深水鉆井當(dāng)量循環(huán)密度影響規(guī)律分析

郝希寧蔣世全孫麗麗田 崢田 波

（1.中海油研究總院，北京 100028；2.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；3.中海石油深圳分公司，廣東深圳 518067）

深水鉆井當(dāng)量循環(huán)密度影響規(guī)律分析

郝希寧1蔣世全1孫麗麗2田 崢3田 波3

（1.中海油研究總院，北京 100028；2.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；3.中海石油深圳分公司，廣東深圳 518067）

引用格式：郝希寧，蔣世全，孫麗麗，等.深水鉆井當(dāng)量循環(huán)密度影響規(guī)律分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：49-52.

深水鉆井中，由于深水段的影響，上覆巖層壓力低，鉆井液密度窗口窄，當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）的預(yù)測和控制較難。針對南海深水井通過水力學(xué)分析軟件進(jìn)行ECD計算模擬，并對增壓泵的影響進(jìn)行了分析，揭示了深水鉆井ECD的影響規(guī)律，為深水鉆井水力參數(shù)設(shè)計和現(xiàn)場作業(yè)提供了依據(jù)。研究表明：深水鉆井中，不僅要通過大排量和控制機械鉆速來保持井眼清潔和控制ECD，還需要考慮溫度對ECD的影響，尤其是在有增壓泵的情況下，ECD隨著增壓泵排量的增大會逐漸增大。

深水鉆井； 水力學(xué)； ECD； 溫度； 增壓泵

近年來全球獲得的重大勘探發(fā)現(xiàn)中，有近50%來自深水海域［1］，深水已經(jīng)并將繼續(xù)成為全球油氣資源接替的主要領(lǐng)域。我國深水鉆井還處于起步階段，在開發(fā)過程中面臨著種種挑戰(zhàn)。深水低溫、氣體水合物、淺層氣和淺層水流、鉆井液密度窗口窄、大直徑隔水管段攜巖困難以及鉆井液用量大等問題使得深水鉆井更加具有挑戰(zhàn)性［2-6］。

目前，中海油作為作業(yè)者已在南海和西非等地區(qū)完成了三十多口深水井作業(yè)，取得了階段性的成果。然而，深水鉆井水力學(xué)分析仍然是參照陸地和淺水區(qū)的方法，其適用性有待商榷。深水鉆井過程中，海水溫度梯度與地層溫度梯度相反，且海水和隔水管之間的換熱與地層和井筒之間的換熱方式不同，使井筒中的傳熱過程更加復(fù)雜，已有一些學(xué)者對深水鉆井溫度場、氣體水合物的預(yù)測等進(jìn)行了相關(guān)研究［7-13］，但還沒有針對深水鉆井水力參數(shù)計算和應(yīng)用進(jìn)行分析。

結(jié)合深水鉆井工藝特點，通過數(shù)值模擬的方法，以一口實鉆井為例分井段進(jìn)行ECD（當(dāng)量循環(huán)密度）計算分析，揭示深水鉆井中不同因素對ECD的影響規(guī)律，為深水鉆井水力參數(shù)設(shè)計和現(xiàn)場作業(yè)提供理論依據(jù)。

1　水力參數(shù)分析方法

鉆井水力學(xué)的任務(wù)是在井眼穩(wěn)定和井眼清潔的條件下，合理分配水力參數(shù)，提高鉆井效率，降低鉆井成本，安全、高效鉆至目的層，達(dá)到地質(zhì)和油藏的目的。水力參數(shù)設(shè)計應(yīng)滿足井壁穩(wěn)定、井眼清潔和經(jīng)濟(jì)可行的原則，具體流程如下：

