波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响.pdf

2023年8 月第3 9 卷第8 期石油工业技术监督Technology Supervision in Petroleum IndustryAug.2023Vol.39No.8波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响王啸，张磊，刘亮，侯欣欣，李文龙中海石油（中国）有限公司天津分公司（天津3 0 0 4 5 9）摘要浅部地层承压能力低，井壁失稳与井底压力控制密切相关，过大的波动压力易导致井漏等井下复杂情况。基于起下钻过程中引发的波动压力为目标，以起下钻引发的波动压力为研究对象，建立了大位移井起下钻波动压力计算模型，并开展起下钻速度、钻柱加速度、钻井液密度、流性指数、稠度系数及环空间隙对波动压力影响的定量分析。结果表明：当起下钻加速度为0.15m/s，波动压力当量密度增加0.0 8 g/cm；起下钻速度由0.2 m/s增大至0.5 m/s时，波动压力当量密度增加0.17 g/cm；同时，钻井液性能参数的增加和环空间隙的减小，也引起波动压力增加，进而导致安全泥浆密度窗口变窄。研究结果给出了保证井壁稳定的合理工程参数范围，为现场施工提供指导。关键词大位移井；波动压力；井壁稳定；安全密度窗口D0I:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.08.011The Influence of Fluctuating Pressure on Security Density Window of ShallowExtendedReachWellsWANG Xiao,ZHANG Lei,LIU Liang,HOU Xinxin,LI WenlongTianjin Branch Company,CNO0C(China)Co.,Ltd.(Tianjin 300459,China)Abstract The bearing capacity of shallow formation is low,wellbore instability is closely related to well bottom pressure control,and ex-cessive fluctuating pressure is easy to cause leakage and other downhole complex situation.With the fluctuating pressure caused in theprocess of tripping as the target,and with the fluctuating pressure caused by tripping as the research object,the caleulation model offluctuating pressure in extended reach well tripping was established,and quantitative analysis was carried out around the influence oftripping speed,drill string acceleration,drilling fluid density,fluidity index,consistency coefficient and annular space gap on fluctuatingpressure.The results show that the equivalent density of fluctuating pressure increases by 0.08 g/cm when the tripping acceleration is0.15m/s;The equivalent density of fluctuating pressure increases by 0.17 g/cm when the tripping speed increases from 0.2m/s to 0.5m/s.Meanwhile,the