CN104100259B - 一种精细控压钻井稳定井壁的方法及*** - Google Patents

Abstract

一种精细控压钻井稳定井壁的方法及***，基于双重孔隙弹性假设分析易塌易漏地层的坍塌压力和漏失压力；通过对比地层孔隙压力，坍塌压力和漏失压力设计合适的井底压力值；结合循环压耗设计使用的钻井液密度值，在钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD实时监测环空压力值确保井底压力基本等于设计井底压力。在钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD实时监测环空压力值确保井底压力基本等于设计井底压力且波动不大，保证钻井作业过程中的井壁稳定。本发明可以用于油气井钻井中保持井壁稳定。

Description

一种精细控压钻井稳定井壁的方法及***

技术领域

本发明涉及石油、天然气易塌易漏复杂地层钻井作业中确保井壁稳定的一种钻井液密度计算方法及保持井底压力恒定控制方法，特别是涉及一种精细控压钻井稳定井壁的方法及***，建立一套***的易塌易漏地层安全钻井井底压力精确控制方法，确保复杂地层窄钻井液密度窗口条件下的安全快速钻井作业。

背景技术

石油工程中普遍应用弹性、孔隙弹性、塑性、粘弹性力学方法结合强度准则方法解释井壁坍塌和破裂压力。根据岩石本构关系、全应力应变实验数据及岩石的力学特性参数获取井壁达到临界状态时对应的井眼内支撑力，据此来计算井壁坍塌压力、破裂压力及钻井液密度窗口。

中国专利（公告号CN1966934A）提出了一种所钻预测钻头底下地层坍塌压力和破裂压力的方法。通过找出同一井眼中不同层系地层的已钻井段测井结果与地震记录的关联，并根据地质分层随钻预测坍塌压力和破裂压力。

以上的方法都没有提及针对易塌易漏地层合适的井底压力计算方法和井底恒定压力控制方法。对于易塌易漏地层，孔隙-裂缝共同存在，由于裂缝比岩石基质高的多的渗透性和裂缝面较低的强度参数，对井壁坍塌造成的影响是重大的。对于这种地层实际上并不存在破裂压力，只要钻井液柱压力超过地层孔隙压力及流体在地层裂缝中的流动阻力便会发生钻井液循环漏失，所以在井壁破裂之前已经发生了井壁不稳定事故，破裂压力在此情况下已经失去了意义。所以，在易塌易漏复杂地层情况下钻井，井底压力超过地层孔隙压力可能很小一个范围内便会出现井眼漏失，而且由于地层裂缝高渗透导流能力及其对岩石强度的削弱，坍塌压力也可能出现在一个较高的范围内，甚至可能高于地层孔隙压力，这种现象就会导致允许的安全钻井液密度窗口变窄。而常规钻井过程中井底压力的波动范围较大，在这种窄窗口地层钻井时极易造成喷、漏、塌、卡等钻井复杂情况。为避免上述问题，需要将精确的井底压力确定方法与精确地控制井筒压力的方法结合起来，通过岩石力学方法设计钻进易塌易漏复杂地层的时的井底压力，使用精确的压力控制技术控制各种工况下的压力波动，从而达到采用恒定的钻井液密度进行钻进，起钻，下钻，接单根等整个钻井作业过程，减少钻井过程中的井壁不稳定事故。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种精细控压钻井稳定井壁的方法及***。

一种精细控压钻井稳定井壁的方法，含有以下步骤;基于双重孔隙弹性假设分析易塌易漏地层的坍塌压力和漏失压力；通过对比地层孔隙压力，坍塌压力和漏失压力设计合适的井底压力值；结合循环压耗设计使用的钻井液密度值，在钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD（Pressure While Drilling）实时监测环空压力值确保井底压力基本等于设计井底压力。

一种精细控压钻井稳定井壁的方法，还含有以下步骤;

