高温高压钻井液P_T特性及其对井眼压力系统的影响

石油钻采工艺　2000年(第22卷)第1期17

高温高压钻井液P-??-T特性及其对井眼压力系统的影响

汪海阁

(石油勘探开发科学研究院,北京　100083)

郝明惠

(河南油田勘探处)

杨丽平

(海洋石油总公司渤海公司,天津塘沽　300452)

　　摘要　在高温高压环境下的钻井与完井,既困难,危险性又大。文中阐述了地温梯度、入口钻井液温度、钻井液类型等因素对当量静态钻井液密度的影响;建立了高温高压井中当量静态钻井液密度的计算模型;分析了钻井液密度变化对井底静压、动压、当量钻井液循环密度和动态波动压力的影响。结果表明,利用地面测量的钻井液密度计算井下压力,只适用于浅井和中深井;对于安全密度窗口很窄的高温高压井,必须考虑井筒温度和压力变化对钻井液密度及井内压力系统的影响,才能确保高温高压井的施工安全。

主题词　高温　高压　钻井液　密度　井眼　压力　影响

作者简介　汪海阁,1967年生。1995年获石油大学油气钻井工学博士学位,之后在石油勘探开发科学研究院从事2年博士后研究工作,1997年出站后留在该院钻井所工作。主要从事水平井、深井、小井眼井、欠平衡井和大位移井的钻井流体力学和钻井液流变学方面的科研工作。现为高级工程师、河南石油期刊编委、钻采工艺期刊通讯员。

　　高温高压井的数量在不断增长。在世界上的很多地方,特别是含气地区,很多储层压力超过68.9MPa、井底温度超过150℃的地层已被开采。象美国、北海等地区的一些井,地温梯度平均达4.0℃/100m、井底最高压力超过110MPa、最高温度超过250℃,钻井时的钻井液密度达2.22g/cm3以上。在这样的高温高压环境下进行钻井与完井,面临着许多困难,一个突出的问题就是钻井液密度不再是一个常数,而是随温度和压力的变化而变化[1],因此,钻井液密度沿井深的变化规律及其对井内压力系统的影响,关系到高温高压井的成败。

另外,高温高压井中遇到的大多数风险都与钻井液密度窗口过窄有关,如北海的Elgin和Franklin油田,地层破裂压力和孔隙压力间的区间很窄(约9.65MPa),4750m深度下这样的静液压窗口只允许钻井液密度增加0.22g/cm。这种很窄的安全密度窗口,有时甚至小于循环压耗,使得钻井过程中井漏与溢流经常同时发生,造成难以钻达设计井深、难以进行录井、测井和固井作业等。因此,对于安全密度窗口很窄的高温高压井,必须考虑井筒温度和压力对钻井液性能的影响,建立准确的当量密,3

达到控制钻井液性能和钻井参数,使钻井液的压力始终保持在安全窗口之内,确保高温高压井的施工安全。

关于高温高压井中钻井液性能,以及环空水动力学方面的研究,国外在近几年才开始,成熟的研究结果并不多。KeelanAdamson等人在高温高压井的建井一文中特别提到了高温高压对钻井液密度的影响,要求高温高压井中的井底压力预测精度在2%以内;Kutasov提出了决定井下钻井液密度的经验模型,并回归了模式中的经验系数[2];Texas大学的Peter等人根据预测钻井液密度的成分模型计算了钻井液密度对井下压力的影响[3];Kemp等人则提出了纯盐水和混盐盐水的密度模型[4];印度石油公司的Babu在钻井液密度的经验模型基础上,计算了钻井液密度变化对静态压力的影响,但所推导的公式中则存在明显的错误;M-I钻井液公司的White等对高温高压井眼内合成基钻井液的井下温度和压力进行了测试[6]。

在我国,要加强深层找油找气的力度,不可避免地会遇到高温高压的问题。陆上的塔西南油田、四川的川东油气田、大庆的深层油气田,海洋的南海莺琼[5]

[1]

18

井与完井问题。过去,深层勘探的注意力较多地集中在找油上,地温梯度较低,今后,会把更多的注意力放在深层找气上,高温高压的问题就突出了。因此研究高温高压钻井液P-??-T特性及其对井眼压力系统的影响具有重要的现实意义。

一、高温高压井钻井液密度沿井深变化规律和当量静态密度确定

由于钻井液受“热胀冷缩”的特性所控制,因此,在高温高压下,其密度必然会发生某些变化,井底与井口钻井液密度不等。为准确计算井底静态压力及环空流动压力,建立适合于高温高压井钻井时井下密度窗口很窄的情况下精确的井眼压力预测模型,使井眼压力的预测和计算误差控制在很小的范围内,关键在于确定钻井液密度在高温高压井中沿井深的变化规律,并建立适合于高温高压井钻井时井眼静压力和动压力的动态积分模型,满足在钻井液密度窗口很窄的情况下。安全钻井的需要,并为钻井设计与计算提供可靠的理论基础。

