控压钻井实时计算及控制决策方法研究

随着石油勘探开发向边缘、深部复杂地区和非常规资源发展,窄密度窗口、高井控风险等钻井问题越来越突出。对于窄密度窗口地层,控压钻井能有效降低钻井作业难度和井控风险。但现有控压系统在无井底压力测量数据条件下的计算分析能力有限,无法实现准确指导常规控压钻井和精细控压作业实时计算分析与控制决策推荐。因此,基于现场工程录井、控压实时数据,建立了自动判断控压钻井作业工况的分支判断树,实现了11种钻井工况的实时识别。从环空液固两相流动特征着手,耦合井筒压力和地层流体侵入量,建立了控压钻井过程中的环空压力分布预测模型,实现了井口回压预控值的计算、确定和推荐。在理论研究基础上,开发了控压钻井计算分析及控制决策系统,现场测试表明:控压钻井过程中可以进行井筒压力及井口回压值模拟分析、自动识别钻井工况和井下复杂,立管压力的系统计算值与实测值之间平均误差为1.88%,基于安全作业条件的井口回压预测值与实控值符合率达到89.8%,实现了基于实时工程参数的控压钻井在线计算分析与控制决策,提高了控压钻井井口回压控制的可靠性和时效性,有效指导常规控压钻井作业,并通过流程优化提升了精细控压钻井作业能力和智能化水平。

井下双梯度控压钻井井筒多相流动规律

在陆上井下双梯度控压钻井过程中气侵是面临的主要挑战之一。研究气侵过程中,井筒气-液两相流动规律对气侵检测与处理具有重要意义。因此,文中基于钻井液、气体和空心球的质量、动量和能量守恒方程,考虑变梯度参数引起的环空变质量流动和井筒多相流行为,建立了井下双梯度控压钻井气侵条件下的全瞬态气-液两相流新模型,并利用该模型分析了井下双梯度控压钻井气侵过程中井筒内的气-液两相流动规律。模拟结果表明:变梯度参数不仅会改变气相体积分数和当量循环密度(ECD),而且能够影响气侵演变规律;井下双梯度控压钻井环空ECD整体上近似呈“折线形”分布,能够更好地适应深层超深层的窄安全密度窗口;将空心球比例、旋流分离器位置和分离效率相结合,能够灵活地调整环空ECD分布。该研究对使用井下双梯度控压钻井解决陆上窄安全密度窗口地层的钻井难题具有重要的理论和工程意义。

充气钻井井筒压力分布规律研究

以多相流理论和欠平衡钻井基本原理为基础,研究了充气钻井的压力控制问题,建立了适合充气欠平衡钻井的物理模型,同时给出了井筒压力计算的多相流理论模型和数值求解方法。结合现场资料,计算了充气钻井时井筒压力随回压和注气量的变化情况,并对其变化情况进行了解释。得出的结论为进行合理的欠压值设计提供了理论依据,对指导和实施欠平衡钻井作业和研究具有一定的理论参考。

欠平衡钻井井口回压控制理论与方法

以钻井环空多相非稳态流理论为基础,根据气-液两相流体在井筒流动过程中遵循的基本方程,利用有限差分的数值解法进行求解,刻划了井内流体的各种运动特性以及瞬态压力平衡关系,提出了利用井口回压对井内各流动参数进行控制,找出了井口回压和气体侵入量对井内各种流动参数的影响关系和规律,得出一些指导欠平衡钻井的有益的结论,对进一步深化和完善欠平衡钻井和井控理论研究以及现场应用具有重要的现实意义。

井喷失控井喷流出口速度预测方法研究

失控井喷流出口速度、喷口内压力、喷层产量都是井喷失控处理方案设计、作业施工中重要的基础数据。由于井喷失控井井口环境条件复杂,井喷失控后无法在井口安装测量仪表及在高速喷流中放入参照物,不能直接获取以上数据。文章利用地质、钻井过程获得的地层物性参数和气体动力学方程,探讨井喷失控井天然气喷流在不同井筒流动尺寸及组合的喷流速度预测模型,可应用薄剪切模型或RNG修正的k—ε模型定量描述速度场、温度场、浓度场分布。为井喷失控井处理方案设计、施工作业提供基础数据。

