本申請涉及海洋石油開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用井涌余量校核套管下入深度的方法。

背景技術(shù)：

隨著油氣勘探開發(fā)地區(qū)的不斷擴大，深水油氣資源的開發(fā)程度越來越高，對石油可采儲量的提升做出了重要貢獻。在深水鉆井的工程實際中，窄安全密度窗口問題是制約深水鉆井進一步發(fā)展和完善的重要因素，給井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了諸多難題。密度窗口是指鉆井液的密度范圍，窄密度窗口即鉆某一地層過程中，鉆井液可以選擇的密度范圍很小，這種情況易發(fā)生鉆井復(fù)雜情況，鉆井液密度超出此范圍造成井漏，低于此范圍造成井壁坍塌掉塊。目前深水鉆井中多采用自上而下的方法，這樣保證每層套管下入深度最深，為下部井段儲備足夠的套管層次，取得了較好的效果。但該方法中需要考慮的因素很多，井涌余量是其中的一個重要方面。

井涌余量是能安全關(guān)井且循環(huán)壓井時不至于壓漏地層所允許進入井筒的最大溢流量，是深水鉆井設(shè)計和作業(yè)中的關(guān)鍵參數(shù)之一。井涌余量過小會導(dǎo)致壓漏套管鞋等薄弱地層，引起地下井噴等事故；而井涌余量過高則需要更多的套管層次，更復(fù)雜的井身結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致無法鉆至目標(biāo)井深，或由于井眼尺寸太小而不能滿足地質(zhì)和油藏的要求。鉆井設(shè)計過程中，不僅要設(shè)計合理的鉆井液密度保證正常鉆進時鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度(ecd)控制在安全密度窗口之內(nèi)，而且每層套管下入深度還要滿足井涌余量的要求。目前，已有一些學(xué)者對深水鉆井井涌余量等進行了相關(guān)研究，但是從現(xiàn)有技術(shù)來看，相關(guān)研究仍不夠充分，現(xiàn)有技術(shù)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中僅僅將井涌余量作為一個簡單的設(shè)計參數(shù)考慮，行業(yè)內(nèi)也沒有關(guān)于井涌余量統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種利用井涌余量修正套管下深的方法，盡可能地避免鉆井過程中出現(xiàn)的井下復(fù)雜情況，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證鉆井工作的正常運行，最大限度地減少經(jīng)濟損失。

為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于井涌余量的深水鉆井套管下深的修正方法，所述方法包括以下步驟：

①根據(jù)三壓力剖面和設(shè)計的鉆井液密度，初選套管下入深度；

②根據(jù)溫度壓力修正流性指數(shù)n和稠度系數(shù)k；

③根據(jù)溫壓場，計算鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度esd；

④根據(jù)鉆井參數(shù)計算環(huán)空內(nèi)雷諾數(shù)re，最終計算求得環(huán)空壓耗；

⑤修正侵入氣體密度；

⑥計算最大允許氣侵體積；

⑦根據(jù)氣侵壓力模型，對套管下深進行校核及修正。

優(yōu)選的是，步驟①中，初選套管下入深度采用自上而下的設(shè)計方法，通過鉆井液密度和孔隙壓力剖面的交點來初步確定套管下深。

上述任一方案優(yōu)選的是，步驟②中，鉆井液的流變特性采用冪律模式來進行描述，所述流性指數(shù)n和所述稠度系數(shù)k為溫度和壓力的函數(shù)。

上述任一方案優(yōu)選的是，所述流性指數(shù)n計算公式為

式中，n0為該鉆井液在15℃、一個大氣壓下的流性指數(shù)；

p為井筒壓力；

t為井筒溫度。

上述任一方案優(yōu)選的是，所述稠度系數(shù)k計算公式為

式中，k0為該鉆井液在15℃、一個大氣壓下的流性指數(shù)和稠度系數(shù)；

p為井筒壓力；

t為井筒溫度。

上述任一方案優(yōu)選的是，步驟③中，鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度esd受環(huán)空溫度和壓力影響

上述任一方案優(yōu)選的是，所述鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度esd計算公式為

式中，ρ0為鉆井液初始密度；

δt為溫度的變化值；

δp為壓力的變化值；

ct為熱膨脹系數(shù)；

cp為彈性壓縮系數(shù)。

上述任一方案優(yōu)選的是，所述鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度esd計算公式還可以使用混合模型