①通过易塌易漏地层坍塌和漏失分析，据此确定合适的井底压力；

②计算实际使用的钻井液密度；

③通过控制环空压耗实现对井底压力的调控；

用第二孔隙度，第二渗透率，第二压缩系数将裂缝明确的描述成第二孔隙连续介质；基于双重孔隙弹性假设分析易塌易漏地层的坍塌压力和漏失压力；对比地层孔隙压力，坍塌压力和漏失压力设计合适的井底压力值；对于易塌易漏地层，确保井底压力大致等于设计井底压力且波动不大，保证钻井作业过程中的井壁稳定；

通过控制环空压耗实现对井底压力的调控；为了能在钻井过程中顺利实施对环空压耗的调控，使用的钻井液密度应该比设计的钻井液密度小，通过考虑环空压耗进行迭代计算实际使用的钻井液密度；

在钻井中，通过在井口加装旋转控制头来密封井口，使其在钻进中能够保持一定的压力，即井口回压p_b；通过调节节流阀的开度实现p_b的调控，调整井口回压使井底压力瞬间发生改变，保持井底压力恒定；

通过实时测量计算井底压力，并判断钻井泵的泵速、钻井液密度和其他一些引起压力瞬时改变的因素(如岩屑含量和钻杆的转速等)的当前状况，调控调节节流阀的开度控制井口回压。

将易漏易塌双重介质场方程、流体在地层岩石中的扩散方程、边界条件结合计算坍塌压力p_c；根据邻井漏失资料统计漏速和压差关系确定漏失方程系数，计算漏失压力p_l；根据孔隙压力、坍塌压力和漏失压力确定井底压力值ρ_ECD；将ρ_ECD值作为初始钻井液密度ρ_a，计算环空压耗p_f；把算得的p_f当作静止时所需的井口回压p_b来计算不循环时的钻井液密度ρ_s；判断ρ_a和ρ_s的差值是否小于设定的计算精度；如果是，此时的ρ_a即为设计的钻井液密度，否则将ρ_s再作为初始钻井液密度迭代循环，直至满足ρ_a和ρ_s的差值小于设定的计算精度，此时的ρ_a即为设计钻井液密度；钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD实时监测环空压力值p_m，过程中实时调整井口回压值以确保环空压力值p_m等于循环当量钻井液密度ρ_ECD相当压力值。

一种精细控压钻井稳定井壁的***，液气分离器连接点火装置、振动筛和自动节流管汇；振动筛连接循环罐；循环罐连接钻井泵；钻井泵连接立柱；立柱连接井底钻具；井底钻具连接环空压力测量装置，通过环空压力测量装置将井底压力传至井口；井口连接专用节流管汇给自动节流管汇，自动节流管汇连接回压泵调节井口回压。

本发明的优点是将裂缝-孔隙介质看作为双重孔隙和双重渗透率连续介质，忽略单个裂缝的特性，采用第二孔隙度，第二渗透率，第二压缩系数将裂缝明确的描述成第二孔隙连续介质。基于双重孔隙弹性假设分析易塌易漏地层的坍塌压力和漏失压力。通过对比地层孔隙压力，坍塌压力和漏失压力设计合适的井底压力值。结合循环压耗设计使用的钻井液密度值，在钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD实时监测环空压力值确保井底压力基本等于设计井底压力且波动不大，保证钻井作业过程中的井壁稳定。本发明可以用于油气井钻井中保持井壁稳定。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明井底压力控制工艺流程图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：如图1、图2所示，

本发明提出的一种精细控压钻井稳定井壁的方法，步骤如下：

①确定易塌易漏层段的坍塌压力和漏失压力；

将双重介质本构方程与应力平衡方程、和几何方程结合，得到易漏易塌地层场方程。

由流体含量本构方程、运移方程、质量守恒方程得到易漏易塌地层岩石中的扩散方程。

地层外边界(r=R₀)无位移(u_r=0)和流体流动在井壁，位移u_r=0，通过井壁的总体流量为通过基质和裂缝网流量的和基质和裂缝流体压力相等p^I=p^Π。根据场方程、扩散方程及边界条件结合破坏准则计算坍塌压力p_c。