increase of drlling fluid performance parameters and the decrease of annulus space can cause the increase of fluctuatingpressure,and thus lead to the narrow of safe mud density window.The research results of this paper recommend a reasonable range ofengineering parameters to ensure the wellbore stability,and provide guidance for site construction.Key words extended reach well;fluctuating pressure;wellbore stability;safe mud density window王啸,张磊,刘亮,等.波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响 J.石油工业技术监督,2 0 2 3,3 9(8):5 6-5 9,6 4.WANG Xiao,ZHANG Lei,LIU Liang,et al.The influence of fluctuating pressure on security density window of shallow extended reachwells J.Technology Supervision in Petroleum Industry,2023,39(8):56-59,64.大位移井技术是断块以及边际等特殊地域油田勘探开发的重要手段，也是解决复杂地形和地域限制的油气开发的有效途径。大位移井的主要特点是水平位移长,存在长的大斜度裸眼井段,由此带来一系列必须解决的工程技术问题 2。如何保持井眼稳定，是一口大位移井成败的关键，作业过程中的钻柱起下钻产生波动压力，而波动压力以弹性波的形式在井内传播，与井眼内静液柱压力共同作用导致井壁应力状态发生改变。尤其在浅部地层实施大位移井,地层承压能力低，安全泥浆密度窗口窄3,对于波动压力的控制精度要求更高。起下钻作业产生的波动压力可能压漏浅部薄弱层位，造成井下复杂情况。开展起下钻波收稿日期：2 0 2 2-10-2 6；修回日期：2 0 2 3-0 2-10作者简介：王啸（198 8 一），男，硕士，工程师，现主要从事岩石力学及钻井设计方面的研究。E-mail:王啸等：波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响动压力研究，对于保证浅层大位移井钻井作业安全有重要意义。波动压力的计算主要有稳态法和瞬态法两种4,许多学者借助这两种方法研究了起下钻和下套管作业中，不同钻井液流态的波动压力 5-。对此，笔者建立了大位移井起下钻稳态波动压力预测模型，对影响波动压力的关键因素进行了分析,并根据波动压力对安全密度窗口中塌压力及漏失压力进行了修正。1起下钻波动压力预测模型的建立稳态波动压力预测方法认为，波动压力是由井筒内钻井液稳定流动引起的，钻井液的静切力、钻井液的黏滞力和钻柱惯性是造成波动压力的主要原因8。由于钻杆在充满钻井液的井眼内运动而导致井内钻井液的流动，流动的阻力、惯性力及钻井液的静切力综合作用产生了井筒内波动压力。海上钻井的底部钻具一般装有浮阀，关泵时，钻具上下运动环空的钻井液都不会进入钻具内，因此起下钻过程属于堵口管关泵的情况。1.1钻井液静切力引起的波动压力环空流动可近似看作是二平行板之间的流动，窄槽流动模型的同心环空轴向均匀流动的控制方程为t=L式中：t为钻井液静切力,Pa；A p.为钻井液静切力引起的波动压力,Pa；L为井深,m；r 为距离圆心的距离,m。式(1)表示环空任意一点的剪切应力与压降的关系。在井壁位置处，代入上式，即可得到井壁处静切力的计算公式：P1t=41式中：D。为井径,m;D,为钻柱外径,m。由上式得到钻井液静切力引起的波动压力：APiD.-D,4Lt1.2钻井液黏稠力引起的波动压力为了求得钻井液黏稠力引起的波动压力，需先求得钻井液在环空中的流速，再根据流速计算波动压力。