CN109403957A - 一种高压地层压力获取方法 - Google Patents

Abstract

一种高压地层压力获取方法，其包括：步骤一、在确定钻井发生溢流后，获取溢流初始时刻的录井数据；步骤二、根据录井数据分别确定大钩载荷变化值以及环空循环当量密度；步骤三、根据井口处钻杆本体的截面积、大钩载荷变化值以及环空循环当量密度确定钻遇高压地层的地层压力。本方法能够在钻井发生溢流后准确、快速地确定出钻遇地层的地层压力，该方法不仅适用于裂缝性高压油气层溢流后地层压力的求取，也适用于高渗透率高压油气层溢流后地层压力的求取。

Description

一种高压地层压力获取方法

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，具体地说，涉及一种地层压力获取方法，特别涉 及一种石油天然气以及非常规能源钻探过程中高压气层发生溢流后地层压力的 获取方法。

背景技术

目前裂缝与溶洞发育的碳酸盐岩地层(或称为裂缝性碳酸盐岩地层)、裂缝 与层理发育的页岩地层是我国天然气勘探开发的主要对象。裂缝性气层钻井安全 密度窗口窄，普遍存在溢流与漏失同时存在的问题，这造成了钻井周期长、纯钻 时效低、井控安全难度大、钻井费用高等后果，从而制约了天然气勘探开发的进 程。安全钻井与井控的核心是确保井筒压力能够平衡地层压力。

裂缝性气层天然气溢流与钻井液漏失发生几率大，溢流与漏失发生后首先需 要准确求取地层压力。目前漏失后地层压力计算方法主要包括静液面深度计算 法、钻具悬重变化计算法和不同排量循环压差计算法，这些方法简单实用、精度 可满足现场施工要求。溢流后地层压力求取的常规方法主要包括立管压力计算法 和套管压力计算法。溢流关井后立管压力和套管压力随时间不断变化，地层压力 常规计算方法需要判断压力是否达到平衡，即压力读取时机。渗透性储层关井后 立管压力(部分情形下可使用套管压力)-时间曲线中直线段与指数段的交点即为 压力读取时机。目前裂缝性储层压力读取时机的研究还不完善，尚无明确的压力 读取时机，但在现场应用中一般是采用经验值3-5min。

因环空气体侵入的影响，通过套管压力计算地层压力的方法精度较低，通过 关井溢流量计算环空气柱高度可提高计算精度，但关井后的气体溢流增量依然难 以精确计算。通过立管压力计算地层压力的方法通常假设钻具内未发生气侵，实 验研究表明溢流发生后气相会同时进入环空和钻柱，由于气相在钻柱内不易向上 滑脱而聚集在钻柱内的下部。因此，未安装回压阀或回压阀失效时，溢流发生后 气相在钻柱内的积聚程度难以判断，这就给立管压力计算地层压力的方法带来不 确定因素。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种高压地层压力获取方法，所述方法包括：

步骤一、在确定钻井发生溢流后，获取溢流初始时刻的录井数据；

步骤二、根据所述录井数据分别确定大钩载荷变化值以及环空循环当量密 度；

步骤三、根据井口处钻杆本体的截面积、大钩载荷变化值以及环空循环当量 密度确定所述钻井钻遇高压地层的地层压力。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤一中，获取钻井的大钩载荷数据、出 口流量数据和/或立管压力数据，判断所述大钩载荷数据、出口流量数据和/或立 管压力数据的数据变化量是否大于相应的数据变化量阈值，如果大于，则判定钻 井疑似发生溢流并关井，随后获取井口压力数据，并根据所述井口压力数据判断 所述钻井是否发生溢流。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，根据所述录井数据中的钻井液 出口流量和入口与出口处的钻井液密度确定所述环空循环当量密度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤三包括：

根据所述大钩载荷变化值以及井口处钻杆本体的截面积计算所述溢流时的 井底压差；

根据所述井底压差和环空循环当量密度计算所述地层压力。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，根据如下表达式计算所述地层 压力：