关于钻井液密度在高温高压下的变化规律,不同学者提出了许多不同的模式。一种方法是根据钻井液的成分在高温高压下的不同变化规律,提出了一种基于各成分含量的复合模型[2,5]。这一模型使用起来较为复杂,需要对钻井液的不同成分(水、油、固相等)分别进行试验,掌握其规律才能应用。因此该模式的使用受到了较大限制。另一种方法也就是所谓的经验模型。这一模型有不同的表达形式,但使用精度尚可。该模型只需对所用钻井液进行有限的几组试验,以确定模式中的常数,然后根据该模型计算钻井液静液柱压力和当量静态密度。

1.临界温度和临界井深　采用钻井液密度的经验模型,认为在高温高压下,钻井液密度服从如下的变化规律

a(P-P)-b(T-T)+c(T-T)

000??m=??m0×e

2

石油钻采工艺　2000年(第22卷)第1期

得在该井深处,温度和压力对钻井液密度的影响互相抵消,??m=??m0,显然,为使??m=??m0,需要满足下式

2

a(Pc-P0)-b(Tc-T0)+c(Tc-T0)=0(2)式中　　Pc;　Tc在该井深处,井下钻井液静压力为

Pc-P1=??m0KHc

式中　　K

;　Hc

临界井深。

由式(2)和式(3)可得

c0c0210

-Hc=a??m0Ka??m0K式(4)中,若P0=P1,则可得

c0c0Hc=a??m0K

间的关系为

Tc-T0=

2cm02c

(5)

2

(3)

(4)

(4a)

由式(4a)可得临界钻井液温度和临界井深Hc

式(5)的物理意义为:在井深Hc处,如果该处的钻井液温度大于Tc,则表明该井深处温度对钻井液密度的影响大于压力对钻井液密度的影响,表现形式上则为钻井液受热膨胀,此处有??m<??m0;反之,如果该井深处的钻井液温度小于Tc,则表明该井深处温度对钻井液密度的影响小于压力对密度的影响,表现形式上则为钻井液受压缩,此处有??m>??m0。图1为利用方程(5)绘制的水基钻井液和油基钻井液中(Tc-T0)与Hc间的关系曲线。表1给出了图1中所用4种钻井液的高温高压模式中的系数。

[3,4]

(1)

式中　　??m

　　??m0

　　P0　　T0　　P

;

钻井液地表密度;

地表钻井液压力,P0=0.1MPa;,T0=15℃;钻井液压力;

图1　不同钻井液的临界温度和临界井深关系

　　T钻井液温度;　　a、系数。b、c

设地表压力和温度分别为P1、T1。一般情况下P0=

P1,T0≠T1。由式(1)可知,存在这样的一个临c(c2.钻井液密度沿井深变化规律和当量静态密度确定　式(1)中,由于压力P是钻井液密度??m的函数,所以不能直接求解。对环空中的微元体分析可以

汪海阁等:高温高压钻井液P—??T特性及其对井眼压力系统的影响

表1　高温高压钻井液密度经验模式中的系数[2]钻井液1号水基2号水基3号油基4号油基

类型

??m0/g·m

3

19

循环分别为地温梯度和循环温度梯度。??

a/×10-61/Psi3.02963.38155.19516.5146

b/×10-41/??1.35472.34892.96374.3414

c/×10-71/??×??-4.1444-4.23660.7461.4144

从而可得高温高压井中当量静态钻井液密度

ESD沿井深分布规律的显式表示为

F(h)=

-z2

2.1661.2902.1631.320

c??i=

??

∞

12i+12i+1

(14)

0(2i+1)i!

其中　　Z=

2c

3.不同因素对当量静态钻井液密度的影响和程

　　S1=c??h-z。

=mdhK??

