深井钻井的压力平衡研究.pdf

第20卷第2期
西南石油学院学报
1998年5月
Journal of Southwest Pclrolcum Institutc
May 1998
深井钻井的压力平衡研究
钟兵施太和
方铎
(西南石油学院石油工程系,四川南充637001)(四川联合人学)
摘要深井井其有高温高炷炇地层压力和地层彼裂压力间安个铝井液密度窗口极为狭窄的特点,这为在深井钻井
过程中保持井眼系统的压力半衡提出了更高的要求。为此,対深井井的特点,运用流变学、传热学和物质半衡的
基本原理,建立钠井液循坏和静止状况下的钻井液温度分布模式及高温高压密度模式?高温高压流变模式,用这
些模式和地层流体的PVT特性对些实钻深井的溢流现象进行分析。结果表明,井眼水力系流体热力学模型对
深井、超深井的压力平衡控制至关重要。
主题词深井钻井;高温;高乐;乐力平衡
中图分类号TE245
在高温高压密度模式和流变模式的硏究方面,
Cmordie、 Ho brock利和 Ekwere等人先后研究了水
随着世界能源需求的增加?石油⊥业的发展,基利油基钻井液的高温高乐密度的预测模式
深、超深成为汕气开发的重要途径。目前,我在60年代~80年代、Hler、Smha等学者40对钻
国新疆、叫川地区4500m~7000m的深井、超深井液高温高床流变性进行研究,取得些成果,但这
已较为普遍,深井、超深井的压力平衡问题也就门益些研究均未涉及高温高乐对眼乐力平衡的影响。
突山,迫切需要加以解决。
针对目前研究状况和深井、熖深井的特点,根据
深井压力平衡之所以难以维持是困为深井井传热学、流变学的基本原理,建立铈井液的循坏和静
具有高温高炷及地层压力和地层破裂力间安全钻止温度的解析模式、高温高床密度和流变参数模式,
井液密度窗口为窄的特点。在长期的生产实践为深井超深井的压力平衡控制提供依据和手段
过梨中人们已经发现
(1)即使正常钻井时井下安全,但若停钻不循1数学模型
环吋问过长仍然会发生溢流
(2)地面设计的井液性能时常不能保证井下1.1温度模型
安全;
1.1.1基本假设
出现这些现象的主要原因是深井中温度、压力
为建立井眼水力系统的热力学平衡方稞,需作
对钻液密度流变特性和地层流体的PVT特性的以下假设
影响不能忽略。为解决这些问颕,需要掌握井眼
(1)钻井液不可缩,循环排量不变
系统内温度的变化规律,建立高温高压钴井液密度
(2)忽略钴汊的轴导热
?流变模式,研究地层流体的PVT特性,为准确控
3)忽略钻井液在径的温度梯度
制井内水力系统的压力平衡奠定基础
1.1.2钋井液循环温度模式
人们在井下钻井液循环利静止温度而的预测
钻井液在循环过程中,不断将热量带出井眼,因
方面经作了许多工作。1969~1982年, Raymod、此循环过程中,下部井段各点钴井液的温度逐渐偏
Keller HH,Marshall D W等人先斤対数值方法进行离对应井深处的原始地层温度,而上部井段各点铝
了研究,并不断完善)。1970~1992年, Holmes、液温度灲逐渐高丁对应井深处的原始地层温度。
Arnold和 kabir等人又对解析模式进行了研究?。山能量平衡,可得描述这一个过程的微分方程
1997-12-01收稿
钟兵,男,1963年生,在读博十生,现从事油气山开发方面的研究
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第2期
钟兵等:深井井的压力平衡研究
Qm?Cpm
Rdli?Ud?(
A(P,7
式中
+2?x?Rdi?Uad(rd-"'a)
某种流变参数
式中
回归模型可采用不同形式,文中采用的是指数
Qm:井液的质量流量,Kg
模型。
Cpm:针井液的定炷比热,KI/(Kg:-O
1.4地层流体的PT特性
7d:管内井液温度,C
由流体的P"特性知,当体积不变吋,环境温
7a:环内铈井液温度,C;
度的变化必然引起流体压力的变化。由于在钻井过
Rdi:柱内半径,cm
程中的不同阶段,井内储井液温度不同,从而导致井
る(d:管内流道和环空流道间的传热系数,N眼附近地层的温度随井阶段的变化而变化,进而
引起井眼附近地层压力的变化,对于犬然气,这利变
dz
单位长度内出地层进入环空钴井液的热化尤为突出。天然气的P7方程为
解上述方程可得井循环过程中铅柱主内和环空7×-ZnR
流量,K/(h
中钻井液的循环温度分布。
n:天然气的摩尔质量
1.3停业止循环斤钴井液的温度分布模式
R:气体常数;
循环停止后,井液从地层获得(下部井段)或
Z:天然气压缩系数,可查表或用经验式求得。
失去(上部井段)的热量将直接反映为各点井液的
地层汕和水的Pびア方科可通过实验方法建立
温度随吋间增川或降低,则对井内单位长度的井
液柱:,存在能最平衡方程
实例分析
dgz s m
Lth
利用建立的眼系统的热力学模型,対一些实
式中
钻深井的計水和天然气流流进行了分析,限于篇幅
m:井内单位长度的钴井液的质量,Kg;
仅给出对一口深井在6372.6m处发生大然气溢流
的分析结果。
单位时问内地层和井内钻井液问的热流
该井在.6372.6m处发生天然气溢流、,此时钴
量,K/(hm?O;
液密度为1.88g/(cm)3,关井4h后立管床力为
7h:井内钠井液温度,C。
4.8MPa。加重后用1.96g(cm)3钻井液钻至6
解上述方程町得停泵后钠井液的静止温度分375.6m,最后用2.12gy/(cm)3的井液完全井。
布
发生:溢流时的井身结构如图1所示,钻具组合为8
1.2高温、高压钴井液密度模型
I2"钻头+614"铤15根+5"加重钻杆14根+
铀井钼井液的主要成分包括油、水、固相加重材杆+514方铝杆。基本计算参数如表1所小,设
料及化学物质,根据物质平衡原理可建立井液任加重前后,塑性度和屈服值不变。
意温度、压力下的密度模式
pm- Om(P, T)
表1基本计算参数
温度J压カ対钻井液密度的影响直接关系到钻
钻井波密度塑性料度屈服值结液循环地温柳度地表温度
井液液柱压力的人小以及发牛溢流后关井求压,从
排量1s
m
9/ cm
而影响井ド压力平衡。
0.0235424.8
1.3高温、高压流变参数模型
对深井压力平衡米说,钴井液的高温高压流变
参数模型是确定井内井液环损失的关健,其建立
图2为建立的温度模式算得该小在6372.6m
的方法是利用高温高炷流变仪测定不同温度力ド井深处钻井液循环温度和静止温度与时问的关系曲
的各流变参数,经过多元回后即得
线。从图中可以看出,在循环和静止.的初始时刻,温
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