P_p＝ρ_ecdgH+ΔP＝ρ_ecdgH+ΔH_L/S

其中，P_p表示地层压力，ρ_ecd表示环空循环当量密度，g表示重力加速度， H表示溢流时的井底垂深，ΔP表示井底压差，S表示井口处钻杆本体的截面积， ΔH_L表示大钩载荷变化值。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，所述方法还根据井口处钻杆本 体的截面积、大钩载荷变化值以及环空循环当量密度计算地层压力当量密度。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，还根据附加当量密度对所述地 层压力当量密度进行修正，得到修正后的地层压力当量密度。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，根据如下表达式计算所述修正 后的地层压力当量密度：

ρ′_p＝ρ_p+Δρ＝ρ_ecd+ΔH_L/(SgH)+Δρ

其中，ρ_p′表示修正后的地层压力当量密度，ρ_p表示未考虑压力衰减的地层 压力当量密度，ρ_ecd表示环空循环当量密度，g表示重力加速度，H表示溢流时 的井底垂深，S表示井口处钻杆本体的截面积，ΔH_L表示大钩载荷变化值，Δρ表 示附加当量密度。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，根据沿程压力损失和溢流时的 井底垂深计算所述附加当量密度。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式计算所述附加当量密度：

Δρ＝P_v/(gH)

其中，Δρ表示附加当量密度，P_v表示地层流体向井筒流动过程中产生的沿 程压力损失，g表示重力加速度，H表示溢流时的井底垂深。

溢流后地层压力求取常规方法(例如立管压力计算法和套管压力计算法等) 所存在的压力读取时机与难以判断钻具内是否发生气侵等问题给压力计算带来 很大的不确定性，本发明所提供的地层压力获取方法将地层压力的求取时刻设定 为溢流初始时刻，其能够在钻井发生溢流后准确、快速地确定出钻井钻遇地层的 地层压力，该方法不仅适用于裂缝性高压气层溢流后地层压力的求取，也适用于 高渗透率高压气层溢流后地层压力的求取。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书 中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过 在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的地层压力获取方法的实现流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的计算地层压力的具体流程图；

图3是根据本发明一个实施例的一钻井的录井曲线图；

图4是根据本发明一个实施例的另一钻井的录井曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如 何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据 以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施 例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之 内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本 发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发 明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计 算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况 下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的高压地层溢流后 地层压力获取方法，该方法能够在钻井发生溢流后准确、快速地获取地层压力， 从而指导压井作业。

图1示出了本实施例所提供的地层压力获取方法的实现流程示意图。

本实施例中，该方法首先会判断钻井是否发生溢流。具体地，如图1所示， 本实施例中，该方法优选地在步骤S101中获取钻井的大钩载荷数据、出口流量 数据以及立管压力数据，并在步骤S102中判断上述大钩载荷数据、出口流量数 据以及立管压力数据的数据变化量是否大于相应的数据变化量阈值。其中，如果 至少存在一种变化量超过其数据变化量阈值的数据，那么该方法则可以在步骤 S103中判定此时该钻井疑似出现溢流，因此需立即关井。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，用于判断钻井是否疑似出现溢流 的各个数据的数据变化量阈值可以根据实际需要配置为不同的合理值，本发明并 不对各个数据的数据变化量阈值的具体取值进行限定。

当然，在本发明的其它实施例中，该方法在步骤S101中既可以仅根据获取 到的以上所列项中的某一项或某两项来判断钻井是否疑似出现溢流，也可以结合 其它合理项来判断钻井是否疑似出现溢流，本发明不限于此。

关井后，该方法会在步骤S104获取随关井时间变化的井口压力(立管压力 和/或套管压力)数据，并根据该井口压力数据进一步判断该钻井是否发生溢流。 具体地，该方法会在步骤S104中判断关井后井口压力是否大于0和/或仍在上升， 其中，如果关井后的井口压力大于0或仍上升，那么该方法也就可以在步骤S105 中确定此时该钻井发生溢流。

需要指出的是，在本发明的其它实施例中，该方法还可以采用其它合理方式 来确定钻井是否发生溢流，本发明不限于此。

当确定钻井发生溢流后，该方法会在步骤S106中立即获取实际溢流初始时 刻的录井数据，并在后续步骤中根据井口处钻杆本体的截面积以及上述溢流初始 时刻的录井数据来计算得到钻井钻遇高压地层的地层压力。