(6)

序编制　上面推导了高温高压井中当量静态钻井液密度ESD随温度和压力变化的模式。利用该模式可以方便地求解不同井深处的钻井液密度变化情况。文中编制了计算当量静态钻井液密度的程序。利用该程序可以预测不同地温梯度条件下,井眼不同深度处当量静态钻井液密度的分布规律,并可以分析地温梯度、钻井液入口温度、循环时间、不同钻井液体系等因素对当量静态密度ESD的影响。目前该程序是在假定地层温度为线性分布时的情况,下一步将着手把钻井液循环温度模式结合到当量静态钻井液密度的模式中来,建立更加完善的当量静态钻井液密度预测模式。

图2为密度为2.166g/cm3的1号水基钻井液在不同的地温梯度条件下ESD随井深变化的规律曲线。表明随地温梯度增加,井口与井底ESD差值增加。

使用国际单位时,K=g,把(1)式代入(6)式得

a(P-P)-b(T-T)+c(T-T)2

000

=K??m0e(7)dh假设环空钻井液温度分布为

T-T0=G(h)

(8)

环空钻井液循环速G(h)与井眼入口钻井液温度T1、

率Q、地温梯度、环空几何形状、循环时间等因素有关。

把式(8)代入式(7),积分并把初始条件:P=P1、T=T1、h=0和P=P、T=T、h=h代入可得

P=P0+

ln01ae-aK??m0F(h)

e∫

0h

cG(h)-bG(h)

2

(9)

F(h)=dh

当P1=P0时,则式(9)变为

P=P0+aln1-aK??m0F(h)

定义当量静态钻井液密度ESD为

ESD=

Kh

(11)(10)

把式(10)代入式(11)可得高温高压井中当量静态钻井液密度沿井深分布规律为

ESD=aKhLn1-aK??m0F(h)

(12)

图2　地温梯度对ESD的影响(1号,T1=25℃)

由方程(11)可知:当量静态钻井液密度ESD相当于在井眼某一深度处的水静压力梯度,它对应着水静压力。

当井筒钻井液温度为线性分布时,即

G(h)=??h(13)

式(13)中??为井筒钻井液温度梯度,钻井液长期不循环时(一般而言,环空钻井液静止时间超过16h)??=

;,图3为密度为2.166g/cm3的1号水基钻井液在充分循环的过程中不同的钻井液入口温度对当量

静态钻井液密度ESD的影响规律曲线。图中表明钻井液循环过程中,井底的ESD远大于井口的ESD。

图4为钻井液密度基本相同的1号水基钻井液和3号油基钻井液在不同条件下的当量静态钻井液

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20石油钻采工艺　2000年(第22卷)第1期

压力的影响,产生的误差分别为2.67、6.17和10.15Mpa。对于安全钻井液密度窗口很窄的井而言,这样的误差产生的后果不堪设想。

另外,由于钻井液密度沿井深发生变化,所以在求解井眼循环压力和ECD钻井液循环密度时传统的的静态方法已不再适用,需要采用动态积分的方法才能满足高温高压井中预测和控制井眼压力,保持井眼稳定,并安全钻进。利用式(16)可以计算高温高压井中的当量钻井液循环密度。

图3　钻井液入口温度对ESD的影响(1号)

温高压钻井液性能不同。静止时温度和压力对水基钻井液的ESD影响大,其井口与井底的ESD差达0.09g/cm3。钻井液充分循环后,温度和压力对水基钻井液的ESD影响小,其井口与井底的ESD差仅

有0.038g/cm3

。

ECD=ESD+

gh

H

f

dhdh

(16)

计算表明,高温高压井中温度和压力的变化对钻井液循环压力的影响不超过3%,而钻井液循环压力梯度对ECD的影响一般情况下不超过5%。因而在计算钻井液循环压力时可以不考虑温度和压力的影响,即在计算钻井液循环压力时钻井液密度可视为常数。这样就简化了动压计算。

理论预测和现场测量结果都表明,高温高压井中温度和压力的变化对当量钻井液循环密度ECD的影响较大,尤其是水基钻井液,这种影响一般情况下在1%～2%左右,极端情况下超过4%。对于安全钻井液密度窗口很窄的井而言,这样的影响足以导致在钻进过程中稍不注意就会产生井漏,而井在起钻时又会发生井涌。

在高温高压井中,由于钻井液密度的变化而导

图4　温度和压力对不同钻井液ESD的影响对比

致井底压力的降低往往与起钻时所引发的抽吸压力共同作用,致使井底压力在起钻过程中进一步降低,易于诱发井涌、井喷等事故的发生。因此要求对钻井液密度的变化而导致的动态波动压力降低作出准确预测,以便采取措施控制上述事故的发生。图5为使用作者编制的动态波动压力程序计算得到的两种不同密度的钻井液(1号和2号)起钻过程中井底波动压力随时间的变化规律。图中结果表明,钻井液密度的变化对波动压力影响很小。因此在高温高压井中计算起下钻产生的波动压力时可以不考虑温度和压力的影响,即在计算波动压力时钻井液密度可视为常数。