钻井液在环空中的流动速度与钻柱运动方向相反，钻井液流速U由两部分组成，即钻柱顶替力引起的上返流速u及钻柱黏附力引起的钻井液上返流速 U2,则有：57:U=U,+U2(4)由体积守恒关系：元D _(D:-D,)V.44式中：u,为钻柱速度,m/s。由式(5)可得：钻柱黏附力引起的钻井液上返流速与钻柱速度之间的关系：U2=kup式中：k为钻井液黏附常数，当环空间隙较小时,此值接近0.5。则可以得到钻井液流速为：DU=1.5v,+0.5P(D?-D?下钻取“+”,起钻取“_”。在求得钻井液流动速度后，可根据流速计算波动压力，下面以幂律流体为例，推导波动压力计算公式。冥律流体的雷诺数计算公式为：Re=12p(D.-D.,)u2*Apr(1)。-D.(2)(3)(5)U,D?(6)D.-D(7)(8)(9)式中：Re为雷诺数,无量纲；p为钻井液密度,kg/m；K为稠度系数,Pas；n 为流性指数,无量纲。钻井液黏稠力引起的波动压力可由下式计算：4KL4(2n+1)D.-D,n(D.-D)Ap2=2fpLu2D。-D,式中：Ap2为钻井液黏稠力引起的波动压力,Pa;f为摩擦阻力，无量纲。1.3加速度引起的波动压力钻柱在井眼中做匀加速运动时,环空中的钻井液受到惯性力作用，即钻柱的加速运动造成环空内钻井液也产生了加速度。加速度引起的波动压力可以表示为：Ap3=PLD:aD?-D?式中：Ap为加速度引起的波动压力,Pa；为钻柱运动的加速度，m/s。1.4总的波动压力将上述钻井液静切力引起的波动压力、钻井液Re 2 100Re2 100(11)(10):58石油工业技术监督黏稠力引起的波动压力、钻柱加速度引起的波动压力加和即为起下钻作业产生的总的波动压力Ap。，计算公式：Ap,=Ap,+Ap2+Ap32波动压力影响因素分析根据渤中某区块大位移井的井身结构参数、钻井液参数及起下钻速度参数，对波动压力进行了实例计算,并对结果进行了分析。所用到的工程参数取值见表1。表1波动压力计算工程参数参数类别参数眼直径(D。)/m井身结构参数钻柱外径(D,)/m井深/m钻井液密度(p)/(kg/m)钻井液参数稠度系数(K)/(Pas)流性指数(n)静切力(t)/MPa起下钻速度参数加速度(a)/(m/s)2.1钻柱加速度对波动压力的影响分析各钻柱速度下，波动压力与钻柱加速度的关系，计算结果如图1所示。计算结果显示，当钻柱速度不变时，波动压力随钻柱加速度的增加而增大；但当完成加速后，钻柱速度不再变化，惯性造成的波动压力消失，仅存在钻井液静切力和黏稠力引起的波动压力，从而导致总体波动压力将有所减小，即在加速或减速提下钻柱过程将产生一个较大的压力波动。因此在起下钻过程中应该控制起下钻加速度，尽量避免起下钻速度的剧烈变化。0.16(0/)/思吾忆0.140.120.100.080.060.040.000.20图1不同加速度条件下钻柱速度与波动压力当量密度2.2起下钻匀速度对波动压力的影响规律不同钻柱速度条件下波动压力的计算结果如图2 所示。从图2 可以看出，随着钻柱速度的增加，波动压力也在缓慢增加。这是由于随着起下钻速度的增加，钻井液黏稠力引起的波动压力相应增加；钻柱加速完成后的匀速下人或起升过程中，造成的波动压力较小，仅约0.30 0.7 6 MPa，主要原因是匀速起下钻过程中，加速度引起的波动压力消(12)失。但在现场作业时，较高的起下钻速度也会不可避免地导致加速度的增大，从而导致较高的波动压力，尤其是对于浅层大位移井,塌压力与漏失压力之间的窗口较窄，因此仍需控制起下钻速度。1.00.80.60.4取值0.20.309 8800.244 790.001100图2 不同钻柱速度条件下波动压力12002.3环空间隙对波动压力的影响规律0.107 1起下钻过程中，环空间隙是影响波动压力大小0.739 4的关键因素。根据实际情况，从钻头泥包直径扩大3倍数和井眼扩大倍数分别考察环空间隙增减小和0.15/0.3/0.45环空间隙增大对波动压力的影响，计算结果如图3、图4。从图3可以看出，泥包造成的钻头直径增加对波动压力的影响较大，泥包严重时将造成较大的波动压力。因此，在含泥质较大的地层，应注意起下钻造成的波动压力。图4表明，随着井眼扩大倍数的增大，波动压力显著降低，因此井壁塌造成的井眼扩大将减弱波动压力的影响。