通过分析发现，钻井在钻遇高压气层的瞬间，井底压力会突然升高，这会造 成管柱受力与水力学的变化。根据管柱受力平衡，溢流发生前后，大钩载荷减小 值为：

ΔH_L′＝ΔW_p+ΔW_mi-ΔF_mo-ΔF_d-ΔF_v (1)

其中，ΔH_L′表示大钩载荷减小值，ΔW_p表示钻柱空重变化值，ΔW_mi表示钻 柱内部流体重量变化值，ΔF_mo表示环空流体产生的钻柱浮力变化值。ΔF_d表示 钻柱摩阻力变化值，其中，摩阻力方向向上为正、向下为负。ΔF_v表示钻柱内外 流体产生粘滞力变化值，其中，粘滞力方向向上为正、向下为负。

由于钻压为边界条件且为钻柱浮重的一部分，因此表达式(1)中不需要包 含钻压。突然钻遇高压地层时，钻柱重量、钻柱内流体重量、钻柱摩阻是不变 的，粘滞阻力数值很小可忽略，因此，大钩载荷变化值为：

ΔH_L＝-ΔH_L′＝ΔF_mo (2)

本实施例中，大钩载荷变化值可以视为表达式(1)中大钩载荷减小值的绝 对值。

根据压力面积法，由不同尺寸构建组成的复合钻柱的浮力增加值ΔF_mo可以 根据如下表达式计算：

ΔF_mo＝ΔPS (3)

其中，S表示井口处钻杆本体的截面积，ΔP表示溢流时的井底压差。

井底压差ΔP可以根据如下表达式计算：

钻遇高压地层瞬间，环空流速会突然增加，环空循环压耗或环空循环当量密 度也会瞬间增加，但环空内钻井液受气体污染的程度低，因此地层压力也就可以 根据如下表达式计算得到：

P_p＝ρ_ecdgH+ΔP＝ρ_ecdgH+ΔH_L/S (5)

其中，P_p表示地层压力，ρ_ecd表示环空循环当量密度，g表示重力加速度， H表示溢流时的井底垂深。

基于上述分析，如图1所示，本实施例中，该方法在获取到溢流初始时刻的 录井数据后，会在步骤S107中根据上述录井数据来分别确定大钩载荷变化值 ΔH_L以及环空循环当量密度ρ_ecd。本实施例中，该方法优选地根据溢流初始时刻 的录井数据中所包含的钻井液出口流量以及入口和出口处的钻井液密度来确定 环空循环当量密度ρ_ecd。当然，在本发明的其它实施例中，该方法还可以采用其 它合理方式来确定环空循环当量密度ρ_ecd，本发明不限于此。

随后，该方法会在步骤S108中基于表达式(5)来根据井口处钻杆本体的截 面积S、大钩载荷变化值ΔH_L以及环空循环当量密度ρ_ecd来确定出钻遇地层的地 层压力。当然，在本发明的其它实施例中，该方法在步骤S108中还可以首先基 于表达式(4)来根据井口处钻杆本体的截面积S以及大钩载荷变化值ΔH_L计算 出溢流时的井底压差ΔP，随后再基于表达式(5)来根据井底压差ΔP、环空循 环当量密度ρ_ecd和溢流时的井底垂深H计算得到该钻井钻遇地层的地层压力P_p。

如图1所示，本实施例中，该方法在步骤S108中根据井口处钻杆本体的截 面积S、大钩载荷变化值ΔH_L以及环空循环当量密度ρ_ecd不仅可以确定出钻井钻 遇地层的地层压力P_p，还可以确定出该地层的地层压力当量密度ρ_p。

具体地，本实施例中，该方法优选地根据如下表达式来计算地层压力当量密 度ρ_p：

ρ_p＝ρ_ecd+ΔH_L/(SgH) (6)

当钻井钻遇较大裂缝而发生气侵或溢流时，由于裂缝产生的沿程压力损失基 本可以忽略，近井地带的地层压力与原始地层压力之间的差别基本可以忽略。而 如果溢流是由微小裂缝造成的，微小裂缝会产生较大的沿程压力损失，此时近井 地带的地层压力将小于原始地层压力，因此此时也就需适当地修正地层压力计算 结果。