根据邻井漏失资料统计漏速和压差关系确定漏失方程系数，计算漏失压力p_l。

p_l=p_p+AQⁿ (4)

②根据孔隙压力、坍塌压力和漏失压力确定井底压力值，换算为循环当量钻井液密度ρ_ECD；

max(ρ_c，ρ_p)<ρ_ECD<ρ_l (5)

③将循环当量钻井液密度ρ_ECD值作为初始钻井液密度ρ_a，计算环空压耗p_f；

④把算得的p_f当作静止时所需的井口回压p_b来计算不循环时的钻井液密度ρ_s；

p_s=p_h+p_b (7)

⑤判断ρ_a和ρ_s的差值是否小于设定的计算精度。如果是，此时的ρ_a即为设计的钻井液密度，否则继续执行步骤⑥；

|ρ_a-ρ_s|<0.001 (8)

⑥令步骤③中的ρ_a等于步骤④的ρ_s，并重复步骤③、④和⑤，直到满足ρ_a和ρ_s的差值小于设定的计算精度，此时的ρ_a即为设计钻井液密度；⑦钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD实时监测环空压力值p_m，过程中实时调整井口回压值以确保环空压力等于循环当量钻井液密度ρ_ECD当量压力。

p_b=p_ECD-p_m (9)

e_kk-岩石体应变；a^I-岩石孔隙基质Biot有效应力系数；aΠ-岩石裂缝***Biot有效应力系数；v-岩石总体泊松比；K^I-岩石基质的排水体积模量，MPa；K^Π-岩石裂缝***的排水体积模量，MPa；K-岩石总体积模量，MPa；p^I-基质中流体压力，MPa；p^Π-裂缝中流体压力，MPa；M^I-岩石基质的Boit模量，MPa；M^Π-裂缝***的Boit模量，MPa；k^I-基质渗透率，mD；k^Π-裂缝渗透率，mD；μ-流体粘度，Pa·s；Γ-基质和裂缝间的流体质量交换系数；p_c-坍塌压力，MPa；p_l-漏失压力，MPa;p_p-地层孔隙压力,MPa;Q-漏失速度，m³/h；A,n-统计回归的漏失方程系数；ρ_c-坍塌压力当量密度,g/cm³;ρ_l-漏失压力当量密度，g/cm³；ρ_p-地层孔隙压力当量密度，g/cm³；ρ_ECD-循环当量钻井液密度，g/cm³；ρ_a-设计钻井液密度，g/cm³；p_f-环空压耗，MPa；v_a-环空平均流速，m/s；L-井段长度，m；D_h-井眼内径，cm；D_p-钻柱外径，cm；f-摩阻系数；ρ_s-不循环时的钻井液密度，g/cm³；p_b-井口回压，MPa；p_m-实时监测环空压力值，MPa。

