CN110222352B - 一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法 - Google Patents

Abstract

一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法属于石油勘探录井工程钻井异常监测技术研究领域，涉及到一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法，同时也适用于地热、煤层气等其它挖掘业。本发明提供一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法，其为了实现对页岩气水平井钻井沉砂卡钻的预防，目的是从停泵期间掉块数量和沉降后在环空分布情况角度，结合钻井过程中打完立柱清洁井眼施工工艺，通过定义停泵环空压力监测窗口，采集窗口内可以反应停泵期间掉块数量和掉块在环空分布对环空间隙影响程度的环空压力数值，按照时间序列监测不同窗口内的环空压力变化，根据其变化趋势采取决定拉划次数和循环时间长短，及时排除掉块，避免沉砂卡钻发生。

Description

一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法

技术领域

本发明属于石油勘探录井工程钻井异常监测技术研究领域，涉及到一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法，同时也适用于地热、煤层气等其它挖掘业。

背景技术

随着页岩气勘探开发的持续深入，页岩气水平井技术得到规模化应用，要想尽可能提高页岩气水平井单井产量，要求水平井钻井过程中，钻头尽可能在拥有较高渗透能力或具备可改造条件的泥页岩裂缝发育带的有利目标箱体中穿行，保证足够的水平段长度。但是，页岩气有利目标箱体地层多发育天然微裂缝，呈现硬脆性力学特征，地层稳定性差，钻进过程中井壁容易剥落产生掉块，如果不能及时将掉块从环空循环排除，可能导致钻井卡钻事故，所以页岩气水平井钻井在要求单井产量最大化前提下，亟待需要解决在井壁容易剥落的地层中对卡钻风险进行识别。

通过搜集整理四川威远页岩气区块76口井钻井数据，发生卡钻事故34口，通过循环划眼处理卡钻事故损失时间占比14％，其中卡死、填井或提前完钻21口，严重影响钻井时效，增加钻井成本。通过对发生卡钻事故井进行分析，得出卡钻事故大多发生在起下钻或停泵接立柱后上提期间，卡点多数在扶正器和钻头处，可以正常循环，钻具下放顺利，上提困难，其原因是上部地层剥落产生掉块，停泵后由于钻井液失去携带能力和悬浮能力不足导致掉块沉降在环空间隙窄小处，上提钻具时掉块和钻具及井壁硬性接触导致沉砂卡钻发生。

上部地层剥落产生掉块的原因是在硬脆性页岩地层由于起下钻或接立柱期间钻具上提和下放产生的压力波动、开泵和停泵期间由于循环压力导致井底附加压力的有无，造成井底压力和地层坍塌压力的差值变化以及钻具移动对硬脆性页岩地层的机械碰撞。因此预防页岩气钻井沉砂卡钻的关键是监测停泵期间井壁剥落掉块数量以及停泵后掉块在钻具和井壁形成的环形空间中的分布情况。

目前还无法直接测量井壁剥落掉块严重程度，但是井下参数采集技术发展成熟，已经能够成功实现随钻采集井下环空压力数据，并且具备实时传输到地面的能力。由于环空掉块的数量及在环空的分布情况影响着环空压力的大小，可以建立随钻环空压力数据与停泵期间井壁剥落掉块严重程度表征关系，实现对页岩气钻井沉砂卡钻事故预防。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法，其为了实现对页岩气水平井钻井沉砂卡钻的预防，目的是从停泵期间掉块数量和沉降后在环空分布情况角度，结合钻井过程中打完立柱清洁井眼施工工艺，通过定义停泵环空压力监测窗口，采集窗口内可以反应停泵期间掉块数量和掉块在环空分布对环空间隙影响程度的环空压力数值，按照时间序列监测不同窗口内的环空压力变化，根据其变化趋势采取决定拉划次数和循环时间长短，及时排除掉块，避免沉砂卡钻发生。

