精細控壓鉆井井內壓力計算探究

劉濤(山東省東營市勝利油田鉆井工程技術公司定向井公司)

引言

國外的石油工業(yè)相對于國內的石油工業(yè)有著很大的不同，但是從提高整個石油工程的經(jīng)濟效益出發(fā)，對于新時代的鉆井工程有著非常高的要求，各個工程必須減少各自的非生產(chǎn)的時間，最大限度的降低單位進尺的成本。

國外在控壓鉆井方面已經(jīng)形成了諸如：雙梯度油田鉆井技術、鉆機帶壓泥漿帽鉆井技術等等。同時隨著油田液體循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展，控制鉆機壓力的鉆井技術已經(jīng)成為一項專門對于壓力敏感層油田開發(fā)的新技術。世界上許多公司都在不同程度上采用了鉆井壓力控制技術，微流控制系統(tǒng)是整個控壓鉆井技術的核心，現(xiàn)場應用表明此項技術能夠在很大程度上減少溢流以及鉆井的井漏，在一些實施比較好的地方甚至出現(xiàn)了整個鉆井沒有遺漏且沒有整個施工過程中沒有任何事故發(fā)生。

國內的控壓鉆井技術相對于國外有著很大的落后，這在一定程度上是由國外的技術封鎖在造成的，但是，我國的控壓鉆井技術也取得了非常的進步，國內的許多單位已經(jīng)開始了對于控壓鉆井相關裝備的研究工作，并且在很多的重大的技術難題上取得了很大的突破。

一、精細控壓鉆井技術的簡述

油田的精細鉆井壓力控制系統(tǒng)是整個鉆井窄密度窗口保證安全的主要技術之一，對于井下復雜的地質情況有著很好的效果。精細控壓鉆井技術能夠在鉆井出現(xiàn)井漏情況下快速有效的降低井底的工作壓力。對于經(jīng)常出現(xiàn)的井漏以及井涌現(xiàn)象能夠更早的檢測到，并且相關人員能夠在鉆井口處快速的提升回壓，防止井漏以及井涌現(xiàn)象進一步的惡化，此外，井底的壓力能夠得到很大的減小，這對于卡鉆現(xiàn)象能夠得到很大的緩解，這樣能夠提高整個油田鉆井作業(yè)的安全，精細控壓鉆井技術就是在鉆井的整個工作過程中保證全程做到準確的測量，并且對于井底的壓力進行準確的計算測量，全方面的保證整個井底壓力的最大值與地層中的壓力相等，以到達降低整個鉆井作業(yè)工程中溢流以及井漏事故發(fā)成的可能性。

二、鉆井的精細控壓技術的原理以及組成情況

1.鉆井的控壓原理

鉆機的壓力波動、油田鉆進的井口回壓、鉆機的環(huán)空循環(huán)壓耗以及鉆機的液柱壓力等組成了鉆井井筒中的環(huán)空壓力。在傳統(tǒng)的油田鉆進作業(yè)當中，對于整個鉆井的液體密度進行調節(jié)是最為基本且非常重要的手段，但是整個液體密度調節(jié)的時效性比較薄弱。此外，整個油田的鉆井系統(tǒng)有著很大的串通性，并沒有達到理想狀態(tài)的封閉性，這就對于鉆井系統(tǒng)的連續(xù)性造成很大的影響，而鉆井的壓力控制技術的基本原理是低密度液體在進入循環(huán)狀態(tài)時，最大程度的保證其動態(tài)位于安全可控的范圍內，如果整個鉆井液出現(xiàn)循環(huán)停滯，則會對井口位置的回壓造成一定的影響，從而將鉆井液靜態(tài)合理保持在安全的范圍之中，從而達到保障整個油田鉆井安全的目的。