（1）根據(jù)孔隙壓力和破裂壓力確定鉆井液密度窗口，根據(jù)鉆井液性能優(yōu)選流變模式；

（2）根據(jù)滿足井眼清潔的攜巖理論計算理論最小排量；

（3）根據(jù)ECD不超過破裂壓力、井眼穩(wěn)定值和設(shè)備能力等限制確定理論最大排量；

（4）在最大排量和最小排量范圍內(nèi)，滿足ECD不超過安全密度窗口的條件下，通過優(yōu)選目標(biāo)值確定最優(yōu)水力參數(shù)。

深水鉆井中，需要通過溫度和壓力耦合模型［14］對ECD進(jìn)行更精確的預(yù)測，以控制ECD在安全密度窗口內(nèi)，安全鉆至目的層。

2　實例分析

2.1基本參數(shù)

以南海某口實鉆井為例，其井身結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　井身結(jié)構(gòu)

為降低環(huán)境污染的風(fēng)險，采用水基鉆井液。鉆具組合如下。

?660 mm井眼：?660 mm鉆頭+馬達(dá)+浮閥+LWD+MWD+短無磁鉆鋌×1根+扶正器+?241 mm鉆鋌×4根+震擊器+CADA+?203 mm鉆鋌×2根+?175 mm加重鉆桿×10根+?175 mm鉆桿。

?445 mm井眼：?445 mm鉆頭+馬達(dá)+浮閥+扶正器+LWD+MWD+無磁鉆鋌×1根+扶正器+?203 mm鉆鋌×5根+震擊器+?203 mm鉆鋌×2根+?149 mm加重鉆桿×12根+?149 mm鉆桿。

?311mm井眼：?311 mm鉆頭+馬達(dá)+浮閥+扶正器+LWD+MWD+隨鉆地震+SADN+?203 mm鉆鋌?5根+震擊器+?203 mm鉆鋌×2根+?149 mm加重鉆桿×12根+?149 mm鉆桿。

2.2計算結(jié)果

?660 mm井段采用海水鉆進(jìn)，開路循環(huán)，鉆井液直接排到海底。由于井眼直徑大，排量受泵的能力和井眼沖刷上限的約束，不能滿足井眼清潔的要求。

通過數(shù)值模擬［14］，對ECD等水力參數(shù)進(jìn)行分析。從圖2可以看出，隨著ROP（機械鉆速）的增加，井眼環(huán)空的巖屑濃度增大，ESD（當(dāng)量靜液密度）迅速增加。因此，該段的主要問題是要盡量降低巖屑濃度，保障井眼清潔和控制ECD。在排量允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能采用大排量鉆進(jìn)，并控制ROP。另外，現(xiàn)場需要在每柱鉆進(jìn)的開始、中間和結(jié)束通過打稠漿的方式來幫助攜巖。

圖2　?660 mm井段不同ROP下ECD和ESD分布規(guī)律（排量4.2 m3/min，鉆井液密度1.03 g/cm3）

下部井段由于大直徑長隔水管段的存在，鉆井液在井筒內(nèi)的流動和傳熱更加復(fù)雜。為了提高大直徑、長隔水管段的攜巖能力，深水鉆井中通過增壓管線在泥線處向隔水管內(nèi)注入鉆井液，以增加環(huán)空返速以便將巖屑攜帶出隔水管。

如圖3和圖4所示，排量均為3.75 m3/min，?445 mm井段和?311 mm井段ECD分布規(guī)律相似，隨著ROP的增大，ECD增加明顯，另外，在泥線附近ESD出現(xiàn)明顯的拐點。對于?445 mm井段鉆進(jìn)，泥線以下是?508 mm套管，由于增壓泵的作用隔水管環(huán)空內(nèi)返速比地層段環(huán)空大，因此隔水管環(huán)空內(nèi)巖屑密度不會大于地層環(huán)空，這說明ESD的變化是由于鉆井液密度自身的改變。對于?311 mm井段，ESD在泥線附近出現(xiàn)拐點的原因和?445 mm井段一樣，從ROP為0時ESD沿井深的分布規(guī)律可以看出，此時不受巖屑濃度影響，ESD主要受鉆井液密度的影響。

