影響井底溫度及關(guān)井壓力的敏感因素分析

趙建，苗典遠(yuǎn)，劉英偉，羅源，方世祥

影響井底溫度及關(guān)井壓力的敏感因素分析

趙建，苗典遠(yuǎn)，劉英偉，羅源，方世祥

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

利用專業(yè)井控模擬分析軟件，對影響井底溫度及關(guān)井壓力的關(guān)鍵因素進(jìn)行了模擬分析。通過研究發(fā)現(xiàn)：鉆井液入口溫度、鉆井液循環(huán)排量、鉆井液的熱力學(xué)性能、地層溫度等對井底溫度及關(guān)井壓力有較大的影響。因此，準(zhǔn)確掌握各敏感因素的影響規(guī)律、做好現(xiàn)場各參數(shù)的監(jiān)測和記錄、開展井控模擬工作，對于有效識別鉆井過程中真假溢流工況、降低井控作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、保障鉆井作業(yè)安全有著重要的作用。

井底溫度；關(guān)井壓力；影響因素；敏感性分析

海洋石油鉆井過程中，井筒內(nèi)的溫度變化對井底壓力和關(guān)井壓力有重要影響，尤其是鉆遇高溫高壓層段時(shí)，在高溫作用下鉆井液體積會發(fā)生膨脹，導(dǎo)致井口返出增多，現(xiàn)場停泵關(guān)井觀察期間，也可能會產(chǎn)生一定的井口套壓，造成一種“假溢流”現(xiàn)象。深入研究并掌握鉆井過程中井內(nèi)溫度及井口壓力的變化規(guī)律，是鉆井作業(yè)安全的重要保障。

由于影響井內(nèi)溫度及關(guān)井壓力的因素較多[1]，井下傳熱過程復(fù)雜，因此很難用實(shí)驗(yàn)的方法對這些因素進(jìn)行研究。因此，本文利用國際公認(rèn)的動態(tài)多相流模擬分析軟件Drillbench，分別選取了地層溫度、鉆井液循環(huán)排量、出入口溫度、鉆井液比熱等參數(shù)作為研究對象，對幾個(gè)影響因素進(jìn)行了較為系統(tǒng)的規(guī)律分析。模擬研究了不同變量下的井底溫度變化，以及不同變量對關(guān)井壓力的影響規(guī)律。

1 海上預(yù)探井井況

本文所用案例模型為渤海油田某異常高壓預(yù)探井，井深4 952 m，裸眼段長度為1 054 m，地溫梯度0.03 ℃·m-1，預(yù)測地層孔隙壓力為1.52 g·cm-3。該井身結(jié)構(gòu)為30〞導(dǎo)管×120 m+ 20〞套管×498 m + 13-3/8〞套管×1 998 m + 9-5/8〞套管×3 898 m。鉆具組合為8-1/2〞PDC鉆頭 + 6-1/2〞鉆 鋌×179 m+5〞加重鉆桿×140 m + 5〞鉆桿×800 m + 5-1/2〞鉆桿×3 833 m，井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計(jì)鉆井液密度1.62 g·cm-3，推薦流變模型為Robertson-Stiff模型，塑性黏度24 mPa·s，屈服值 8 Pa，鉆井液比熱容2.20 kJ·kg-1·℃-1，導(dǎo)熱系數(shù) 1.20 W·m-1·K-1。

圖1 預(yù)探井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 軟件可靠性分析

Drillbench是斯倫貝謝研發(fā)的、業(yè)界最為領(lǐng)先的動態(tài)井控模擬分析軟件，也是業(yè)界唯一的基于OLGA動態(tài)多相模擬引擎的井控動態(tài)模擬軟件，自從在1985年被開發(fā)出來后，被成功地應(yīng)用于大量了井涌及井噴施工的控制及事后分析工作。近年來，隨著軟件技術(shù)及多相流動態(tài)模擬技術(shù)的發(fā)展，目前已擁有國際最領(lǐng)先的多相流模擬技術(shù)，并且經(jīng)過了大量的全尺寸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證。在BP的深水地平線井噴事故的調(diào)查報(bào)告中，該軟件作為井噴事故分析的關(guān)鍵動態(tài)模擬工具，提供了重要的計(jì)算支撐。

3 井底溫度及關(guān)井壓力模擬分析

3.1 地層溫度影響規(guī)律

圖2為相同排量（2 200 L·min-1）、不同地溫梯度（0.030、0.035、0.040 ℃·m-1）對應(yīng)的井底溫度變化曲線。由圖2可知，地溫梯度越高，井底循環(huán)時(shí)的溫度也越高，關(guān)井后井底溫度增加值越大（分別增加45、53.5、61 ℃）。

圖2 地溫梯度對井底溫度的影響

圖3為關(guān)井后由于鉆井液受熱膨脹引起的關(guān)井壓力變化曲線。地溫增加33%，井口壓力增加了61%。由此可知，地層溫度越高時(shí)，關(guān)井后由于鉆井液受熱膨脹產(chǎn)生的井口回壓越大。

圖3 地溫梯度對關(guān)井壓力的影響

3.2 鉆井液排量影響規(guī)律

圖4為不同排量（1 600～2 400 L·min-1）的井底溫度變化曲線。由圖4可知，當(dāng)排量低于 2 000 L·min-1時(shí)，井底溫度隨排量的增加而降低，停泵后溫度變化值Δ增加；當(dāng)排量大于 2 000 L·min-1時(shí)，井底溫度隨排量的增加而增加，停泵后溫度變化值Δ減小。究其原因，當(dāng)鉆井液排量小于某一臨界值時(shí)，井內(nèi)對流散熱作用明顯，對井底溫度的降低起主要作用，此時(shí)井底鉆井液溫度隨排量的增加而降低；當(dāng)鉆井液排量大于某一臨界值時(shí)，鉆井液在井內(nèi)的循環(huán)損耗生熱和鉆頭壓降生熱作用影響較大，因此井底溫度隨排量的增加而增加[2-4]。