具体地，如图1所示，本实施例中，该方法在步骤S109中优选地根据附加 当量密度来对上述步骤S108中所得到的地层压力当量密度进行修正，从而得到 修正后的地层压力当量密度。本实施例中，根据地层性质的不同和地层流体向井 筒流动产生的沿程压力当量密度的差异，上述附加当量密度可以是裂缝地层附加 当量密度，也可以是高渗地层附加当量密度，本发明不限于此。

其中，该方法在步骤S109中优选地根据如下表达式来计算修正后的地层压 力当量密度：

ρ′_p＝ρ_p+Δρ＝ρ_ecd+ΔH_L/(SgH)+Δρ (7)

其中，ρ′_p表示修正后的地层压力当量密度，ρ_p表示未考虑压力衰减的地层 压力当量密度，ρ_ecd表示环空循环当量密度，g表示重力加速度，H表示溢流时 的井底垂深，S表示井口处钻杆本体的截面积，ΔH_L表示大钩载荷变化值，Δρ表 示附加当量密度。

本实施例中，该方法根据溢流时地层流体向井筒流动产生的沿程压力损失P_v和溢流时的井底垂深H计算附加当量密度Δρ。其中，该方法优选地根据地层流 体的动力粘度系数μ、溢流时地层流体的流量q、流动流体的长度l、裂缝的宽度 b以及裂缝的高度h来计算层流条件下地层流体流动产生的沿程压力损失P_v。

具体地，本实施例中，该方法优选地根据如下表达式来计算裂缝地层附加当 量密度Δρ：

Δρ＝P_v/(gH) (8)

其中，l＞＞h，b＞＞h。

当然，在本发明的其它实施例中，该方法还可以采用其它合理方式来确定地 层流体向井筒流动过程中产生的沿程压力损失P_v和/或附加当量密度Δρ，本发明 不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，附加当量密度Δρ的取值还可以根 据实钻经验来确定得到。

本实施例所提供的地层压力获取方法不仅适用于裂缝性高压气层溢流后地 层压力求取，而且也适用于渗透性高压气层(尤其是高渗高压气层)溢流后地层 压力的求取。需要指出的是，对于渗透性地层，本实施例所提供的方法需要采用 达西渗流定律来计算流体流动消耗的沿程压力损失P_v和渗透性地层附加当量密 度Δρ。

需要指出的是，本实施例中，该方法优选地将大钩载荷是否突然变化来作为 是否利用本方法计算地层压力的条件。其中，钻遇高压气层发生溢流并且大钩载 荷突然降低时，该方法将会通过步骤S106至步骤S109来计算得到地层压力和地 层压力当量密度；而当大钩载荷并未突然降低时，该方法将会基于立管压力和/ 或套管压力的常规方法来确定地层压力和地层压力当量密度。

为了更加清楚地表明本实施例所提供的地层压力获取方法的优点，以下利用 本实施例所提供的地层压力获取方法来获取某井发生溢流时的地层压力。该井目 的层为奥陶系鹰山组裂缝性碳酸盐岩油气层，在鹰山组地层钻井过程中发生了溢 流。

具体地，如图4所示，对于该井，取芯钻进至井深7861.68m时发生溢流， 入口与出口处的钻井液密度均为1.50g/cm³，塑性粘度27mPa-s，动切力10Pa， 入口流量11.94L/s。溢流初始时刻大钩载荷由2298.8kN下降至1815.3kN，出口 流量由27％升至100％(为44L/s)后迅速回落，然后再次升至100％。硬关井， 套压22MPa，浮阀工作、立管压力为0。因地层压力大、浮阀工作正常导致无法 立管求压，被迫采用套管压力求取地层压力，计算地层压力系数约为1.80。

按井口流量11.94L/s-44L/s计算井底循环当量密度(ECD)为1.56 g/cm³-1.65g/cm³，根据大钩载荷变化值折算地层压力系数大于1.97而小于2.06。 溢流发生后先采用平推法压井，套压升至60MPa地层未破。使用密度为1.80g/cm³的压井液，排量为10L/s，节流循环一周后套压由42MPa降至5Mpa。控制套压 在3-4MPa，使用排量为10L/s、密度为1.89g/cm³的压井液节流循环一周，压井 成功，此时考虑套压的ECD为1.99g/cm³-2.01g/cm³。调整钻井液密度至1.92 g/cm³，静止时间10h后油气上窜速度290.23m/h，循环排气，ECD为2.00g/cm³时压稳地层。根据溢流与压井数据综合判断，7861.68m发生溢流时井底压力系 数为2.00。