为实现上述目的，本发明提供一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法，包括以下步骤：

步骤一、利用环空压力监测窗口表示一定时间内当量钻井液密度在时间轴上的变化关系，确定最小关泵压力P_min、最大关泵压力P_max、平均关泵压力P_ave、停泵和开泵状态、停泵时间T；

步骤二、根据步骤一，可得出环空压力监测窗口((P_min,P_max),(T_off,T_on))，P_max-P_min表示窗口高度，T_on-T_off表示窗口宽度；

环空压力监测窗口由掉块数量窗口((P_min,P_ave),(T_off,T_ave))和掉块分布窗口((P_ave,P_max),(T_ave,T_max))两个子窗口组成，P_ave-P_min可指示停泵期间环空掉块数量，P_max–P_ave可指示停泵期间环空掉块分布情况，根据P_ave-P_min和P_max–P_ave数据变化关系可评价沉砂卡钻风险。

作为本发明的一种优选方案，最小关泵压力P_min：停泵期间由于起下钻和接立柱期间钻具上提轴向运动引起的抽吸压力时环空压力值(P_min，T_min)，T_min为最小关泵压力P_min所在时刻；

最大关泵压力P_max：使钻井液恢复循环引起激动压力时测量的环空压力值(P_max，T_max)，发生在由停泵到开泵瞬间，T_max为最大关泵压力P_max所在时刻；

平均关泵压力P_ave：停泵期间钻具静止稳定一定时间内测量的环空压力平均值(P_ave，T_ave)，T_ave为平均关泵压力P_ave所在时刻；

停泵和开泵状态：测量钻具内水眼压力是P_i，测量环空压力是P_a，当P_i＝P_a时判断是停泵状态，当P_i>P_a时判断是开泵状态，当P_i<P_a时判断是压力异常；

停泵时间T：根据停泵和开泵状态，从判断的停泵时刻T_off，直到下次开泵时刻T_on，T_on-T_off就是停泵时间T。

作为本发明的另一种优选方案，所述步骤二中，当P_ave-P_min和P_max–P_ave同时出现增大趋势，表示环空掉块数量多，环空掉块尺寸较大，停泵期间对环空间隙影响严重，沉砂卡钻风险高；

当P_ave-P_min出现减小趋势，而P_max–P_ave出现增大趋势，说明虽然环空掉块数量少，但是环空掉块尺寸较大，停泵期间对环空间隙影响较大，沉砂卡钻风险较高；

当P_ave-P_min出现增大趋势，P_max–P_ave出现减小趋势，说明环空掉块数量多，但是环空掉块尺寸较小，停泵期间对环空间隙影响较小，沉砂卡钻风险较低；

当P_ave-P_min和P_max–P_ave同时出现减小趋势，说明环空掉块数量少，停泵期间未造成环空间隙减小，沉砂卡钻风险低。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明提出了将环空压力监测技术用于沉砂卡钻的领域，提出了环空压力窗口捕捉方法，建立了环空压力数据与沉砂卡钻风险表征科学评价方法，从停泵期间环空岩屑数量和环空岩屑分布两个方面实现了沉砂卡钻风险监测与评价，有助于预防页岩气水平井钻井卡钻事故发生。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明停泵期间环空压力监测窗口示意图。

图2是本发明环空压力监测方法流程步骤图。

具体实施方式

本发明设计一种随钻环空压力监测方法，其技术核心是环空压力监测窗口捕捉和沉砂卡钻风险评价。

1、环空压力监测窗口捕捉：停泵状态下测量的环空压力与钻井液密度、井口回压和环空掉块(或钻屑)数量有关，因此当钻井液密度和井口回压不变时，停泵状态下测量的环空压力大小可以直接反应环空掉块数量；在停泵到开泵的瞬间测量的环空压力大小与钻井液结构力、井口回压和使沉降的掉块重新悬浮的力有关，而使沉降的掉块重新悬浮需要的力与掉块在环空分布情况有关(影响环空间隙)，因此当钻井液结构力和井口回压不变时，在停泵到开泵的瞬间测量的环空压力大小可以直接反应掉块在环空分布情况。通过定义环空压力监测窗口实现停泵期间测量的环空压力在时间序列上可对比，并且可以表征掉块对沉砂卡钻的影响程度。为了方便现场工程应用，将环空压力转换为当量钻井液密度，因此环空压力监测窗口就表示一定时间内当量钻井液密度在时间轴上的变化关系，确定环空压力监测窗方法是确定最小关泵压力、最大关泵压力、平均关泵压力、停泵和开泵状态和停泵时间。