圖4 鉆井液排量對井底溫度的影響

圖5為不同鉆井液排量的關(guān)井壓力變化曲線。當(dāng)鉆井液排量低于2 000 L·min-1時(shí)，隨著排量的增加，關(guān)井壓力增大，排量增加25%，關(guān)井壓力增加了37%。當(dāng)鉆井液排量高于2 000 L·min-1時(shí)，隨著排量的增加，關(guān)井壓力降低，排量增加20%，關(guān)井壓力降低了81%。因此，選擇合適的鉆井液排量能在一定程度上避免停泵關(guān)井后產(chǎn)生過高的井口回壓。

圖5 鉆井液排量對關(guān)井壓力的影響

3.3 鉆井液入口溫度影響規(guī)律

圖6為相同排量（2 200 L·min-1）、不同鉆井液入口溫度（40、60、70 ℃）下的井底溫度變化曲線。由圖6可知，鉆井液入口溫度越高，井底溫度也越高，關(guān)井后的溫度增加值越小[5]。

圖6 鉆井液入口溫度對井底溫度的影響

圖7為不同鉆井液入口溫度時(shí)的關(guān)井壓力變化曲線。由圖7可知，鉆井液入口溫度越高，關(guān)井壓力越小。入口溫度升高25%，關(guān)井壓力降低了55%。

圖7 鉆井液入口溫度對關(guān)井壓力的影響

3.4 鉆井液比熱容影響規(guī)律

不同鉆井液比熱容（2.0～2. 6 kJ·kg-1·℃-1）的井底溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 鉆井液比熱容對井底溫度的影響

由圖8可知，在一定的范圍內(nèi)，鉆井液比熱容越大，井底溫度越小[6]，停泵關(guān)井后溫度增加值越大。

圖9為不同鉆井液比熱容的關(guān)井壓力變化曲線。由圖9可知，鉆井液比熱容越高，關(guān)井壓力越大。鉆井液比熱增加8%，關(guān)井壓力增加15%。

圖9 鉆井液比熱容對關(guān)井壓力的影響

3.5 鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)影響規(guī)律

不同鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)（1.0～1.6 W·m-1·K-1）的井底溫度變化曲線如圖10所示。由圖10可知，鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)越大，井底溫度越高[7-8]，關(guān)井后的溫度增加值越小。

圖10 鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)對井底溫度的影響

圖11為不同鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)的關(guān)井壓力變化曲線。由圖11可知，鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)越高，關(guān)井壓力越小。導(dǎo)熱系數(shù)增加14%，關(guān)井壓力降低了12%。

通過對各因素的模擬分析可知，鉆井液循環(huán)排量、鉆井液入口溫度、地層溫度、鉆井液熱力學(xué)參數(shù)對井底溫度及關(guān)井壓力有著較大的影響。通過多因素方差分析可知，各因素對關(guān)井壓力的影響程度由大到小順序?yàn)椋恒@井液入口溫度、地層溫度、鉆井液排量、鉆井液比熱容、鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)。

圖11 鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)對關(guān)井壓力的影響

4 結(jié)束語

現(xiàn)場鉆井作業(yè)過程中應(yīng)充分考慮鉆井液入口溫度、地層溫度、鉆井液循環(huán)排量等因素的影響。鉆井液參數(shù)（排量、入口溫度）作為可人為操控的因素，必要時(shí)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，來降低井底溫度變化導(dǎo)致“假溢流”的程度。例如通過在井口增設(shè)鉆井液循環(huán)控溫系統(tǒng)來調(diào)節(jié)和控制鉆井液入口溫度、調(diào)節(jié)鉆井液循環(huán)排量等途徑[9-10]，將各因素對井底溫度及關(guān)井壓力的影響降至安全合理的范圍內(nèi)。

此外，由于鉆井液熱力學(xué)性能對井底溫度及關(guān)井壓力也有顯著的影響，現(xiàn)場作業(yè)時(shí)應(yīng)該對此類熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和記錄，輔助現(xiàn)場做好井控模擬工作，分析各敏感因素帶來的不同影響，對有效識別井控風(fēng)險(xiǎn)、保障鉆井作業(yè)安全起著至關(guān)重要的作用。

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［10］POLITTE M D. Invert oil mud rheology as a function of temperature and pressure [C].SPE/IADC Drilling Conference,1985．

Analysis of Sensitive Factors Affecting Bottom Hole Temperature and Shut-in Pressure

,

（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China）

The key factors affecting bottom hole temperature and wellhead pressure were simulated and analyzed by using professional well control simulation analysis software. The results showed that the temperature at the inlet of drilling fluid, pump rate, the thermophysical parameters of the drilling fluid and the formation temperature had a great influence on bottom hole temperature and shut-in pressure. Therefore, it plays an important role in effectively identifying the true and false kick conditions in the drilling process, reducing the risk of well control operation and ensuring the safety of drilling operation by accurately mastering the influence law of each sensitive factor, monitoring and recording the field parameters, and carrying out well control simulation.

Bottom hole temperature; Shut-in pressure; Influence factor; Sensitivity analysis

2021-09-08

趙建（1988-），男，山東省肥城市人，工程師，碩士， 2015年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程，研究方向：海上鉆完井、井控應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)。

TE28

A

1004-0935（2022）03-0426-04