实施例2：

一种精细控压钻井稳定井壁的方法，含有以下步骤；

1、通过易塌易漏地层坍塌和漏失分析，据此确定合适的井底压力；

2、计算实际使用的钻井液密度；

3、通过控制环空压耗实现对井底压力的调控。

易漏易塌地层岩石由于存在高渗透流动通道，具有高度非均质性，采用常规的岩石力学分析方法是不准确的。

目前普遍存在一种模拟的方法是在计算网格中考虑每一条裂缝，但是从数学上和物理上不可能精确的模拟地层中所有的裂缝。

在此提出一种比较容易的方法，将裂缝-孔隙介质看作为双重孔隙和双重渗透率连续介质。

该方法忽略了单个裂缝的特性比如裂缝开度，长度，粗造度等，不是分散的模拟裂缝而是用第二孔隙度，第二渗透率，第二压缩系数将裂缝明确的描述成第二孔隙连续介质。

基于双重孔隙弹性假设分析易塌易漏地层的坍塌压力和漏失压力。对比地层孔隙压力，坍塌压力和漏失压力设计合适的井底压力值。

对于易塌易漏地层，确保井底压力大致等于设计井底压力且波动不大，才能保证钻井作业过程中的井壁稳定。

常规钻井方式下井底压力等于钻井液静液柱压力加上环空压耗，环空压耗在钻进(钻井液泵开泵)时产生，关井、起下钻(钻井液泵停泵)时消失。

若此时井眼中的钻井液密度不变，另一个可控的变量是环空压耗，精细控压钻井便是一种新的控制方式通过控制环空压耗实现对井底压力的调控。

为了能在钻井过程中顺利实施对环空压耗的调控，使用的钻井液密度应该比设计的钻井液密度小，通过考虑环空压耗进行迭代计算实际使用的钻井液密度。

在钻井中，通过在井口加装旋转控制头来密封井口，使其在钻进中能够保持一定的压力，即井口回压p_b。通过调节节流阀的开度实现p_b的调控，调整井口回压使井底压力瞬间发生改变，保持井底压力恒定。

钻井中，很多情况都会引起环空压力的变化，主要有：钻井泵的泵速、钻井液密度和其他一些引起压力瞬时改变的因素(如岩屑含量和钻杆的转速等)。

通过实时测量计算井底压力，并判断当前状况，调控调节节流阀的开度控制井口回压。

如图2所示，一种精细控压钻井稳定井壁的装置，液气分离器2连接点火装置1、振动筛3和自动节流管汇12；振动筛3连接循环罐4；循环罐4连接钻井泵5；钻井泵5连接立柱6；立柱6连接井底钻具7；井底钻具7连接环空压力测量装置8；井口9连接专用节流管汇10，专用节流管汇10连接自动节流管汇12，自动节流管汇12连接回压泵11。

井底钻具7连接环空压力测量装置8测量井底压力；

环空压力测量装置8将动态循环阻力+动态静液柱压力传至井口9。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种精细控压钻井稳定井壁的方法，其特征在于含有以下步骤：基于双重孔隙弹性假设分析易塌易漏地层的坍塌压力和漏失压力；通过对比地层孔隙压力，坍塌压力和漏失压力设计合适的井底压力值；结合循环压耗设计使用的钻井液密度值，在钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD实时监测环空压力值确保井底压力基本等于设计井底压力；所述精细控压钻井稳定井壁的方法，含有以下步骤；

①通过易塌易漏地层坍塌和漏失分析，据此确定合适的井底压力；

②计算实际使用的钻井液密度；

③通过控制环空压耗实现对井底压力的调控；

用第二孔隙度，第二渗透率，第二压缩系数将裂缝明确的描述成第二孔隙连续介质；基于双重孔隙弹性假设分析易塌易漏地层的坍塌压力和漏失压力；对比地层孔隙压力，坍塌压力和漏失压力设计合适的井底压力值；对于易塌易漏地层，确保井底压力大致等于设计井底压力且波动不大，保证钻井作业过程中的井壁稳定；

通过控制环空压耗实现对井底压力的调控；为了能在钻井过程中顺利实施对环空压耗的调控，使用的钻井液密度应该比设计的钻井液密度小，通过考虑环空压耗进行迭代计算实际使用的钻井液密度；

在钻井中，通过在井口加装旋转控制头来密封井口，使其在钻进中能够保持一定的压力，即井口回压p_b；通过调节节流阀的开度实现p_b的调控，调整井口回压使井底压力瞬间发生改变，保持井底压力恒定；