三、井内压力系统的控制

井底总压力是静压力和动压力的总和,在不同的施工环节,总压力在最低安全静压力和最高允许循环压力之间变化,最终达到平衡。最低压力产生在井眼循环干净后的起钻(抽吸)加速时,而最高压力二、钻井液密度的变化对井眼压力系统的影响常规的井眼压力计算,是在假设钻井液性能不变的条件下进行的,这些计算既实用,同时在计算精度上也足以满足常规井的需要。对于很浅的井来说,忽略钻井液性能变化所产生的误差非常小。但是,前面分析与计算的结果表明,钻井液性能确实随井下压力和温度而变化,无疑这将会对井眼压力系统产生一定的影响。在高温高压井中,由于存在一个有限的安全密度窗口范围的限制,可能会致使钻井液性能的这种影响非常显著。很明显,能否确定这种影响程度的大小对于高温高压井的成功钻进至关重要。由式(11)中当量静态钻井液密度ESD的定义

可得井底静态压力P为

P=P0+ESD?K?h

(15)

计算表明,对于1号水基钻井液,在地温梯度分别为3、4、5℃/100m时,如果按照标准状况下测量

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汪海阁等:高温高压钻井液P—??T特性及其对井眼压力系统的影响21

动态波动压力模拟程序(TRIP)进行计算,这样,在起下钻和下套管时就可以确定和使用最优的管柱起下速度。

一旦选择好基浆,P-??-T数据和文中建立的

计算出ESD模式为钻井液密度的模拟提供了基础。静态压力后,就能确定在井底深度处超出地层孔隙压力以上的最小安全限。在计算静压时,钻井液密度随压力和温度的变化必须考虑进去。

四、结论

图5　钻井液密度变化对动态波动压力的影响

1.建立了高温高压井中当量静态钻井液密度随温度和压力而变化的模式。分析了地温梯度、钻井液入口温度等因素对ESD的影响。

2.分析并计算了高温高压井中当量静态钻井液密度对井底静压、循环压力、ECD和动态波动压力的影响规律。结果表明,当量静态钻井液密度对井底静压和ECD影响较大,而对循环压力和动态波动压力的影响则可以忽略。

3.为方便现场应用,推荐了控制井下总压力的措施。

参　考　文　献

1　KeelanAdamsonHigh-Pressure,High-Temperature

WellConstructionOilfieldReview.1998Summer2　Kutasov

121988

3　PeterEJ.Oilmud:AMicrocomputerProgramfor

PredictingOil-BasedMudDensitiesandStaticPressure.SPEDrillingEngineering1991,3

4　KempNP.DensityModelingforPureandMixed-SaltBrinesasaFunctionofComposition,TemperatureandPressure.SPE16079

5　BabuDR.EffectofMudBehavioronStaticPressure

DuringDeepWellDrilling.SPEDrilling&Completion1996,6

6　WhiteWW,etal.DownholeMeasurementsofSythetic-basedDrillingFluidinOffshoreWellQuantifyDynamicPressureandTemperatureDistributions.SPE35057

(收稿日期　1999-06-17)

体中加速下钻时。

钻井过程中,应尽量避免压漏地层。但在某些井眼中的关键井段,由于孔隙压力与破裂压力很接近(钻井液安全压力窗口很窄),这种情况下,如果总压力接近地层破裂压力,首选方法就是降低动态压力。有许多方法可把井下压力控制在钻井液压力允许的窗口范围内,如调节钻井液粘度、密度、固相含量、泵排量和钻速等,都可以达到改变钻井液压力的目的。虽然动压力可以通过降低钻井液粘度而实现,但必须很谨慎,以保证加重材料仍能悬浮在钻井液中。否则由于钻井液固相沉淀而带来的问题会更大,并使井底压力控制难于凑效。

基于现场测量而修正的压力计算值,有助于决定哪些参数需要改变,以便维持所要求的井下流体性能。在维持钻井液泵排量足以清洁井眼、防止钻屑压力过高的情况下,降低排量或降低钻井液粘度对施工是有利的。因此在保证动压力最小的临界排量下钻进非常关键。

只有以牺牲高于地层孔隙压力的安全密度窗口为代价,才能通过降低静态压力达到降低总压力的目的。在关键井段钻进时,这一安全窗口有可能需要进一步降低,这时钻井液循环压力有利于防止地层流体的侵入。但起钻之前,应加重钻井液,此时,接单根必须非常小心,因为此时没有动压力,地层流体有可能侵入。起下钻时必须非常小心,因为加速度低可以减少惯性压力,因此,应慢慢地、稳定地起钻,以减少抽吸压力的影响。起钻前用重钻井液驱替轻钻井液时,排量也必须小心控制。起下钻过程中,起下钻速度和加速度对总压力的影响,可使用作者给出的

Empiricalcorrelationdetermines

downholemuddensity.Oil&GasJournalVol.61Dec

IM.

〔编辑　张振清〕