高温高压小井眼水平井环空ECD综合计算模型.pdf
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1、文章编号:10007393(2023)03025910DOI:10.13639/j.odpt.202209008高温高压小井眼水平井环空 ECD 综合计算模型李文拓1罗鸣1黄洪林1李军2,3肖平11.中海石油(中国)有限公司海南分公司;2.中国石油大学(北京);3.中国石油大学(北京)克拉玛依校区引用格式:李文拓,罗鸣,黄洪林,李军,肖平.高温高压小井眼水平井环空 ECD 综合计算模型J.石油钻采工艺,2023,45(3):259-268.摘要:精确计算井筒环空 ECD 是钻进参数设计及安全、高效钻进的基础。为了提高其计算精度,基于高温高压下钻井液流变性测试数据,结合多元非线性回归获取钻井液密
2、度和流变参数计算模型。通过耦合钻井液密度和流变参数回归模型与井筒传热模型,建立高温高压小井眼水平井环空 ECD 综合计算模型。与实测 PWD 数据相比,该模型平均相对误差为 0.72%。研究表明,在计算高温高压小井眼水平井环空 ECD 时,温度和压力对钻井液密度和流变参数影响不可忽略。在钻进过程中,随着钻井液循环时间的增加,下部井段环空温度不断降低,钻井液密度与稠度系数逐渐增加,环空压耗与 ECD 不断增加。温度梯度和钻井液排量通过影响环空温度分布,进而影响环空 ECD。地温梯度越高,环空温度越高,环空 ECD 越小;钻井液排量越大,环空温度越低,环空 ECD 越大。钻柱转速、环空尺寸和接头尺
3、寸是影响环空 ECD 的重要因素。随着钻柱转速增加,环空压耗增大,进而导致环空 ECD 增加,但增加幅度逐渐减小;接头尺寸越大,对应的环空尺寸越小,环空压耗越大,进而导致环空 ECD 越大。研究结果为高温高压地层小井眼水平井的安全、高效钻进提供理论基础。关键词:高温高压;小井眼水平井;钻井液密度;流变参数;环空压耗;环空 ECD中图分类号:TE243.1文献标识码:AComprehensive calculation model of annular ECD for high-temperature high-pressureslim-hole horizontal wellsLIWentuo
4、1,LUOMing1,HUANGHonglin1,LIJun2,3,XIAOPing11.Hainan Company,CNOOC(China)Co.,Ltd.,Haikou 570100,Hainan,China;2.China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;3.Karamay Campus,China University of Petroleum(Beijing),Karamay 834000,Xinjiang,ChinaCitation:LIWentuo,LUOMing,HUANGHonglin,LIJun,
5、XIAOPing.ComprehensivecalculationmodelofannularECDforhigh-temperaturehigh-pressureslim-holehorizontalwellsJ.OilDrilling&ProductionTechnology,2023,45(3):259-268.Abstract:AccuratelycalculatingtheECDofwellboreisthefoundationfordrillingparameterdesignandsafeefficientdrilling.Toenhancecalculationaccuracy
6、,acomprehensivemodelforECDcalculationinslim-holehorizontalwellsunderhigh-temperatureandhigh-pressureconditionsisdeveloped.Thismodelisbasedonrheologicaltestdataofdrillingfluidsunderhigh-temperatureandhigh-pressureconditions,andutilizesamultivariatenonlinearregressiontogetdrillingfluiddensityandrheolo
7、gicalparameters.By基金项目:中海石油(中国)有限公司项目“南海西部油田上产 2000 万方钻完井关键技术研究”(编号:CNOOC-KJ135ZDXM38ZJ05ZJ);中海油“十四五”重大科技项目 2 下属课题 1“深水超深水复杂井安全高效钻完井关键技术”(编号:KJGG2022-0201)。第一作者:李文拓(1988-),2012 年毕业于中国石油大学(华东)油气井工程专业,获硕士学位,主要从事海洋油气勘探钻井技术方面研究。通讯地址:(570100)海南省海口市秀英区仲韶街 88 号。E-mail:通讯作者:黄洪林(1994-),2023 年毕业于中国石油大学(北京)油气井
8、工程专业,获博士学位,主要从事海洋油气勘探钻井技术方面研究。通讯地址:(570100)海南省海口市秀英区仲韶街 88 号。E-mail:第45卷第3期石油钻采工艺Vol.45No.32023年5月OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYMay2023coupling the drilling fluid density with the rheological parameter regression model and the wellbore heat transfer model,acomprehensive ECD calculation model was e
9、stablished for slim-hole horizontal wells under high-temperature and high-pressureconditions.WhencomparedtoactualPWDdata,theaveragerelativeerroroftheproposedmodelis0.72%.TheresearchshowsthattemperatureandpressureimpactgreatlyondrillingfluiddensityandrheologicalparameterswhencalculatingECDforsmall-di
10、ameterwellboresunderhigh-temperatureandhigh-pressureconditions.Duringthedrillingprocess,asdrillingfluidcirculationtimeincreases,thetemperatureofthelowerwellboresectiondecreases,resultinginincreaseddrillingfluiddensityandviscositycoefficient,andsubsequentlyleadingtoincreasedannularpressurelossandECD.