通过实时测量计算井底压力，并判断钻井泵的泵速、钻井液密度和其他一些引起压力瞬时改变的因素的当前状况，调控调节节流阀的开度控制井口回压。

2.根据权利要求1所述一种精细控压钻井稳定井壁的方法，其特征在于：将易漏易塌双重介质场方程、流体在地层岩石中的扩散方程、边界条件结合计算坍塌压力p_c；根据邻井漏失资料统计漏速和压差关系确定漏失方程系数，计算漏失压力p_l；根据孔隙压力、坍塌压力和漏失压力确定井底压力值ρ_ECD；将ρ_ECD值作为初始钻井液密度ρ_a，计算环空压耗p_f；把算得的p_f当作静止时所需的井口回压p_b来计算不循环时的钻井液密度ρ_s；判断ρ_a和ρ_s的差值是否小于设定的计算精度；如果是，此时的ρ_a即为设计的钻井液密度，否则将ρ_s再作为初始钻井液密度迭代循环，直至满足ρ_a和ρ_s的差值小于设定的计算精度，此时的ρ_a即为设计钻井液密度；钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD实时监测环空压力值p_m，过程中实时调整井口回压值以确保环空压力值p_m等于循环当量钻井液密度ρ_ECD相当压力值。

3.根据权利要求1所述一种精细控压钻井稳定井壁的方法，其特征在于步骤如下：

①确定易塌易漏层段的坍塌压力和漏失压力；

将双重介质本构方程与应力平衡方程、和几何方程结合，得到易漏易塌地层场方程；

${\&dtri;}^2({\mathrm{\&epsiv;}}_{kk}+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^I(1+\mathrm{\&nu;})}{3K(1-\mathrm{\&nu;})}{p}^I+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^{\mathrm{\&Pi;}}(1+\mathrm{\&nu;})}{3K(1-\mathrm{\&nu;})}{p}^{\mathrm{\&Pi;}})=0---\left(1\right)$

由流体含量本构方程、运移方程、质量守恒方程得到易漏易塌地层岩石中的扩散方程；

$\frac{1}{M^I}\frac{\&part;p^I}{\&part;t}+\frac{{\mathrm{K\&alpha;}}^I}{K^I}\frac{\&part;{\mathrm{\&epsiv;}}_{kk}}{\&part;t}=\frac{k^I}{\mathrm{\&mu;}}\frac{{\&part;}^2{p}^I}{{\&part;}^2{x}_i}+\mathrm{\&Gamma;}(p^{\mathrm{\&Pi;}}-p^I)---\left(2\right)$

$\frac{1}{M^{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{\&part;p^{\mathrm{\&Pi;}}}{\&part;t}+\frac{{\mathrm{K\&alpha;}}^{\mathrm{\&Pi;}}}{K^{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{\&part;{\mathrm{\&epsiv;}}_{kk}}{\&part;t}=\frac{k^{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&mu;}}\frac{{\&part;}^2{p}^{\mathrm{\&Pi;}}}{{\&part;}^2{x}_i}-\mathrm{\&Gamma;}(p^{\mathrm{\&Pi;}}-p^I)---\left(3\right)$

地层外边界无位移和流体流动；在井壁，位移u_r＝0，通过井壁的总体流量为通过基质和裂缝网流量的和基质和裂缝流体压力相等p^Ι＝p^Π；根据场方程、扩散方程及边界条件结合破坏准则计算坍塌压力p_c；

根据邻井漏失资料统计漏速和压差关系确定漏失方程系数，计算漏失压力p_l；

p_l＝p_p+AQⁿ (4)

②根据孔隙压力、坍塌压力和漏失压力确定井底压力值，换算为循环当量钻井液密度ρ_ECD；

max(ρ_c，ρ_p)<ρ_ECD<ρ_l (5)

③将循环当量钻井液密度ρ_ECD值作为初始钻井液密度ρ_a，计算环空压耗p_f；

$p_f=\frac{2{\mathrm{f\&rho;}}_a{\mathrm{Lv}}_a^2}{D_h-D_p}---\left(6\right)$

④把算得的p_f当作静止时所需的井口回压p_b来计算不循环时的钻井液密度ρ_s；

p_s＝p_h+p_b (7)

