鉆井過程循環(huán)溫度敏感性因素分析與應(yīng)用

羅 增曹 權(quán)沈欣宇郭建華陽 強

(1.中國石油西南油氣田分公司 工程技術(shù)研究院,成都 610000;2.四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司,成都 610000)

0 引言

油氣井鉆井過程中,影響鉆井液循環(huán)溫度的鉆井參數(shù)[1-3]因素復(fù)雜多樣。隨著儲氣庫、頁巖氣等技術(shù)的發(fā)展,井深不斷增加,井底循環(huán)溫度受鉆井參數(shù)的綜合影響越來越明顯,井下導(dǎo)向工具故障頻發(fā),嚴重制約了鉆井進度。學(xué)者通過研究井下溫度分布規(guī)律[4-6],建立傳熱數(shù)值預(yù)測模型。Ramey等人建立了井筒溫度的半動態(tài)傳熱模型,但在地面鉆井液參數(shù)變化時,預(yù)測計算繁瑣[7-9]。上訴研究方法均未對不同參數(shù)的影響進行綜合模擬,且主要為理論分析,現(xiàn)場作業(yè)人員無法進行有效的應(yīng)用。該文在前人研究基礎(chǔ)上,考慮鉆井參數(shù)的綜合影響,通過Land mark軟件對鉆井液體系、鉆井液密度、井口注入溫度、施工排量等參數(shù)進行模擬,得出了影響鉆井過程循環(huán)溫度敏感因素。并對頁巖氣、常規(guī)天然氣、儲氣庫等不同作業(yè)工況的井進行了分析,推薦出改變不同敏感參數(shù)以降低頁巖氣水平段循環(huán)溫度。

1 鉆井循環(huán)溫度的影響因素

四川盆地為多山地環(huán)境,為克服山地環(huán)境帶來的經(jīng)常限制,在頁巖氣常規(guī)天然氣儲氣庫建設(shè)過程中多部署為定向井、水平井;當前主流的定向鉆進工具在垂深井深＞3 500 m、井底溫度＞135℃時井眼鉆進過程中故障頻繁。從SPE文獻[10]報道的北美Haynesville頁巖氣,到四川南部的深層頁巖氣田均發(fā)現(xiàn)在水平段鉆進過程中,由于井底高溫導(dǎo)致井下導(dǎo)向工具失效,水平段頻繁起下鉆,最高起下鉆達21次,見表1。

表1 四川盆地某氣田水平段鉆進情況統(tǒng)計表Table 1 Statistics of drilling in horizontal section of a gas field in Sichuan Basin

天然氣經(jīng)濟高效開發(fā)亟待克服由于井底循環(huán)高溫帶來的時間及成本的增加,該研究通過對鉆井過程中對鉆井液循環(huán)過程中接觸的所有介質(zhì)及參數(shù)進行一一分析,為四川盆地頁巖氣井/天然氣井/儲氣庫井鉆井降低鉆井液循環(huán)溫度提供參考。

現(xiàn)有學(xué)者對單一因素影響下的鉆井循環(huán)溫度進行了相關(guān)研究,易燦等[11]進行了超深井循環(huán)壓耗計算模型研究,建立了考慮溫度、壓力效應(yīng)的超深井鉆井循環(huán)壓耗計算模型。王軻[12]考慮井筒流體與地層傳熱,根據(jù)熱力學(xué)定律和能量守恒定律,建立了鉆井液循環(huán)期間鉆柱內(nèi)及環(huán)空流體瞬態(tài)溫度模型,分析了鉆井液排量和循環(huán)時間對環(huán)空溫度的影響。

楊雪山[13]等根據(jù)熱力學(xué)第一定律及傳熱學(xué)基本原理,推導(dǎo)出環(huán)空和鉆柱內(nèi)溫度場微分模型,并對井筒溫度場的理論模型進行了求解,分別求解了鉆井液循環(huán)期間垂直段鉆柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)鉆井液溫度沿井深分布的預(yù)測模型,以及鉆井液循環(huán)期間水平段鉆柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)鉆井液溫度沿水平延伸方向分布的預(yù)測模型。