3.53.02.52.0上1.5上1.00.50.01.00+a=0.45 m/s2图3钻头直径扩大对波动压力的影响-a=0.30 m/s2-a=0.15 m/s20.400.600.80钻柱速度/m/s)0.20钻柱匀速下人速度/（m/s）1.051.10钻头泥包直径扩大倍数1.211.101.200.400.600.801.00.80.60.40.201.0图4井眼扩大对波动压力的影响1.001.11.2井眼扩大倍数1.201.151.31.41.51.6王啸等：波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响2.4敏感性分析1)流性指数对波动压力的影响。控制其他参数不变,改变钻井液的流性指数，分析钻井液流性指数对波动压力的影响，计算结果如图5 所示，从图5可以看出，当井壁塌掉块引起的钻井液流动性能变差，起下钻引起的波动压力增加，流性指数大于0.7 时，波动压力增加剧烈1.6r1.20.80.400.3图5 流性指数对波动压力的影响规律2）稠度系数对波动压力的影响。控制其他参数不变，改变钻井液的稠度系数，分析钻井液稠度系数对波动压力的影响,计算结果如图6 所示。结果表明：随稠度系数的增加，波动压力增加；地层水进人钻井液体系造成的钻井液流动性能增强，将导致产生波动压力变弱。2.11.71.30.90.50图6 稠度系数对波动压力的影响3）钻井液密度对波动压力的影响。控制其他参数不变,改变钻井液的密度，分析钻井液密度对波动压力的影响，计算结果如图7 所示。单纯的钻井液密度变化对波动压力的产生影响不大，但钻井液体系性能的变化往往是紧密联系的,钻井液密度的增加往往伴随着流动性能的弱化。0.96r0.94F0.92F0.90F0.880.861.001.051.101.151.201.2551.301.35钻井液密度/g/cm）图7 钻井液密度对波动压力的影响593波动压力对泥浆密度窗口的影响在正常泥浆性能条件下，若采用较快的起下钻速度及加速度，会造成泥浆当量密度到达塌压力窗口。泥浆密度往往选用靠近塌压力当量密度，在考虑到波动压力影响时，泥浆密度的选取需要慎重。根据现场资料，起下钻加速度一般不超过0.15m/s,钻柱下入或提升均匀速度不超过5 0 0 m/h，保守起见，以一口井的最大垂深作为波动压力计算的深度，若选用靠近塌压力的泥浆密度，当起下钻速度较快时，会产生较大的波动压力，使得泥浆当量密度达到塌压力，此时比较危险。根据渤中该区块测井资料对X3井的安全密度窗口的塌压力0.40.50.10.2稠度系数K/(Pas)0.6流性指数0.30.70.80.40.91.00.5及漏失压力进行修正，计算结果如图8 所示，对现场泥浆密度选择具有一定指导意义。当量密度/g/cm）0.81.09009501 00010501 100W/#115012001250130013501 400L图8 X3井安全密度窗口修正结果4结论1)钻柱下放或者提升过程中将产生激动或抽压力，钻柱速度从无到有加速的过程中将产生较大波动压力，在完成加速时产生的波动压力最大，匀速过程中产生的波动压力较小。2)井眼扩大将减弱波动压力的产生，但井壁塌掉块进入到钻井液体系中，使得钻井液体系流动性能减弱，密度增大，会产生剧烈的压力波动。3)钻头泥包或者井眼缩径造成的环空间隙减小容易造成起下钻过程中的剧烈压力波动，钻井过程中如遇卡钻，倒划眼过程中需注意波动压力的产生。4)提高钻井液流动性能，即较小的流性指数及稠度系数是规避波动压力风险的有效方法。(下转第6 4页）1.21.421.6一1.82.0:64石油工业技术监督家能源局和国家发展改革委，仅侧重管道前期规划阶段的监管工作，针对管道建设和运行阶段存在的监管不足问题。3)重视管道安全立法，加拿大建立严密细致的管道法规，包括法规、条例、指令和指南等多层级规范性文件，既有管道行业基础法规，也有管道安全监管的配套支持法规，涵盖管道附近挖掘作业、管道交叉、监管检查、应急响应等。我国自2 0 10 年石油天然气管道保护法颁布后暂未制订配套实施法规，这在处理爆破施工、管道交叉、打孔盗油气处罚等特定事件时缺少法规依据，这也是我国管道安全监管中需要迫切改进的瓶颈环节。4)推行完整性管理和风险管理理念。