1.1最小关泵压力P_min：停泵期间由于起下钻和接立柱期间钻具上提轴向运动引起抽吸压力时环空压力值(P_min，T_min)，T_min为最小关泵压力P_min所在时刻。

1.2最大关泵压力P_max：使钻井液恢复循环引起激动压力时测量的环空压力值(P_max，T_max)，发生在由停泵到开泵瞬间，T_max为最大关泵压力P_max所在时刻。

1.3平均关泵压力P_ave：停泵期间钻具静止稳定一定时间内测量的环空压力平均值(P_ave，T_ave)，T_ave为平均关泵压力P_ave所在时刻。

1.4停泵和开泵状态：测量钻具内水眼压力是P_i，测量环空压力是P_a，当P_i＝P_a时判断是停泵状态，当P_i>P_a时判断是开泵状态，当P_i<P_a时判断是压力异常。

1.5停泵时间T：根据1.4中停泵和开泵状态方法，从判断的停泵时刻T_off，直到下次开泵时刻T_on，那么T_on-T_off就是停泵时间T。

2、沉砂卡钻风险评价：根据上述确定方法，可以得出环空压力监测窗口((P_min,P_max),(T_off,T_on))，P_max-P_min表示窗口高度，T_on-T_off表示窗口宽度。环空压力监测窗口由掉块数量窗口((P_min,P_ave),(T_off,T_ave))和掉块分布窗口((P_ave,P_max),(T_ave,T_max))两个子窗口组成，P_ave-P_min可以指示停泵期间环空掉块数量，P_max–P_ave可以指示停泵期间环空掉块分布情况，根据P_ave-P_min和P_max–P_ave数据变化关系可以评价沉砂卡钻风险。

2.1当P_ave-P_min和P_max–P_ave同时出现增大趋势，说明环空掉块数量多，环空掉块尺寸较大，停泵期间对环空间隙影响严重，沉砂卡钻风险高。

2.2当P_ave-P_min出现减小趋势，而P_max–P_ave出现增大趋势，说明虽然环空掉块数量少，但是环空掉块尺寸较大，停泵期间对环空间隙影响较大，沉砂卡钻风险较高；

2.3当P_ave-P_min出现增大趋势，P_max–P_ave出现减小趋势，说明环空掉块数量多，但是环空掉块尺寸较小，停泵期间对环空间隙影响较小，沉砂卡钻风险较低；

2.4当P_ave-P_min和P_max–P_ave同时出现减小趋势，说明环空掉块数量少，停泵期间未造成环空间隙减小，沉砂卡钻风险低。

提供一种具体实施例。

如图1、图2所示，表示一次接单根过程环空压力测量数据与时间关系曲线，图中横坐标表示时间，纵坐标是用密度表示的环空压力数值，大矩形框就是环空压力监测窗口，曲线上右侧星表示最大关泵压力，左侧星表示最小关泵压力，中间的星表示取平均数之后的平均关泵压力，具体的环空压力监测方法流程步骤如下：

1、读取环空压力和钻具水眼测量数据，首先判断环空压力和钻具水眼压力大小关系用以识别停泵和关泵状态，从开泵到停泵时候环空压力变化特征是慢慢下降，直到等于钻具水眼压力的，记录此时刻T₁作为窗口左边界，从停泵到开泵时候环空压力变化特征是逐渐升高到最大值慢慢下降到并趋于稳定，记录稳定时刻T₂作为窗口右边界；