11、Temperaturegradientanddrillingfluiddisplacementinfluencethedistribution of annular temperature,thereby affecting annular ECD.The higher the geothermal gradient,the higher the annulartemperatureandthelowertheannularECD.Andthelagerthedrillingfluiddisplacement,thelowertheannulartemperatureandthehighert
12、heannularECD.Factorssuchasdrillingpiperotationalspeed,annularsize,andconnectionsizeplayimportantrolesininfluencingannularECD.Asdrillingpiperotationalspeedincreases,annularpressuredrops,subsequentlyraisingannularECD,buttheincreaserategraduallydiminishes.Thelargertheconnectionsizes,thesmallerthecorres
13、pondingannularsizesandthelargertheannularpressureloss,andthusthehighertheannularECD.Theresearchresultscanprovideatheoreticalbasisforsafeandefficientdrillinginslim-holehorizontalwellsunderhigh-temperatureandhigh-pressureconditions.Key words:high-temperatureandhigh-pressure;slim-holehorizontalwell;dri
14、llingfluiddensity;rheologicalparameter;annularpressureloss;annularECD随着全球能源需求的不断增加,对地下油气采收率、开发成本和环境保护等方面的要求日益提高。与常规钻井方式相比,小井眼水平井因高产能、高环保和低成本等特点1-2逐渐被开发利用,但随着勘探开发进程的不断深入,高温高压、窄密度窗口地层的安全钻井问题也逐渐凸显3-4。以玛湖油田为例,随着完钻井深的加大,作业环境更加复杂,井底温度可达 120130、地层压力系数可达 1.71.8,安全密度窗口低至 0.03g/cm3。窄密度窗口问题实质是井下的安全压力范围问题。一般情况下
15、,井下的压力值用当量循环密度(ECD)表示,井下的安全压力范围用安全密度窗口表示。若在钻井过程中,ECD 超出安全密度窗口,则极易出现漏、喷等事故,拖延作业进程,由此可见准确预测井下 ECD 的重要性。然而,在计算 ECD 时通常忽略了温度和压力对钻井液密度和流变参数的影响。对于非高温高压地层,这种影响相对较小,但是在高温深井条件下,井底温度和压力相对地面而言变化范围大。大量研究表明,温度和压力可导致钻井液密度和流变性发生显著变化5-6。与常规水平井相比,小井眼水平井井筒环空窄,钻井液在环空中的循环压耗对钻柱旋转、环空尺寸等因素更敏感,井筒压力分布与非高温环境下的常规水平井差异大7-11。因此
16、,要想实现高温高压地层油气资源的全面开发,促进小井眼水平井的高效应用,有必要对高温高压小井眼水平井 ECD 的计算方法进行研究。笔者基于高温高压环境与小井眼水平井窄环空的特点,综合考虑钻井液性能的变化、钻井液排量、钻柱转速、环空尺寸和钻柱接头的影响,建立了高温高压小井眼水平井环空 ECD 综合计算模型,以期为高温高压下的小井眼水平井井筒压力控制提供一定的理论支撑。1 数学模型 1.1 密度和流变参数回归模型为了获取钻井液密度和流变参数对温度和压力的响应规律,采用玛湖凹陷钻井现场常用的油基钻井液进行测试,测试温度 15140,测试压力 0.152MPa。该油基钻井液配方为:2%2.5%主乳化剂+
17、0.5%1%辅乳化剂+1%润湿剂+2.5%3.0%有机土+2.5%降滤失剂+1.5%CaO+1.0%增黏剂+2%天然沥青+重晶石,油水比为 8515(白油30%CaCl2水溶液)。根据测试的结果,通过多元非线性回归方法建立了密度及流变参数随温度和压力变化的数学模型12。(p,T)=0exp(p,T)K(p,T)=K0exp(p,T)n(p,T)=n0exp(p,T)(1)其中260石油钻采工艺2023 年5月(第45卷)第3期(p,T)=p(p p0)+pp(p p0)2+T(T T0)+TT(T T0)2+pT(p p0)(T T0)(p,T)=p(p p0)+pp(p p0)2+T(T T
18、0)+TT(T T0)2+pT(p p0)(T T0)(p,T)=p(p p0)+pp(p p0)2+T(T T0)+TT(T T0)2+pT(p p0)(T T0)(2)(p,T)(p,T)(p,T)pppTTTpTpppTTTpTpppTTTpT式中,、和分别为钻井液密度、稠度系数和流性指数随温度和压力变化的系数函数;p 为压力,MPa;T 为温度,;0为钻井液初始密度,g/cm3;K0为钻井液初始稠度系数,Pa sn;n0为钻井液初始流性指数;p0为原始井筒压力,MPa;T0为原始井筒温度,;、和为回归系数,具体数值见表 1。表1模型回归系数Table1Modelregressionco