但鉆井過程接觸的介質(zhì)及工況復(fù)雜,僅考慮單一影響因素無法有效指導(dǎo)現(xiàn)場鉆井作業(yè),在石油天然氣鉆井過程中,鉆井循環(huán)溫度主要受以下因素影響:1)井筒條件,包括井眼尺寸、各層次套管下入深度、井斜角、水平段長;2)鉆具條件,包括鉆具尺寸、鉆具外徑、鉆具內(nèi)徑;3)鉆井液條件,包括鉆井液體系、鉆井液密度、黏度、動切力;4)鉆井參數(shù),包括轉(zhuǎn)盤鉆速、排量、機械鉆速;5)井筒介質(zhì)的比熱容及熱傳導(dǎo)系數(shù)。

考慮1)～5)中涉及介質(zhì)進行全過程綜合因素模擬,探索不同工況下鉆井過程循環(huán)溫度變化規(guī)律。

2 溫度敏感性因素分析

采用Land mark熱力學(xué)分析模塊對不同鉆井液體系、鉆井液密度、井口注入溫度、水平段長、施工排量,選取四川盆地某氣井YH2-8井Φ215.9 mm井眼鉆進過程為例進行分析,該井情況如下:

1)垂深4 073.99 m,水平段長1 941 m;

2)第三次開鉆以Φ311.2 mm 鉆頭,采用鉀聚合物鉆井液鉆至約3 460m,下入Φ244.5 mm 技術(shù)套管,固井水泥漿返至地面;

3)第四次開鉆以Φ215.9 mm PDC鉆頭進行造斜段+水平段鉆進;

4)地面溫度15℃,在井深6 222 m 處測得井底溫度148.25℃,后續(xù)井段儀器故障,溫度未知。

采用實鉆過程參數(shù)模擬第四次開鉆Φ215.9 mm井眼影響鉆井液循環(huán)過程溫度,實鉆過程鉆井機械鉆速8 m/h,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60～80 r/min,鉆頭噴嘴組合14.3 mm×3+11.1 mm×2,參數(shù)見表2。井眼軌跡為“直-增-穩(wěn)-降-穩(wěn)-增-平”雙二維軌跡,最高造斜率6.65°/30 m,參數(shù)見表3。

表2 鉆井參數(shù)Table 2 Drilling parameters

表3 井眼軌跡參數(shù)Table 3 Well trajectory parameters

2.1 鉆井液體系影響分析

鉆井循環(huán)過程中的溫度變化關(guān)鍵在于鉆井液,當前四川盆地常規(guī)天然氣井、儲氣庫井主要采用水基鉆井液體系;頁巖氣井在儲層段采用油基鉆井液進行鉆進。根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理[14],考慮了鉆井液傳熱受流動影響,且由于相同密度條件下水基鉆井液與油基鉆井液比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)顯著不同,必將影響鉆井液循環(huán)溫度,因此從不同鉆井液體系角度對鉆井液影響因素進行分析。鉆井液體系:1)水基鉆井液,密度2.16 g/cm3,比熱容1 563.819 J/kg·℃,熱傳導(dǎo)系數(shù)1.76 W/m·℃,動切力10 Pa,塑性黏度0.05 Pa·s,注入溫度70℃;2)油基鉆井液,密度2.16 g/c m3,比熱容1 056.072 J/kg·℃,熱傳導(dǎo)系數(shù)1.18 W/m·℃,動切力12 Pa,塑性黏度0.07 Pa·s,注入溫度70℃。參數(shù)見表4。

表4 水基/油基鉆井液體系參數(shù)Table 4 Parameters of water-based/oil-based drilling fluid system

采用表4中鉆井液參數(shù),模擬從井口到井底鉆井循環(huán)溫度,如圖1所示。

圖1 油基/水基鉆井液條件下井筒循環(huán)溫度曲線Fig.1 Temperature curve of wellbore circulation under the condition of oil-based/water-based drilling fluid

由圖1可知,原始地層溫度在井底水平段4 331～6 272 m保持穩(wěn)定不變;同樣施工模擬條件下,鉆井液循環(huán)溫度不斷增加,但采用水基鉆井液較油基鉆井液循環(huán)溫度較低,降低約5.866℃,在水平段末端溫度相差越來越大。因此使用水基鉆井液比油基鉆井液具有更好的降低井底循環(huán)溫度效果。

