波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响.pdf
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1、2023年8 月第3 9 卷第8 期石油工业技术监督Technology Supervision in Petroleum IndustryAug.2023Vol.39No.8波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响王啸,张磊,刘亮,侯欣欣,李文龙中海石油(中国)有限公司天津分公司(天津3 0 0 4 5 9)摘要浅部地层承压能力低,井壁失稳与井底压力控制密切相关,过大的波动压力易导致井漏等井下复杂情况。基于起下钻过程中引发的波动压力为目标,以起下钻引发的波动压力为研究对象,建立了大位移井起下钻波动压力计算模型,并开展起下钻速度、钻柱加速度、钻井液密度、流性指数、稠度系数及环空间隙对波动压力影
2、响的定量分析。结果表明:当起下钻加速度为0.15m/s,波动压力当量密度增加0.0 8 g/cm;起下钻速度由0.2 m/s增大至0.5 m/s时,波动压力当量密度增加0.17 g/cm;同时,钻井液性能参数的增加和环空间隙的减小,也引起波动压力增加,进而导致安全泥浆密度窗口变窄。研究结果给出了保证井壁稳定的合理工程参数范围,为现场施工提供指导。关键词大位移井;波动压力;井壁稳定;安全密度窗口D0I:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.08.011The Influence of Fluctuating Pressure on Security Density Win
3、dow of ShallowExtendedReachWellsWANG Xiao,ZHANG Lei,LIU Liang,HOU Xinxin,LI WenlongTianjin Branch Company,CNO0C(China)Co.,Ltd.(Tianjin 300459,China)Abstract The bearing capacity of shallow formation is low,wellbore instability is closely related to well bottom pressure control,and ex-cessive fluctua
4、ting pressure is easy to cause leakage and other downhole complex situation.With the fluctuating pressure caused in theprocess of tripping as the target,and with the fluctuating pressure caused by tripping as the research object,the caleulation model offluctuating pressure in extended reach well tri
5、pping was established,and quantitative analysis was carried out around the influence oftripping speed,drill string acceleration,drilling fluid density,fluidity index,consistency coefficient and annular space gap on fluctuatingpressure.The results show that the equivalent density of fluctuating press
6、ure increases by 0.08 g/cm when the tripping acceleration is0.15m/s;The equivalent density of fluctuating pressure increases by 0.17 g/cm when the tripping speed increases from 0.2m/s to 0.5m/s.Meanwhile,the increase of drlling fluid performance parameters and the decrease of annulus space can cause
7、 the increase of fluctuatingpressure,and thus lead to the narrow of safe mud density window.The research results of this paper recommend a reasonable range ofengineering parameters to ensure the wellbore stability,and provide guidance for site construction.Key words extended reach well;fluctuating p