圖3　?445 mm井段不同ROP下ECD和ESD分布規(guī)律（鉆井液密度1.07 g/cm3，增壓泵排量2.45 m3/min）

圖4　?311 mm井段不同ROP下ECD和ESD分布規(guī)律（鉆井液密度1.08 g/cm3，增壓泵排量2.45 m3/min）

下面以?311 mm井段為例，通過軟件模擬分析增壓泵對井底ECD的影響。

ECD主要受鉆井液密度、環(huán)空摩阻和環(huán)空巖屑濃度三方面因素的影響，理論上，若不考慮溫度的影響，隨著增壓泵排量的增大，隔水管環(huán)空內(nèi)的巖屑濃度應(yīng)降低，由于隔水管直徑大，摩阻壓耗小，因排量增大而引起的環(huán)空摩阻增大可以忽略，因此環(huán)空ECD應(yīng)逐漸減小，然而模擬結(jié)果恰恰相反，如圖5所示，這說明深水鉆井中需考慮溫度對鉆井液密度和ECD的影響。

圖5　?311 mm井段不同增壓泵排量下ECD分布規(guī)律（鉆井液密度1.08 g/cm3，ROP 25 m/h）

由圖6和圖7中不同增壓泵排量下的環(huán)空溫度和鉆井液密度可以看出，不開增壓泵的情況下，環(huán)空溫度從井底到井口逐漸降低，而隨著增壓泵排量的增大，從泥線處注入隔水管環(huán)空內(nèi)的低溫鉆井液越多，其環(huán)空密度增加也越明顯，因此，深水低溫是ECD不可忽略的影響因素之一。

圖6　?311 mm井段不同增壓泵排量下井筒溫度分布規(guī)律（鉆井液密度1.08 g/cm3，ROP 25 m/h）

圖7　?311 mm井段不同增壓泵排量下鉆井液密度分布規(guī)律（鉆井液密度1.08 g/cm3，ROP 25 m/h）

3　結(jié)論及建議

3.1結(jié)論

基于南海深水探井進(jìn)行了ECD計算分析，得到了不同因素對ECD的影響規(guī)律，提出了深水井ECD預(yù)測和控制應(yīng)注意的問題，尤其是深水低溫和增壓泵的影響，陸地和淺水水力學(xué)分析方法已不能完全適用于深水井，需考慮以下幾個方面。

（1）深水鉆井中需要考慮溫度和壓力對鉆井液性能的影響，以精確預(yù)測和控制ECD，使其在安全密度窗口之內(nèi)。

（2）上部無隔水管井段，環(huán)空直徑大，受井眼穩(wěn)定和泵能力限制的最大排量小于井眼清潔所需的最小排量，ECD主要受巖屑濃度的影響，井眼清潔是關(guān)鍵，需要通過打稠漿和控制機械鉆速等方法來保持井眼清潔和控制ECD。

（3）下部井段泵的能力可滿足井眼清潔的要求，需要重點關(guān)注ECD。通過大排量且必要時需犧牲機械鉆速來保證井眼清潔和控制ECD在安全密度窗口之內(nèi)。

（4）下部井段需要通過增壓泵來輔助大直徑長隔水管段環(huán)空的攜巖，在文中計算條件下，隨著增壓泵排量的增大，其注入環(huán)空的高密度低溫鉆井液越多，井底ECD也隨之增大。

3.2建議

深水鉆井水力學(xué)分析目前仍是參照淺水和陸地的方法，隨著動力鉆具等先進(jìn)工具的應(yīng)用，以最大鉆頭水功率等常規(guī)的噴射鉆井水力參數(shù)優(yōu)化方法不能完全適用于深水鉆井水力學(xué)分析，需要不斷的完善與改進(jìn)。深水鉆井井筒流動規(guī)律和水力學(xué)分析還需進(jìn)一步的研究。

（1）鑒于各參數(shù)之間相互影響，需針對深水鉆井建立一個耦合的井筒流動和傳熱模型，另外，如防止地層沖刷的排量上限值等各經(jīng)驗參數(shù)的選取需要在實踐中不斷完善。

（2）進(jìn)一步完善深水鉆井水力學(xué)計算分析方法，建立1套針對深水鉆井的水力學(xué)計算的標(biāo)準(zhǔn)和軟件。

［1］周守為.南中國海深水開發(fā)的挑戰(zhàn)與機遇［J］.高科技與產(chǎn)業(yè)化，2008（12）：20-23.