基于井下流量测量的微流量控制系统

为了能够快速有效地监测井下复杂情况并控制井底压力,开发了一种基于微流量测量的控制系统,根据实时监测钻井液进出口流量的变化来判断井下复杂情况,通过调节井口节流装置的开度来控制井口回压,从而实现对井底压力的精确调节和控制。设计了一套井下压差式环空微流量测量装置,该装置能够快速监测由于早期井涌、井漏等井下复杂情况而引起的井底流量的微小变化,并将井下测得的数据通过MWD传送至地面,与井口数据相结合进行分析,从而能够更加有效地提高微流量控制系统对井底复杂情况的判断能力和系统控制精度。介绍了井下微流量控制流程,进行了压差式井下环空流量测量装置的入井试验,分析了试验结果。入井试验表明,该装置可成功监测环空井底微流量变化,及时反映井底工况,且测量精度较高。

三参数自动控压钻井系统的研制与试验

为避免钻井过程中出现井漏、井涌、压差卡钻等井下故障,尤其是解决窄密度窗口地层钻进过程中出现的又涌又漏的技术难题,在深入研究国内外现有控压钻井技术的基础上,研制了三参数自动控压钻井系统。该系统根据U形管原理,在钻井过程中不断检测套压、立压和流量等钻井参数,并利用节流阀自动控制系统对各参数做到了组合控制、无缝隙转换控制。利用全尺寸模拟井对三参数自动控压钻井系统进行了模拟试验,结果表明:立压或套压控制时,整个控制过程平稳,没有出现超调、震荡和发散问题,控制误差≤0.2MPa;在发生溢流和漏失时,流量的监测灵敏,控制及时,溢流和漏失总量小于800L就得以完全控制。试验证明,采用套压、立压和流量3种参数作为控制目标的控压钻井技术,弥补了单纯利用套压控制的不足,提供了更为全面的控压钻井解决方案。

起下钻过程中井筒稳态波动压力计算方法

为了避免起下钻过程中井涌、井漏等复杂情况的发生,需要提高井筒波动压力计算精度。以槽流模型为基础,结合起下钻过程中的流体真实速度分布情况,根据井筒流体的连续性及相应的边界条件,分别讨论层流、紊流状态下的波动压力,建立了基于钻柱运动的稳态井筒波动压力计算模型,并采用数值解法对模型进行求解。结合现场生产数据分析发现:当起下钻速度由0.2 m/s增大至0.6 m/s时,波动压力由0.21 MPa增大至0.27 MPa;钻柱运动速度、流体流变性等条件不变,环空内外径之比由0.55增大至0.95时,井筒波动压力增加幅度由0.30 MPa增大至0.50 MPa。采用文献数据进行计算对比,结果表明:Burkhardt模型的计算误差多数大于8%,波动压力模型预测值与实测值的计算误差基本小于5%,符合精细控压钻井计算误差要求。研究结果表明,采用井筒稳态波动压力计算方法可以精确分析非钻井过程井筒压力,指导现场安全生产。

控压钻井自动节流管汇压力调节特性研究

现代控压钻井作业中,依靠自动节流管汇施加和控制井口回压,从而间接控制井底压力。但由于阀门的压力调节特性与阀门开度存在较大的非线性,常规节流管汇很难通过单个节流阀实现全开度范围内的精确调节。为了提高控制精度,利用节流阀工作的3个状态,建立了压力调节特性与流量调节特性的对应关系,进而建立了节流管汇的压力调节特性模型,并对压力调节精度及流量对压力调节特性的影响进行了分析。研究分析表明,现有节流阀压力调节特性呈现一定非线性;通过优化阀芯可以增大节流阀的有效工作区间,但不能完全消除超调区间;钻井液排量对节流阀的压力调节特性影响较大,设计节流管汇时应考虑排量问题。