如图4所示，钻进至井深7874.01m时，该钻井再次发生溢流。溢流前钻井 液出口密度变化大(1.87g/cm³-1.90g/cm³)，进口密度为1.92g/cm³，塑性粘度 为34mPa-s，动切力为12Pa，排量为16.11L/s。溢流初始时刻大钩载荷由2196.30 kN下降至2024.20kN，出口流量由38％升至100％，此时按钻井液密度1.87 g/cm³-1.92g/cm³计算ECD为2.055g/cm³-2.105g/cm³。溢流3min后关井成功， 根据立管压力21.3MPa折算地层压力系数约2.20，根据本发明提供的方法计算地 层压力系数约为2.195-2.245，平均值为2.22。根据该井放喷初期日产气量大(约 358.1×104m³/d)的事实可知，7874.01m钻遇了大尺寸裂缝或溶洞且缝洞连通性 好，溢流发生时小气量下气体沿程压力损失基本可忽略。

溢流后地层压力求取常规方法(例如立管压力计算法和套管压力计算法等) 所存在的压力读取时机与难以判断钻具内是否发生气侵等问题给压力计算带来 很大的不确定性，本实施例提供的地层压力获取方法将地层压力的求取时刻设定 为溢流初始时刻，其能够在钻井发生溢流后准确、快速地确定出钻遇地层的地层 压力，该方法不仅适用于裂缝性高压油气层溢流后地层压力的求取，也适用于高 渗透率高压油气层溢流后地层压力的求取。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理 步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还 应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限 制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、 结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现 的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的 技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用 法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权 利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种高压地层压力获取方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、在确定钻井发生溢流后，获取溢流初始时刻的录井数据；

步骤二、根据所述录井数据分别确定大钩载荷变化值以及环空循环当量密度；

步骤三、根据井口处钻杆本体的截面积、大钩载荷变化值以及环空循环当量密度确定所述钻井钻遇高压地层的地层压力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，获取钻井的大钩载荷数据、出口流量数据和/或立管压力数据，判断所述大钩载荷数据、出口流量数据和/或立管压力数据的数据变化量是否大于相应的数据变化量阈值，如果大于，则判定钻井疑似发生溢流并关井，随后获取井口压力数据，并根据所述井口压力数据判断所述钻井是否发生溢流。

3.如要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，根据所述录井数据中的钻井液出口流量和入口与出口处的钻井液密度确定所述环空循环当量密度。

4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：

根据所述大钩载荷变化值以及井口处钻杆本体的截面积计算溢流时的井底压差；

根据所述井底压差和环空循环当量密度计算所述地层压力。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，根据如下表达式计算所述地层压力：

P_p＝ρ_ecdgH+ΔP＝ρ_ecdgH+ΔH_L/S

其中，P_p表示地层压力，ρ_ecd表示环空循环当量密度，g表示重力加速度，H表示溢流时的井底垂深，ΔP表示井底压差，S表示井口处钻杆本体的截面积，ΔH_L表示大钩载荷变化值。

6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述方法还根据井口处钻杆本体的截面积、大钩载荷变化值以及环空循环当量密度计算地层压力当量密度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，还根据附加当量密度对所述地层压力当量密度进行修正，得到修正后的地层压力当量密度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，根据如下表达式计算所述修正后的地层压力当量密度：

ρ′_p＝ρ_p+Δρ＝ρ_ecd+ΔH_L/(SgH)+Δρ

其中，ρ′_p表示修正后的地层压力当量密度，ρ_p表示未考虑压力衰减的地层压力当量密度，ρ_ecd表示环空循环当量密度，g表示重力加速度，H表示溢流时的井底垂深，S表示井口处钻杆本体的截面积，ΔH_L表示大钩载荷变化值，Δρ表示附加当量密度。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，根据沿程压力损失和溢流时的井底垂深计算所述附加当量密度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，根据如下表达式计算所述附加当量密度：

Δρ＝P_v/(gH)

其中，Δρ表示附加当量密度，P_v表示地层流体向井筒流动时产生的沿程压力损失，g表示重力加速度，H表示溢流时的井底垂深。