［2］劉正禮，胡偉杰.南海深水鉆完井技術(shù)挑戰(zhàn)及對策［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：8-12.

［3］謝玉洪.南海西部深水區(qū)自營油氣田勘探開發(fā)現(xiàn)狀及展望［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：5-7.

［4］S. ROCHA L A，JUNQUEIRA P，ROQUE J L. Overcoming deep and ultra deepwater drilling challenges［R］. OTC15233，2003.

［5］CLOSE F，MCCAVITT B，SMITH B，et al. Deepwater Gulf of Mexico Development Challenges Overview［R］. SPE 113011，2008.

［6］SHAUGHNESSY J，DAUGHERTY W，GRAFF R，et al. More ultra-deepwater drilling problems［R］. SPE 105792，2007.

［7］宋洵成，管志川.深水鉆井井筒全瞬態(tài)傳熱特征［J］.石油學(xué)報，2011，32（4）：704-708.

［8］翟羽佳，汪志明，郭曉樂.深水鉆井水力參數(shù)計算及優(yōu)選方法［J］.中國海上油氣，2013，25（1）：59-63.

［9］KABIR C S，HASAN A R，KOUBA G E，et al. Determining circulating fluid temperature in drilling，workover，well-control operations ［R］. SPE 24581，1992.

［10］RORNERO J，TOUBOUL E. Temperature prediction for deepwater wells: A field validated methodology［R］. SPE 49056，1998.

［11］EIRIK K A，AADNOY B S. Optimization of mud temperature and fluid models in offshore applications［R］. SPE 56939，1999.

［12］高永海，孫寶江，王志遠(yuǎn)，等.深水鉆探井筒溫度場的計算與分析［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，32（2）：58-62.

［13］管志川.溫度和壓力對深水鉆井油基鉆井液液柱壓力的影響［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，28（4）：48-52.

［14］WANG Zhiming，HAO Xining，XUE Liang，et al. Numerical simulation on deepwater drilling wellbore temperature and pressure distribution. Petroleum Science and Technology［J］. 2010，28（9）: 911-919.

（修改稿收到日期 2015-10-26）

〔編輯 薛改珍〕

Analysis on infuence law of equivalent circulating density in deepwater drilling

HAO Xining1，JIANG Shiquan1，SUN Lili2，TIAN Zheng3，TIAN Bo3
（1. Research Institute of CNOOC，Beijing 100028，China； 2. China Uniνersity of Geosciences，Beijing 100083，China；3. Shenzhen Branch of CNOOC，Shenzhen 518067，China）

In deepwater drilling，owing to the impact of deepwater section，the overburden pressure is low，and the density window of drilling fluid is narrow，so that the prediction and control of Equivalent Circulating Density（ECD） becomes more difficult. ECD computational simulation is carried out through hydraulic analysis software for deepwater wells in South China Sea，and the impact of booster pump is analyzed，and the influence laws for ECD in deepwater drilling is discovered，so as to provide the basis for hydraulic parameter design and field operation of deepwater drilling. The research indicates that: in deepwater drilling，it is not only necessary to keep the wellbore clean and control the ECD by adopting the large displacement and controlling the penetration rate，but also necessary to consider the impact by temperature on ECD. In particular，under the circumstance that there is booster pump，ECD will increase gradually as the displacement of booster pump increases.

deepwater drilling； hydraulics； equivalent circulating density（ECD）； temperature； booster pump

TE52

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0049-04 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.012

國家重大專項課題“深水鉆完井工程技術(shù)”（編號ZX201105026-001）部分研究成果。

郝希寧，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)，現(xiàn)主要從事鉆井水力學(xué)和井控等井筒流動方面的研究，鉆井工程師，博士。電話：010-84526701。E-mail：haoxn@cnooc.com.cn。