2.2 鉆井液密度影響分析

在現(xiàn)場鉆井過程中,由于井底溢流或地層壓力系數(shù)增加,需要加重增加鉆井液密度,則需考慮鉆井液密度變化對井底循環(huán)溫度影響。張輝[15]通過實驗測量鉆井液在不同溫度下的潤滑系數(shù)和泥餅黏滯系數(shù),擬合出其隨溫度變化關(guān)系,由于不同密度條件下鉆井液比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)顯著不同,必將影響鉆井液循環(huán)溫度,因此從不同鉆井液密度角度對鉆井液影響因素進行分析,實際使用3種鉆井液體系:1)密度2.16 g/cm3,比熱容1 056.072 J/kg·℃,熱傳導(dǎo)系數(shù)1.18 W/m·℃;2)密度2.26 g/cm3,比熱容1 001.77 J/kg·℃,熱傳導(dǎo)系數(shù)1.27 W/m·℃;3)密度2.36 g/cm3,比熱容952.071J/kg·℃,熱傳導(dǎo)系數(shù)1.35 W/m·℃。動切力均為10 Pa,塑性黏度均為0.07 Pa·s,注入溫度均為70℃。參數(shù)見表5。

表5 鉆井液密度參數(shù)Table 5 Density parameters of drilling fluid

采用表5中鉆井液參數(shù),模擬從井口到井底鉆井循環(huán)溫度,如圖2所示。

圖2 不同鉆井液密度條件下井筒循環(huán)溫度曲線Fig.2 Temperature curve of wellbore circulation under different drilling fluid density

通過圖2可知,鉆井液循密度在現(xiàn)有2.16 g/cm3基礎(chǔ)上,增加0.1 g/c m3,則循環(huán)溫度增加1.944℃,增加0.2 g/c m3,則循環(huán)溫度增加4.154℃。故在保證井控安全的前提下可通過降低鉆井液密度降低循環(huán)溫度。

2.3 注入溫度影響分析

由于受季節(jié)溫度變化影響,井場鉆井液罐中鉆井液溫度存在季節(jié)差異,鉆井液與水泥漿在不同井深位置所受到的作用溫度是不同的[16-18]。在深井情況下,地層高溫對鉆井液流體流變性能的影響更加明顯。考慮采用地面降溫方法調(diào)節(jié)鉆井液溫度,特模擬經(jīng)設(shè)備降溫后不同溫度鉆井液從井口注入后,整個循環(huán)過程溫度變化規(guī)律。鉆井液注入溫度參數(shù)為密度2.16 g/cm3,比熱容1 056.072 J/kg·℃,熱傳導(dǎo)系數(shù)1.18 W/m·℃,見表6。

表6 鉆井液溫度參數(shù)Table 6 Temperature parameters of drilling fluid

采用油基鉆井液,通過不同注入溫度進行模擬,如圖3所示。

圖3 不同井口溫度條件下井筒循環(huán)溫度曲線Fig.3 Temperature curve of wellbore circulation under different wellhead temperature conditions

由圖3 可知,通過降溫設(shè)備由70℃降低至40℃,回注鉆井液降低幅度30℃,循環(huán)到井3 750～6 272 m循環(huán)降低約7.432℃。相比調(diào)節(jié)鉆井液體系、鉆井液密度,井口注入溫度對井底循環(huán)溫度更加敏感。故可采用地面降溫方法降低鉆井液注入溫度,達到降低水平段循環(huán)溫度的目的。

2.4 排量影響分析

水平段Φ215.9 mm 井眼主要采用的鉆井液排量約在30 L/s,考慮到鉆進過程強化水力參數(shù),需不斷提高鉆井液排量至35 L/s。高溫、高壓環(huán)境下的超深井鉆井,溫度和壓力對鉆井液密度和流變特性的影響已不能忽略[19-21]。循環(huán)溫度模擬需考慮壓力效應(yīng),壓力效應(yīng)主要受排量影響。特模擬不同鉆井液排量條件下,整個循環(huán)過程溫度變化規(guī)律,鉆井液排量依次采用25 L/s,30 L/s,35 L/s,40 L/s,參數(shù)見表7。