加拿大是仅次于美国，在全球较早开展管道完整性研究及应用的国家，管道公司普遍推行管道高后果区识别，借助NEB国家管道数据库进行定量风险评价，实现管道分级管理。我国管道企业目前仅开展定性和半定量风险评价，特别是在管道失效数据库建设方面还处于起步阶段。5)持续改进管道安全防护技术。管道设计阶段进行脆弱性分析，采用物理防护或余设计，提高管道本体抗风险能力水平。采用先进、高效、实时的监控技术，结合“统一呼叫系统”“管道地图系统”等平台，有效防范第三方挖掘损坏管道，管道事故率保持在极低水平。我国应尽早建立全国统一的电话呼叫平台以及覆盖全国的管道地图系统，降低第三方破坏发生频率。6)加拿大标准协会CSA制定了长输管道综合性标准CSAZ662一2 0 15 油气管道系统，具有较强技术先进性，代表了世界管道科技水平和发展趋势。管道公司积极参与制修订工作，重视并及时响应管道技术进步。我国长输管道标准类型繁杂，涵盖国标GB、石油行标SY、安全行标AQ、特种设备TSG等多种标准化文件，涉及不同管理部门和技术委员会管辖制定，标准起草审核存在交叉重复问题，应进一步提升管道技术标准的系统性和全面性，以及对管道业务的支撑作用。参考文献：1邓霄,白天阳,崔宇翔,等.含腐蚀缺陷管道剩余寿命预测方法评述 J.油气与新能源,2 0 2 1,33(5):2 8-32.2吴轩,李竞,胡京民,等.油气管道重大突发事件应急响应对策 .油气储运,2 0 19,38(12):1338-1343.3王婷,王新,李在蓉,等.国内外长输油气管道失效对比 .油气储运,2 0 17,36(11):12 5 8-12 6 4.4】卢凯锋.管道完整性评价方法选择探讨 .油气田地面工程,2 0 2 0,39(9):9 1-9 5.5段秋生,孟虎林,杨伟,等.中国和北美受限空间技术标准差异分析.天然气与石油,2 0 15,33(1):2 0-2 4.6孔朝金,李刚,郭发龙,等.管道与输电线路安全距离标准及做法探讨.石油和化工设备,2 0 19,2 2(9):10 9-111.7李新宏,张毅,韩子月,等.天然气管道失效致因与事故链模型研究 J.油气田地面工程,2 0 2 1,40(4):1-7.8杨旭,竺柏康,郭健.天然气输气管道第三方破坏机理研究.油气田地面工程,2 0 2 1,40(4):6 5-7 0.9马伟平,李云杰,张长青,等.国外油气管道法规标准体系管理模式.油气储运,2 0 12,31(1):48-5 2,8 5.10刘海鹏,黄晓波,李旭海,等.高寒区管道运行维护技术现状综述 J.天然气与石油,2 0 2 0,38(5):139-143.11马伟平,张帆,房伟,等.高钢级管道切割技术现状综述 .油气与新能源,2 0 2 2,34(6):7 7-8 1.本文编辑：崔杰(上接第5 9 页）参考文献：1梅文博.大位移井技术在渤海油田的应用及发展探讨 中国石油和化工标准与质量,2 0 19,39(10):2 2 1-2 2 2.2蒋世全,姜伟,付建红,等.大位移井钻井技术研究及在渤海油田的应用 J.石油学报,2 0 0 3,2 4(2):8 4-8 8,9 3.3和鹏飞.大位移井技术在渤海油田的应用及发展 J.海洋工程装备与技术,2 0 16,3(6):36 1-36 6.4王锦昌.大牛地气田下套管作业中环空波动压力分析 .石油钻采工艺,2 0 16,38(1):36-41.5陶谦,夏宏南,彭美强,等.高温高压油井套管下放波动压力研究 J.断块油气田,2 0 0 6,13(4):5 8-6 0,9 3.6袁华玉,程远方,王伟，等.长水平段钻井泥岩井壁塌周期分析 J.科学技术与工程,2 0 17,17(3):18 3-18 9.7】樊洪海.起下钻动态波动压力应用软件开发 .石油钻探技术,19 9 5,2 3(4):11-14.8彭齐,樊洪海,刘劲歌,等.起下钻过程中井筒稳态波动压力计算方法 J.石油钻探技术,2 0 16,44(4):35-40.9付华才,刘洋,孙政,等.套管下人激动压力计算模型及影响因素分析 J.钻采工艺,2 0 13,36(3):15-17.10韩付鑫.井筒波动压力计算方法研究 D.北京：中国石油大学(北京),2 0 17.11汪志明.油气井流体力学与工程 M.北京：石油工业出版社,2 0 0 8.本文编辑：崔杰