微流量控压钻井中节流阀动作对环空压力的影响

为解决窄安全密度窗口的复杂压力剖面问题,基于质量守恒方程及动量守恒方程,建立了节流阀动作引发的环空波动压力模型,并应用中心差分法对模型进行了求解。研究表明,随钻井液排量增大、节流阀动作时间减小,环空所受波动压力呈增大趋势;阀芯所受波动压力大于环空段;钻井液排量从36L/s增至56L/s时,阀芯所受波动压力峰值从1.26MPa增至1.56MPa,钻铤段波动压力峰值为0.22MPa;节流阀动作时,套管鞋处引发故障的概率比井底高至35%。研究结果表明,两步、多步线性关阀较一步关阀,不但关阀手段灵活,更可有效减小环空波动压力峰值。

利用微流量控制系统实现控制压力管理钻井技术

针对钻井过程中井筒压力控制方面存在的问题,国外近期开发了基于钻井液微流量控制的钻井技术。该技术在钻井液管路上设置了传感器和节流器,可实现对进出口钻井液压力、流量、循环密度、流速等参数进行检测,并进行反馈控制。微流量控制技术属于压力管理钻井中的一种,通过控制井口回压的方式来平衡井筒压力,从而达到精确控制井筒压力的目的。

井下微流量控制方法

近几年,国外在常规钻井和欠平衡钻井技术的基础上发展出了一种被称为控压钻井(MPD)的新技术,该技术主要用于解决窄钻井液密度窗口地层的安全钻井问题,其核心是要求精确控制井眼环空压力剖面。但作为一种新的钻井技术,控压钻井现有的方法理论和硬件系统尚存在一定的不足,有待于完善。文中介绍的井下微流量控制方法属于控压钻井技术中的一种,是对现有地面微流量控制方法的改进,能够随钻监测井下环空流量的变化,及早发现溢流或井漏等井下复杂情况,与地面返出环空流量监测相配合,进而调节井口回压阀的开度,通过改变井底压力来控制溢流或井漏的大小,从而实现对环空流量的精确控制。该方法能够显著提高系统的控制精度和可靠性,从而提高钻井的安全性并降低钻井成本。

高含硫地质环境钻井硫化氢气侵规律研究

针对硫化氢的特殊物性,研究了硫化氢组分、气体偏差因子、硫化氢黏度等重要的物性参数对气侵两相流的影响。运用气液两相流的原理和方法,建立了硫化氢气侵时环空气液两相流流动模型,研究了硫化氢气侵时井底压力和井筒压力的特征及变化规律,并用实例对理论模型进行了验证,进而分析了气侵时钻井液密度、钻井液黏度、井口回压、井底气侵速率等重要参数对井底压力的影响规律。在确定钻井液附加密度时,应充分考虑硫化氢气侵对井底压力和井筒动压的影响规律,其结果会更加合理。

寄生管充气钻井环空多相流流动特性研究

针对寄生管充气钻井技术的特征,选用Hasan多相流计算模型,确定了井筒环空的流型和压降计算方法,给出了编程求解的计算流程。利用新疆某充气欠平衡井的数据进行计算,对井筒压力、流型变化、含气体积分数随注气量、钻井液排量、井口回压的变化规律进行了研究。在寄生管充气钻井的过程中,井筒环空压力随注气量的增大而减小,随钻井液排量的增大而增大,随井口回压的增大而增大。井筒环空中的含气体积分数随注气量的增大而增大,随钻井液排量的增大而减小,随井口回压的增大而减小。井筒环空中的流型转换点随注气量的增大而下移,随钻井液排量的增大而上移,随井口回压的增大而上移。

井口回压和注气量对井底压力的影响

以多相流理论和欠平衡钻井基本原理为基础,研究了充气钻井压力控制问题,建立适合充气欠平衡钻井的物理模型,同时给出了井筒压力计算的多相流理论模型和数值求解方法。结合现场资料计算了充气钻井时井底压力随井口回压和注气量的变化而改变的情况,并对其变化形式进行了解释。得出一些有益的结论,为进行合理的欠压值设计提供了理论依据,对指导和实施欠平衡钻井作业和研究提供一定的理论参考。