19、efficients系数数值系数数值系数数值p4.3321010p1.55521010p6.85261010pp2.0001018pp2.695104pp3.395104pT1.4021012pT1.121104pT1.112104T4.734104T8.7812104T6.50103TT1.378106TT1.7509106TT8.1477106 1.2 环空 ECD 综合计算模型ECD 由当量静态密度(ESD)与附加当量循环密度(AECD)组成,如式(3)所示。ESD 的准确计算实质上是钻井液密度的计算,可通过实验来获取准确的密度计算模型。AECD 的计算实际上是环空压耗的计算,环空压耗与
20、钻井液的流变模式及流型、环空尺寸、钻柱偏心及旋转等息息相关13-16。ECD=pb+rH0gdhgH+pgH(3)式中,ECD为当量循环密度,g/cm3;pb为井口回压,MPa;p 为环空压耗,MPa;g 为重力加速度,9.81m/s2;为钻井液密度,g/cm3;H 为垂深,m。1.2.1循环压耗计算模型与常规水平井不同,小井眼水平井环空尺寸小,环空 ECD 受钻柱旋转、接头尺寸等影响大。且在井筒高温高压情况下,钻井液流变参数受影响较大,不考虑温压的影响势必会造成较大误差。为提高小井眼水平井循环压耗计算精度,用考虑温度和压力后的常规井眼循环压耗 pa(p,T)代替 Song 模型11中的环空压
21、耗。p(p,T)=pa(p,T)FtRFc+pc(4)pa(p,T)=2fLdwdpov2(5)层流时f=16Re(6)紊流时1f=4n0.75lg(Ref1n2)0.395n1.2(7)幂律流体在环空中流动时,其雷诺数为Re=8dv2nKn21+n(1+2n)ndwdpo44(8)式中,p(p,T)为考虑温度和压力影响的循环压耗,MPa;Ft为钻柱旋转因子;R 为钻柱偏心因子;Fc为接头影响因子;pc为环空岩屑附加压耗,MPa;L 为井段长度,m;d、dw、dpo分别为环空水力直径、裸眼井筒直径和钻柱外径,m;v 为环空内钻井液流动速度,m/s;f 为范宁摩阻系数,其值与流体的流动状态相关。
22、Ft钻柱旋转因子 Ft随泰勒数 Ta 和雷诺数 Re 不同而变化15-16。当 Ta41 时,随着钻柱旋转而减小,但接近 1;当 Ta41 时,Ft随着转速的增加而增加。当流体处于过渡流时,Ft最大;当流体处于紊流时,Re 非常大,钻柱旋转对循环压耗的影响会大幅度减弱。Ft的计算模型为Ftmax=0.2457lnTa+0.2706Re=1000Ft1=0.2305lnTa+0.10476Re=2000Ft2=0.1056lnTa+0.5979Re 5700(9)当 Re 为其他值时,需要采用线性插值的方式计算 Ft,适用范围为 46Ta830;Ta46 时,Ft=1。Ta 的计算方法为15-1
23、6Ta=(dwdpo)n+0.5d1.5npo2n4K(10)式中,为角速度,rad/s。偏心因子 R 会受到钻井液的性能、钻柱偏心度 和钻井液流态等因素影响16-17。在正弦弯曲环空的钻柱偏心情况下,平均的偏心度为avg=231.5max+11(11)李文拓等:高温高压小井眼水平井环空 ECD 综合计算模型261不同流态下的钻柱偏心因子的计算方法不同。当钻井液处于层流流态时,R 用 Rlam表示,层流临界雷诺数为 Rec1;当钻井液处于紊流流态时,R 用 Rtur表示,临界雷诺数为 Rec2;当钻井液处于层流到过渡流流态时,R 最大,用 Rmax表示,此时雷诺数为 Rec。R=RlamRe
24、Rec1RturRe Rec2RmaxRe=RecRmax(RecRe)(RmaxRlam)(RecRec1)Rec1 Re RecRmax(ReRec)(RmaxRtur)(Rec2Rec)Rec Re 0.55(14)小井眼水平井环空窄,压耗要比常规水平井大,钻杆接头对循环压耗影响不可忽略。钻柱接头影响因子 Fc的计算方法为Fc=LpLp+Lc+LpLp+Lcdpodc0.48(15)式中,Lc为钻柱接头的长度,m;Lp为钻杆的长度,m;dc为接头的外径,m。小井眼水平井钻进过程中环空返速高,井眼清洁程度高,岩屑床对环空岩屑的影响可忽略,仅需考虑环空岩屑浓度达到稳定时对环空压耗的影响,则环
25、空岩屑附加压耗为pc=(s)gHca(16)式中,s为岩屑密度,g/m3;H 为深度,m;ca为环空岩屑体积分数,%。1.2.2井筒传热模型钻井过程中钻井液通过钻井泵由井口泵入钻杆内,经井底钻头水眼流向环空,最终到达井口。在流动过程中,钻井液通过热对流和热传导进行热交换(如图 1 所示)。将整个传热系统划分为钻柱内、环空、地层 3 个区域,这 3 个区域相对独立、相互关联18-20。钻柱套管水泥环地层Qp(z)Qp(z+z)QapQapQcp套管固井段裸眼井段图1钻柱内传热模型图Fig.1Diagramofheattransfermodelfordrillstring(1)钻柱内区域。对于钻柱
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