表7 排量參數(shù)Table 7 Displacement parameters

以YH2-8井為例,通過不同鉆井液排量進行模擬,如圖4所示。

圖4 不同排量條件下井筒循環(huán)溫度曲線Fig.4 Temperature curve of wellbore circulation under different displacement conditions

通過不同排量模擬表明,排量對循環(huán)溫度的影響較為明顯。從井深約750 m 開始,鉆井液循環(huán)溫度隨排量增加而增加,在水平段末端6 200 m處采用30 L/s排量比35 L/s排量降低循環(huán)溫度5.866℃。故在滿足井底攜巖安全及水力破巖基礎(chǔ)上,可以通過適當降低鉆井液排量來達到降低水平段循環(huán)溫度。

該研究通過鉆井液體系、鉆井液密度、井口注入溫度、鉆井泵排量等參數(shù)變化規(guī)律,模擬鉆井過程對循環(huán)溫度的影響情況。

1)鉆井液體系、鉆井液密度、井口注入溫度、鉆井泵排量均為循環(huán)溫度的敏感因素,調(diào)整不同幅度可以降低鉆井過程中循環(huán)溫度;

2)調(diào)整鉆井液參數(shù)可能會增加井底循環(huán)溫度,如“采用40 L/s排量”、增加鉆井液密度都會增加井底循環(huán)溫度;

3)敏感因素的影響程度依次為:井口注入溫度＞鉆井排量＞鉆井液體系＞鉆井液密度;影響因素最明顯的是注入溫度,可比原始地層溫度降低7.432℃。

鉆井過程循環(huán)溫度敏感性因素如表8所示。

表8 鉆井過程循環(huán)溫度敏感性因素總結(jié)Table 8 Summary of circulating temperature sensitive factors during drilling

要降低鉆井過程循環(huán)溫度,可通過改變鉆井液體系、密度、注入溫度、水平段長及排量實現(xiàn),還可以根據(jù)氣藏或儲層特征選擇匹配方式。不同的改變條件可能并考慮作業(yè)成本、實施難易程度進行優(yōu)選。

3 應(yīng)用實例

四川盆地某頁巖氣平臺部署4口井,水平段入靶A點垂深范圍3 827～3 874 m,水平段長1 550～2 300 m,平臺4口井采用相同鉆井液體系、密度、鉆井液排量。其中A-1井未采用地面降溫方法,井底最低循環(huán)溫度130℃,最高循環(huán)溫度151℃;A-2,A-3,A-4井采用地面降溫方法,井底最低循環(huán)溫度為125℃,最高循環(huán)溫度為138℃;入口溫度由64.8℃降低至45.6℃,井底最低降溫效果幅度5℃,滿足2.3節(jié)模擬的最高降溫7.432℃,與模擬結(jié)論相匹配?，F(xiàn)場應(yīng)用情況對比見表9。

表9 現(xiàn)場應(yīng)用情況對比Table 9 Comparison of practical application

4 結(jié)論

1)系統(tǒng)模擬了各敏感因素對鉆井過程循環(huán)溫度的影響程度,改變不同的鉆井敏感性因素將影響鉆井循環(huán)溫度,可能導(dǎo)致鉆井循環(huán)溫度增大或減小。

2)適當?shù)恼{(diào)整井筒條件及鉆井參數(shù)可以實現(xiàn)降低鉆井過程循環(huán)溫度,在前人研究基礎(chǔ)上結(jié)合不同敏感因素的影響程度對頁巖氣常規(guī)天然氣儲氣庫不同氣藏條件進行了適應(yīng)范圍推薦。

3)降低鉆井過程中循環(huán)溫度對改善井下工具服役條件,提高水平井一趟鉆作業(yè)時間從而實現(xiàn)鉆井成本的降低具有積極意義。

4)在鉆井液中添加吸熱反應(yīng)材料,來實現(xiàn)鉆井過程中循環(huán)溫度的降低是后續(xù)研究的一個思路及攻關(guān)方向。