⑤判断ρ_a和ρ_s的差值是否小于设定的计算精度；如果是，此时的ρ_a即为设计的钻井液密度，否则继续执行步骤⑥；

|ρ_a-ρ_s|<0.001 (8)

⑥令步骤③中的ρ_a等于步骤④的ρ_s，并重复步骤③、④和⑤，直到满足ρ_a和ρ_s的差值小于设定的计算精度，此时的ρ_a即为设计钻井液密度；

⑦钻井，停泵以及起下钻过程中，用PWD实时监测环空压力值p_m，过程中实时调整井口回压值以确保环空压力等于循环当量钻井液密度ρ_ECD当量压力；

p_b＝p_ECD-p_m (9)

在上式中，ε_kk-岩石体应变；α^Ι-岩石孔隙基质Biot有效应力系数；α^Π-岩石裂缝***Biot有效应力系数；ν-岩石总体泊松比；K^Ι-岩石基质的排水体积模量，MPa；K^Π-岩石裂缝***的排水体积模量，MPa；K-岩石总体积模量，MPa；p^Ι-基质中流体压力，MPa；p^Π-裂缝中流体压力，MPa；M^Ι-岩石基质的Boit模量，MPa；M^Π-裂缝***的Boit模量，MPa；k^Ι-基质渗透率，mD；k^Π-裂缝渗透率，mD；μ-流体粘度，Pa·s；Γ-基质和裂缝间的流体质量交换系数；p_c-坍塌压力，MPa；p_l-漏失压力，MPa；p_p-地层孔隙压力,MPa；Q-漏失速度，m³/h；A,n-统计回归的漏失方程系数；ρ_c-坍塌压力当量密度,g/cm³；ρ_l-漏失压力当量密度，g/cm³；ρ_p-地层孔隙压力当量密度，g/cm³；ρ_ECD-循环当量钻井液密度，g/cm³；ρ_a-设计钻井液密度，g/cm³；p_f-环空压耗，MPa；v_a-环空平均流速，m/s；L-井段长度，m；D_h-井眼内径，cm；D_p-钻柱外径，cm；f-摩阻系数；ρ_s-不循环时的钻井液密度，g/cm³；p_b-井口回压，MPa；p_m-实时监测环空压力值，MPa。

4.一种精细控压钻井稳定井壁的***，其特征在于，液气分离器连接点火装置、振动筛和自动节流管汇；振动筛连接循环罐；循环罐连接钻井泵；钻井泵连接立柱；立柱连接井底钻具；井底钻具连接环空压力测量装置，通过环空压力测量装置将井底压力传至井口；井口连接专用节流管汇给自动节流管汇，自动节流管汇连接回压泵调节井口回压；

所述精细控压钻井稳定井壁的***，还包含：

①通过易塌易漏地层坍塌和漏失分析，据此确定合适的井底压力；

②计算实际使用的钻井液密度；

③通过控制环空压耗实现对井底压力的调控；

用第二孔隙度，第二渗透率，第二压缩系数将裂缝明确的描述成第二孔隙连续介质；基于双重孔隙弹性假设分析易塌易漏地层的坍塌压力和漏失压力；对比地层孔隙压力，坍塌压力和漏失压力设计合适的井底压力值；对于易塌易漏地层，确保井底压力大致等于设计井底压力且波动不大，保证钻井作业过程中的井壁稳定；

通过控制环空压耗实现对井底压力的调控；为了能在钻井过程中顺利实施对环空压耗的调控，使用的钻井液密度应该比设计的钻井液密度小，通过考虑环空压耗进行迭代计算实际使用的钻井液密度；

在钻井中，通过在井口加装旋转控制头来密封井口，使其在钻进中能够保持一定的压力，即井口回压p_b；通过调节节流阀的开度实现p_b的调控，调整井口回压使井底压力瞬间发生改变，保持井底压力恒定；

通过实时测量计算井底压力，并判断钻井泵的泵速、钻井液密度和其他一些引起压力瞬时改变的因素的当前状况，调控调节节流阀的开度控制井口回压。