2.整個控壓鉆井系統(tǒng)的構成

我國現(xiàn)有的精細鉆井壓力控制技術系統(tǒng)主要由電子指令系統(tǒng)、電子遙控系統(tǒng)、精確數(shù)字分析系統(tǒng)、全自動的監(jiān)測系統(tǒng)等部分構成：

(1)電子指令系統(tǒng)

精細鉆進的壓力控制系統(tǒng)中的電子指令系統(tǒng)由鉆井的液壓控制閥門、各類信號匯總、信號數(shù)據(jù)顯示部件以及必須的管線儀表構成，在這個大系統(tǒng)當中，控制柜實現(xiàn)對于相關信號的控制工作，電磁閥部件吸收相應部件的控制命令，最后將得到的工作信號轉變?yōu)橄鄳囊后w壓力信號，最后節(jié)流閥的開度有了相應的電信號的控制，最后達到對于鉆井壓力精細的控制。

(2)電子遙控系統(tǒng)

電子遙控系統(tǒng)的接收到相關的信號之后，并進行一系列的數(shù)據(jù)處理，并將最后處理的信號傳遞給下級的機構部件，從而各類的閥門得到相應的控制，各個閥門的開度以及各個閥門的工作狀態(tài)都將處于電子遙控系統(tǒng)的監(jiān)督之中。整個電子遙控系統(tǒng)的主要作用：接受并處理相關的系統(tǒng)信號，同時將處理的結果傳達給相應的閥門部件，其實就是對于信號的中轉作用，最后得到對于整個閥門的開度以及工作是的狀態(tài)進行有效的監(jiān)控。最后將自身檢測到的一系列相關的數(shù)據(jù)發(fā)送回檢測系統(tǒng)。

(3)精確數(shù)字分析系統(tǒng)

精確數(shù)字分析系統(tǒng)主要由四大部分組成，一是數(shù)據(jù)控制部分，其主要的作用就是為系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行交換、對相應的指令運行的情況進行實時的劍盾以及對電氣控制系統(tǒng)發(fā)出的調節(jié)指令做出相應的反應。二是數(shù)字計算部分，其主要的作用就是將先前理論計算的數(shù)據(jù)與鉆井實時掌控的數(shù)據(jù)進行對比，最后得出相關的整體數(shù)據(jù)的控制的標準。三是輸入計算部分，輸入計算部分主要工作是在鉆井工作之前，對于一些測量得到的以及根據(jù)理論知識得到的數(shù)據(jù)進行相應的數(shù)據(jù)輸入。四是邏輯判定部分，邏輯判定部分就是根據(jù)系統(tǒng)中實際的返回的參數(shù)進行準確、快速、有效的邏輯分析。

三、精細控壓井井壓計算

1.液柱壓力計算模型

(1)靜態(tài)情況下液柱壓力

靜液柱產(chǎn)生的壓力是由于液態(tài)分子因重力而相互擠壓產(chǎn)生的，其大小應等于所計算點的垂直液面深度與液體密度與重力加速度的乘積，具體的公式為：

式中 P靜態(tài)液柱產(chǎn)生的壓力，MPa

0.00981為重力加速度的近似值

ρ為液體的密度，g/cm3

H為所計算點垂直液面深度，m

(2)井筒中有多種不同密度的流體時的靜液柱壓力

井筒中流體情況如圖所示，此時的計算公式可推導為：

(3)氣體進入井筒時的靜液壓力計算

氣體進入井筒當中，游離在鉆井液當中。隨著鉆井液的排出而逐漸上升至地面，在上升的過程當中，由于深度逐漸降低，導致壓力減小。又因為氣體的可壓縮性，小氣泡會逐漸膨脹，所以鉆井泥漿的密度會隨著深度的減少而逐漸降低。為保證安全，我們利用下式對井內壓力進行計算：