2、在窗口左、右边界之间，通过比较数据之间大小关系，找出最小环空压力数值(P_min，T_min)，P_min作为窗口下边界P₁，找出最大环空压力数值(P_max，T_max)，P_max作为窗口上边界P₂，在T_min和T_max之间数据环空压力数据变化稳定期间取5条环空压力数据平均值作为平均环空压力数值(P_ave，T_ave)；

3、计算P_ave-P_min值P_d用于监测掉块在环空的数量，计算P_max–P_ave值P_s用于监测掉块在环空分布情况；对实测环空压力数据重复上述步骤得出全部接单根过程P_d和P_s值，按照时间轴绘制P_d和P_s曲线，并对两条曲线实时监测；

4、将沉砂卡钻风险等级定义四个等级，分别是高、较高、低、较低，如果P_d和P_s曲线同时增大，提示沉砂卡钻风险等级高；如果P_d曲线减小，P_s曲线增大，提示沉砂卡钻风险等级较高；如果P_d曲线增大，P_s曲线减小，提示沉砂卡钻风险等级低；如果P_d和P_s曲线同时减小，提示沉砂卡钻风险等级较低。现场实际施工过程中，根据风险提示等级制定井眼清洁操作策略，防止沉砂卡钻发生。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种预防沉砂卡钻的环空压力监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、利用环空压力监测窗口表示一定时间内当量钻井液密度在时间轴上的变化关系，确定最小关泵压力P_min、最大关泵压力P_max、平均关泵压力P_ave、停泵和开泵状态、停泵时间T；

其中，最小关泵压力P_min：停泵期间由于起下钻和接立柱期间钻具上提轴向运动引起的抽吸压力时环空压力值(P_min，T_min)，T_min为最小关泵压力P_min所在时刻；

最大关泵压力P_max：使钻井液恢复循环引起激动压力时测量的环空压力值(P_max，T_max)，发生在由停泵到开泵瞬间，T_max为最大关泵压力P_max所在时刻；

平均关泵压力P_ave：停泵期间钻具静止稳定一定时间内测量的环空压力平均值(P_ave，T_ave)，T_ave为平均关泵压力P_ave所在时刻；

停泵和开泵状态：测量钻具内水眼压力是P_i，测量环空压力是P_a，当P_i＝P_a时判断是停泵状态，当P_i>P_a时判断是开泵状态，当P_i<P_a时判断是压力异常；

停泵时间T：根据停泵和开泵状态，从判断的停泵时刻T_off，直到下次开泵时刻T_on，T_on-T_off就是停泵时间T；

步骤二、根据步骤一，得出环空压力监测窗口((P_min,P_max),(T_off,T_on))，P_max-P_min表示窗口高度，T_on-T_off表示窗口宽度；

环空压力监测窗口由掉块数量窗口((P_min,P_ave),(T_off,T_ave))和掉块分布窗口((P_ave,P_max),(T_ave,T_max))两个子窗口组成，P_ave-P_min指示停泵期间环空掉块数量，P_max–P_ave指示停泵期间环空掉块分布情况，当P_ave-P_min和P_max–P_ave同时出现增大趋势，表示环空掉块数量多，环空掉块尺寸较大，停泵期间对环空间隙影响严重，沉砂卡钻风险高；

当P_ave-P_min出现减小趋势，而P_max–P_ave出现增大趋势，说明虽然环空掉块数量少，但是环空掉块尺寸较大，停泵期间对环空间隙影响较大，沉砂卡钻风险较高；

当P_ave-P_min出现增大趋势，P_max–P_ave出现减小趋势，说明环空掉块数量多，但是环空掉块尺寸较小，停泵期间对环空间隙影响较小，沉砂卡钻风险较低；

当P_ave-P_min和P_max–P_ave同时出现减小趋势，说明环空掉块数量少，停泵期间未造成环空间隙减小，沉砂卡钻风险低。