap height was proposed according to the characteristics of wellbore pressure distribution in thief zone,high pressure and high sulfur-bearing formation.Based on the wellbore cleaning rule and the relationship between lost amount and lost pressure differential,the calculation method of sacrificed flow rate was proposed,and hydraulic parameter design process for deep water controlled mud cap drilling was put forward.Based on the basic data of a deepwater well,hydraulic parameters for deepwater mud cap drilling were calculated and analyzed.The results show that the mud cap height is mainly decided by bottom-hole pressure,the density and flow rate have some impact,thus wellbore pressure can be controlled by adjusting the mud cap height.

deepwater drilling；managed pressure drilling；mud cap；hydraulic parameter design；calculation method

2013-03-01；改回日期2013-05-10。

李昊(1978—)，男，北京大興人，2000年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)計(jì)算數(shù)學(xué)及其應(yīng)用軟件專業(yè)，2010年獲中國石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，講師，主要從事油氣井流動力學(xué)與工程及海洋石油工程方面的研究工作。

聯(lián)系方式：(0532)86981928，lionlihao@aliyun.com。

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”之子課題“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)”(編號：2011ZX05026-001-02)、教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目“海洋油氣井鉆完井理論與工程”(編號：IRT1086)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(編號：13CX05006A)資助。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.003

TE52

A

1001-0890(2013)03-0013-06

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