式中 α為返至井口氣侵鉆井液密度ρs與氣侵前鉆井液密度ρma的比值

Ps為井口環(huán)形空間壓力，MPa根據(jù)上述的公式以及相關的實驗可得，在靜止的情況下，氣體進入井筒時，靜液柱的壓力情況如下表所示：

井深0相差靜液柱壓力0 0.006 0.002 0.008 0.004 0.002 0.006 0.002 0.008 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000正常靜止工況下靜液柱壓力0 5.886 11.772 17.658 23.544 29.43 35.316 41.202 47.088氣侵情況下靜液柱壓力0 5.88 11.77 17.65 23.54 29.43 35.31 41.2 47.08

(4)高溫高壓狀況下靜液柱的壓力計算公式

式子中 P為靜態(tài)液柱高溫高壓狀況下產(chǎn)生的壓力，MPa

Ρw1為流體常態(tài)密度，g/cm3

Ρw2為流體高溫高壓狀態(tài)下的密度，g/cm3

H為觀測點的深度，m

f為流體在高溫高壓下的體積分數(shù)

在通常的計算當中，都是視井筒中液柱密度不變。然而在實際的工作中會發(fā)現(xiàn)，由于溫度壓力上升，井筒中流體的密度隨著井筒深度的改變而改變。由于熱脹冷縮的原理，溫度升高，流體體積膨脹，密度降低；壓力增大，流體體積壓縮密度增大。

四、普通靜液柱壓力計算模型與精細模型對比

實例分析某一水平井的4000-5000米深段，普通靜液柱壓力計算模型與高溫高壓下靜液柱壓力計算模型對比情況如下圖所示：

由圖上可知，在采用前文當中的公式，忽略高溫高壓對井中流體密度的影響，認為密度恒定時，井底的壓力為50.93MPa；當考慮到其影響時，井底壓力為49.98MPa。比較兩種算法，其相差0.95MPa。對井中在窄安全密度窗口進行的安全鉆井活動,靜態(tài)壓力值降低0.95MPa，很可能造成回壓值設計較低,不能達到微過壓力控制的要求，可能會導致溢流現(xiàn)象的發(fā)生。

再對此井采用精細孔壓鉆井方式分析，靜止情況下井筒中的壓力如下圖：

由圖中可知，根據(jù)普通模型計算出的靜液柱的壓力值設計出來的回壓值，雖然滿足微過的壓力平衡，但是在實際作業(yè)中由于高溫高壓的原因，會導致靜液柱壓力變小，此時所設計的回壓值就偏小，就會出現(xiàn)溢流的現(xiàn)象。

五、精細鉆井控壓技術的注意方面

精細鉆井技術相對于傳統(tǒng)的鉆井技術換處于初級的階段，各個技術環(huán)節(jié)還沒有得到應有的成熟這就需要廣大的技術人員一定要注意到一下內容：首先，鉆井井底的壓力一定要把握好，如果出現(xiàn)壓力不夠的情況一定要給與實時的補充，全面的做好油氣的防侵蝕工作，對于液面的檢測工作一定要做到位，因為整個鉆井的精細孔鉆技術一直處于微露溢漏的平衡臨界狀態(tài)，整個液面之間的變化范圍一定要做到1方以內，整個壓力的范圍位于0---5M pe以內，在工作的過程出如果出現(xiàn)控壓超過了5Mpa一定要及時的調整防噴器的開關。

結束語

隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國對于油田的鉆井技術要求肯定會越來越高，國家為了提高對于油氣田的開發(fā)，對于油氣田的開采投資肯定會越來越大，這就給我們提出了更高的要求，在實際的工作當中一點要做到精益求精，全面的提高鉆井機械的鉆井速度，保證整個精細鉆井壓力控制的安全作業(yè)，此外，一定要注意對于國外先進的鉆井技術的學習，如果有條件可以組織相關的技術人員到國外的現(xiàn)場進行學習，做好與國外的先進鉆井單位的交流，最后一定要注意自身鉆井技術的開發(fā)，加大相關的科研投入，為我國的鉆進事業(yè)不懈奮斗。

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