8、ressure;wellbore stability;safe mud density window王啸,张磊,刘亮,等.波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响 J.石油工业技术监督,2 0 2 3,3 9(8):5 6-5 9,6 4.WANG Xiao,ZHANG Lei,LIU Liang,et al.The influence of fluctuating pressure on security density window of shallow extended reachwells J.Technology Supervision in Petroleum Industry,2
9、023,39(8):56-59,64.大位移井技术是断块以及边际等特殊地域油田勘探开发的重要手段,也是解决复杂地形和地域限制的油气开发的有效途径。大位移井的主要特点是水平位移长,存在长的大斜度裸眼井段,由此带来一系列必须解决的工程技术问题 2。如何保持井眼稳定,是一口大位移井成败的关键,作业过程中的钻柱起下钻产生波动压力,而波动压力以弹性波的形式在井内传播,与井眼内静液柱压力共同作用导致井壁应力状态发生改变。尤其在浅部地层实施大位移井,地层承压能力低,安全泥浆密度窗口窄3,对于波动压力的控制精度要求更高。起下钻作业产生的波动压力可能压漏浅部薄弱层位,造成井下复杂情况。开展起下钻波收稿日期:2
10、0 2 2-10-2 6;修回日期:2 0 2 3-0 2-10作者简介:王啸(198 8 一),男,硕士,工程师,现主要从事岩石力学及钻井设计方面的研究。E-mail:王啸等:波动压力对浅层大位移井安全密度窗口的影响动压力研究,对于保证浅层大位移井钻井作业安全有重要意义。波动压力的计算主要有稳态法和瞬态法两种4,许多学者借助这两种方法研究了起下钻和下套管作业中,不同钻井液流态的波动压力 5-。对此,笔者建立了大位移井起下钻稳态波动压力预测模型,对影响波动压力的关键因素进行了分析,并根据波动压力对安全密度窗口中塌压力及漏失压力进行了修正。1起下钻波动压力预测模型的建立稳态波动压力预测方法认为,
11、波动压力是由井筒内钻井液稳定流动引起的,钻井液的静切力、钻井液的黏滞力和钻柱惯性是造成波动压力的主要原因8。由于钻杆在充满钻井液的井眼内运动而导致井内钻井液的流动,流动的阻力、惯性力及钻井液的静切力综合作用产生了井筒内波动压力。海上钻井的底部钻具一般装有浮阀,关泵时,钻具上下运动环空的钻井液都不会进入钻具内,因此起下钻过程属于堵口管关泵的情况。1.1钻井液静切力引起的波动压力环空流动可近似看作是二平行板之间的流动,窄槽流动模型的同心环空轴向均匀流动的控制方程为t=L式中:t为钻井液静切力,Pa;A p.为钻井液静切力引起的波动压力,Pa;L为井深,m;r 为距离圆心的距离,m。式(1)表示环空
12、任意一点的剪切应力与压降的关系。在井壁位置处,代入上式,即可得到井壁处静切力的计算公式:P1t=41式中:D。为井径,m;D,为钻柱外径,m。由上式得到钻井液静切力引起的波动压力:APiD.-D,4Lt1.2钻井液黏稠力引起的波动压力为了求得钻井液黏稠力引起的波动压力,需先求得钻井液在环空中的流速,再根据流速计算波动压力。钻井液在环空中的流动速度与钻柱运动方向相反,钻井液流速U由两部分组成,即钻柱顶替力引起的上返流速u及钻柱黏附力引起的钻井液上返流速 U2,则有:57:U=U,+U2(4)由体积守恒关系:元D _(D:-D,)V.44式中:u,为钻柱速度,m/s。由式(5)可得:钻柱黏附力引起
13、的钻井液上返流速与钻柱速度之间的关系:U2=kup式中:k为钻井液黏附常数,当环空间隙较小时,此值接近0.5。则可以得到钻井液流速为:DU=1.5v,+0.5P(D?-D?下钻取“+”,起钻取“_”。在求得钻井液流动速度后,可根据流速计算波动压力,下面以幂律流体为例,推导波动压力计算公式。冥律流体的雷诺数计算公式为:Re=12p(D.-D.,)u2*Apr(1)。-D.(2)(3)(5)U,D?(6)D.-D(7)(8)(9)式中:Re为雷诺数,无量纲;p为钻井液密度,kg/m;K为稠度系数,Pas;n 为流性指数,无量纲。钻井液黏稠力引起的波动压力可由下式计算:4KL4(2n+1)D.-D,
14、n(D.-D)Ap2=2fpLu2D。-D,式中:Ap2为钻井液黏稠力引起的波动压力,Pa;f为摩擦阻力,无量纲。1.3加速度引起的波动压力钻柱在井眼中做匀加速运动时,环空中的钻井液受到惯性力作用,即钻柱的加速运动造成环空内钻井液也产生了加速度。加速度引起的波动压力可以表示为:Ap3=PLD:aD?-D?式中:Ap为加速度引起的波动压力,Pa;为钻柱运动的加速度,m/s。1.4总的波动压力将上述钻井液静切力引起的波动压力、钻井液Re 2 100Re2 100(11)(10):58石油工业技术监督黏稠力引起的波动压力、钻柱加速度引起的波动压力加和即为起下钻作业产生的总的波动压力Ap。,计算公式:
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