国外边喷边钻技术发展

为了保护油气层 ,降低地层损害 ,提高油气产量等 ,发展了欠平衡钻井技术。国外早期的欠平衡钻井技术 ,主要对低压地层采用空气和充气钻井液作为循环介质。随着欠平衡技术及井控设备技术的发展 ,在 90年代初 ,国外又发展了采用液体钻井液对高压地层进行边喷边钻的欠平衡钻井技术 ,该技术已应用于定向井和水平井 ,并且已成熟地在世界各地推广应用。国内在 60年代就开始了边喷边钻技术实践 ,但因诸多原因制约了该技术的发展。目前 ,该项技术已成为国内重点研究发展项目。文中重点讨论了建立边喷边钻欠平衡状态下必须考虑的关键技术 :选择边喷边钻钻井液、选择地面设备和井下工具、施工的操作步聚和受限制使用的范围。在分析实例的情况下 ,对国内边喷边钻技术提出了 3点建议。

欠平衡钻井技术在松辽盆地腰深1井中的应用

腰深1井是部署在松辽盆地长岭断陷达尔罕断凸带腰西构造高点上的一口直探井。该井储集层具有典型的低孔隙度、低渗透率特征,常规钻井容易引起储层伤害,造成气层产能下降,甚至不能发现气层。为此,在区域地质构造与岩性特征分析的基础上,论证了对该井实施欠平衡钻井的必要性和可行性,结合腰深1井的地质特征与井身结构参数,对欠平衡钻井实现方式、欠平衡压差、钻井液体系与性能以及欠平衡钻井参数等进行了设计。施工结果表明:欠平衡钻井技术保护了储集层,提高了钻井速度,延长了钻头寿命,钻进过程中发现了3套主力气层,达到了预期目标。该井欠平衡钻井技术的成功应用,验证和完善了欠平衡钻井设计和施工理论与方法,有助于欠平衡钻井技术的进一步应用和推广。

环空充气钻井工艺设计及参数分析

针对传统寄生管充气钻井工具在环空中形成的气相分布不均匀的弊端,设计了一种新型环形气体均布寄生管充气钻井工具。根据传热学、热力学和垂直气液两相管流理论,考虑注入气体物性随井筒温度压力变化,对环空充气工艺参数进行优化分析。分析结果表明,环空压力随注气量增大先急剧降低后逐渐升高,注气量通常选择在稍大于临界点处对应的气体流量;在静压控制区环空压力变化幅度明显大于井口回压变化,环空压力变化敏感;在摩擦控制区随井口回压变化,环空压力变化幅度较小,更加缓和,易于调节。

国外充气钻井液钻井技术

充气钻井液是一种密度范围在0．47～0．83g／cm^3之间的气（通常为空气或氮气）液（通常为水或油）混合物，钻井中将气体通过地面设备连续不断地注入钻井液，使其呈均匀气泡状分散于钻井液中，从而达到降低环空液柱压力的目的。一般在典型的以φ89钻杆钻φ152井眼时液体的泵注速度范围在0．3785～0．757m^3／min之间，气体的注入速度范围在7．08～35．4m^3／min之间，环空返出的充气钻井液，经地面除屑、除气后可重复使用。在应用过程中，由于井内流动为两相流（液-气）或三相流（液-气-固），因此钻井前需进行优化设计，达到液／气流量的最佳组合及体积优化，充分了解如何保持钻进时的压力稳定，了解在水平井和斜井中的钻井水力学等。文中对充气钻井液的气／液流量优化、水力学研究以及国外利用该技术在水平井和海上钻井的席用情阿作了详细介绍．

充气控压钻井关键工程参数研究

充气控压钻井技术将充气欠平衡钻井和控压钻井技术结合，主要应用于窄密度窗口和对储层保护要求较高的低孔、低渗地层。结合充气钻井工艺特征，考虑注气初期井筒中气体运移规律，建立了环空井筒多相流瞬态模型，并将计算值与实验测量值进行对比，验证了该模型的稳定性和精度。模拟了截面含气率随井深变化规律，以及排量、注气量和井口回压调整时井底压力动态变化规律。结果表明：带压1-2MPa钻进可以大幅改善近井口处两相流流型，有利于安全高效作业；在井筒压力控制对应的工程参数中，调整井口回压的时效性最高，排量其次，注气量最差。研究结果为充气控压钻井中作业参数选取提供了理论依据。