井底常压控制压力钻井设计计算

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石油勘探与开发2011年2月PETR0LEUMEXPL0RAT10NANDDEVELOPMENTVo1．38No．1103文章编号：1000—0747(2011)01—0103—06井底常压控制压力钻井设计计算王果，樊洪海。，刘刚。(1．中国石化石油工程技术研究院钻井工艺研究所；2．中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室；3．中国石油大学(华东)石油工程学院)基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目“深井复杂地层钻井压力系统模型与规律”(2010CB226704)摘要：井底常压控制压力钻井(MPD)技术采用专用的控压装备，将井底压力控制在合理的范围内。建立井底常压MPD关于井口回压和钻井液密度的计算模型，运用迭代求解方法进行井口回压和钻井液密度的设计计算。利用该计算模型对克拉201井进行了实例分析，3314m处的环空压力对比表明，常规方式下无法设计合理的钻井液密度，采用井底常压法设计可保证环空压力在压力窗口之内；窄压力窗口段的回压和钻井液密度设计结果表明，采用井底常压法设计可安全钻穿2800m到目的层的井段，并可减少一层套管，节约建井成本。实例计算结果表明，MPD技术既降低了钻井液密度又满足了环空压力控制的需求，能精确地维持井底压力恒定，安全钻穿窄压力窗口地层，为优化井身结构、减少套管层次提供技术基础。图6表1参17关键词：井底常压；MPD技术；压力控制；窄压力窗口；设计中图分类号：TE249文献标识码：ADesignandcalculationofaMPDmodelwithconstantbottomholepressureWangGuo～，FanHonghai，LiuGang。(1．SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing100101，China；2．MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China；3．SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266555，China)Abstract：Bottomholepressurecanbemaintainedinareasonablerangebyusingthemanagedpressuredrilling(MPD)techniquewithspecialequipment．AcalculationmodelisestablishedforthebackpressureanddrillingfluiddensityofconstantbottomholepressureMPD，whicharecalculatedbyiterativemethod．ThecalculationmodelisappliedtOtheWellKela201．Inthecomparisonoftheannuluspressuresat3314minthewell，theconventionaldrillingmethodcannotprovidetheappropriatedrillingfluiddensity，buttheconstantbottomholepressureMPDtechniquecanmaketheannuluspressurewithinthepressurewindow．Thedesignresultofbackpressureandmudweightofthenarrowpressurewindowillustratedthatthewellcandrillthetargetzoneat2800mdirectlybyusingtheMPDtechnique．Itcansimplifycasingprogramandsavedrillingcost。Thecalculationexampledemonstratesthatthistechniquenotonlyreducesmuddensity，butalsomeetsthedemandofannuluspressurecontro1．Narrowpressurewindowcanbedrilledsafely．Itprovidesatechnicalbasisforoptimizingwellprofile．Keywords：constantbottomholepressure；MPDtechnology；pressurecontrol；narrowpressurewindow；design井最优化的一种工艺技术，可用于天然气水合物钻0引言井引。在复杂地层情况下钻井，地层孔隙压力和破裂压井底常压MPD技术l_6是控制压力钻井技术的力之间的窗口通常比较小，在高温高压、深水和欠平衡一种应用形式。通过采用略低于常规钻井液密度的钻井中这种现象尤为普遍和典型，常会遇到喷、漏、卡、塌井液进行近平衡钻井，关井接单根时，地面加回压，使等各种井下复杂情况和钻井问题，同时还会延长钻井井底压力保持平衡或微过平衡状态，从而控制地层流时间、带来HSE(健康、安全、环境)问题。这表明了常体的侵入。其最终的目标是：无论是否钻进、是否循环规钻井方法对复杂地层的不适用性。为避免上述问钻井液，在整个钻井作业过程中都能精确地控制井底压题，需要一种能更为精确地约束和控制井筒压力分布力，使其维持恒定，并保证井筒压力分布在压力窗口内。的方法。美国在2O世纪6O年代后期开始应用控制压目前国内外对MPD应用形式、装备配套及应用效力钻井(ManagedPressureDrilling，简称MPD)技果介绍较多，而对MPD设计与计算研究较少，本文基术，该技术是应用先进的井控设备和方法来实现钻于井底常压MPD应用形式进行了控压钻井的设计计 2011年2月王果等：井底常压控制压力钻井设计计算1O5一Ph+Pf+Pu(2)密度的井底常压MPD设计模型，详细求解过程如下。(2)式中的项为理想的控制变量，这是因为调整2．2计算步骤井口回压会使井底压力瞬间发生改变。理想状况下，井底常压MPD计算主要分为2个阶段：设计计算静止时施加的井口回压最大，等于循环状态下的环空阶段和实时计算阶段，计算流程见图2。压耗(本文使用的压耗计算公式参见文献[14—16])。设计计算主要是根据压力剖面在窄压力窗口段进井口回压和钻井液密度的确定是井底常压MPD行低钻井液密度设计，然后计算所需的井口回压，最后设计的关键参数。笔者建立了计算井口回压和钻井液根据设计结果优化井身结构。设计计算过程如下。(开始运行)买时确定窄压力I窗口段的计算(退)最大孔隙压力梯度流流罩J设计该井l段钻井液程程／入目i=l⋯IJOECD值＼l．：：否否fCLo。值为钻井液密度，J、＼／)计算环空压耗(P0l—＼剑⋯间固隔定了的⋯吗时．?．1日J／、．以为静止时的。：：计算钻井液密度：)调整P，以平N／,L是＼／根据实际需要的pI，l督n业{上—计算所需的p『1UFlr／l畀是+根据当前水力+参数计算缸山革I：十L一一一．一一．一一．一一．一一一．一一一一一一．一一．一一．一一．一一一．一一．一一一一l一．一一．一一一一一一，一一一一一一一一一一一．一一一一．一一．一．．一．一一．：图井底常压计算流程①确定窄压力窗口段的最大孔隙压力梯度。力剖面时，调节井口回压值以补偿环空压力变化所引②根据步骤①确定的孔隙压力梯度计算循环当量起的井底压力变化。实时计算过程如下。钻井液密度(p。)值。①根据当前的水力参数(静液柱压力、环空压耗)③把步骤②算得的ID。值作为钻井液密度(10)代计算井底压力。入压耗计算公式计算。②用实际需要的井底压力减去步骤①计算出的井④把步骤③算得的作为静止时所需的来计算底压力，差值即为需要的井口压力。静止时的钻井液密度(p)。③传送步骤②中的压力给控制系统以控制井口⑤判断』D和10的差值是否小于设定的计算精度压力。()?如果是，就跳转到步骤⑦，否则继续执行步④根据具体情况每隔一定时间(0．5或1骤⑥。重复上述步骤①、②、③，直到结束。⑥令步骤③中的』D等于步骤④的10，并重复步骤3实际算例分析③、④和⑤。⑦此时的和即为设计的钻井液密度和井口回．基本数据压值。本文依据克拉井资料进行了井底常压钻井中，很多情况都会引起环空压力的变化，主要设计计算。克拉井位于新疆拜城县北东方向约55有：钻井泵的泵速、钻井液密度和其他一些引起压力瞬的塔里木盆地库车坳陷北部克一依构造带西段克时改变的因素(如岩屑含量和钻杆的转速等)。通过实拉苏2号构造。该井为评价井，设计井深为4，时计算井底压力，并判断当前状况，当需要调控环空压垂直钻达目的层。钻井目的是为了进一步查明克拉2