式中，ρ(p,t)為溫度壓力為(p,t)條件下的鉆井液的密度；

ρoi，ρwi為參比條件下的油、水的密度；

ρo，ρw為溫度壓力為(p,t)條件下的油、水的密度；

fo，fw，fs，fc為參比條件下油、水、固相、添加劑的體積分?jǐn)?shù)；

或經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

或ρ(t,p)＝ρ0e^{a(t-26.67)+(b+ct)p}

或

或ρ＝ρ0e^γ(p,t)

γ(p,t)＝γp(p-p0)+γpp(p-p0)²+γt(t-t0)+γtt(t-t0)²+γpt(p-p0)(t-t0)

式中，ρ(t,p)為溫度t、壓力p時的鉆井液密度；

ρ0為溫度t0、壓力p0時的鉆井液密度；

a、b、c，γp，γpp，γt，γtt，γpt為鉆井液特性常數(shù)。

上述任一方案優(yōu)選的是，步驟④中，所述環(huán)空內(nèi)雷諾數(shù)re的計算采用冪律模式。

上述任一方案優(yōu)選的是，所述re的計算公式為

式中，re為冪律流體雷諾數(shù)；

ρm為鉆井液密度，按照ρesd值進行計算，kg/m³；

dao為套管內(nèi)徑；

dai為鉆桿外徑；

v為鉆桿內(nèi)或環(huán)空中的流體運動速度；

n為冪律流體流性指數(shù)；

k為冪律流體稠度系數(shù)。

上述任一方案優(yōu)選的是，步驟②中，所述環(huán)空壓耗的計算根據(jù)所述環(huán)空內(nèi)雷諾數(shù)re的范圍采用層流公式或范寧-達西公式。

上述任一方案優(yōu)選的是，當(dāng)所述環(huán)空內(nèi)雷諾數(shù)re＜2100時，環(huán)空內(nèi)鉆井液為層流，采用層流公式計算壓耗，即

式中，pl為環(huán)空內(nèi)壓耗；l為井筒長度，h0為計算時取初選套管下深。

上述任一方案優(yōu)選的是，當(dāng)所述環(huán)空內(nèi)雷諾數(shù)re≥2100時，環(huán)空內(nèi)鉆井液為紊流，采用范寧-達西公式計算壓耗，即

p＝2fρmv²l/(dao-dai)

式中，f為范寧摩阻系數(shù)。

上述任一方案優(yōu)選的是，所述范寧摩阻系數(shù)的計算，采用采用dodge和metzner半經(jīng)驗公式，

上述任一方案優(yōu)選的是，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，所述侵入氣體密度采用以下公式修正

式中，ρi是侵入氣體密度；

m為氣體摩爾質(zhì)量；

z為氣體壓縮因子；

r為常數(shù)，取8.314。

上述任一方案優(yōu)選的是，所述氣體壓縮因子z采用以下公式計算

式中，pc、tc分別為臨界壓力和臨界溫度。

上述任一方案優(yōu)選的是，步驟⑥中，采用司鉆法進行壓井，所述最大允許氣侵體積的約束條件包括以套管鞋處地層破裂壓力為約束條件、以套管抗內(nèi)壓強度的80％為約束條件、氣柱頂端到達井口時以防噴器工作壓力為約束條件、以及氣柱頂端到達節(jié)流閥處時以節(jié)流閥工作壓力為約束條件，所述最大允許氣侵體積需同時滿足以上四個約束條件。上述的節(jié)流閥工作壓力主要考慮的是海洋鉆井的節(jié)流管線。

上述任一方案優(yōu)選的是，以套管鞋處地層破裂壓力為約束條件，建立壓力平衡式為

式中，pfshoe表示套管鞋處地層破裂壓力，kpa；

gm表示原鉆井液壓力梯度，利用ecd進行計算，g/cm³；

h表示井深，m；

hshoe表示套管鞋深度，m；

pp表示井底地層壓力，kpa；

tshoe表示套管鞋處溫度，k；

aa表示井筒環(huán)空截面積，m²；

pk表示壓井液靜液柱壓力，kpa；

δp′a表示套管鞋以下環(huán)空壓耗。

上述任一方案優(yōu)選的是，以套管鞋處地層破裂壓力為約束條件，得出在井底壓力條件下的最大允許侵入體積為

以套管抗內(nèi)壓強度的80％為約束條件，建立壓力平衡式，得出在井底壓力條件下的最大允許侵入體積為

式中，pi表示套管抗內(nèi)壓強度，kpa。

上述任一方案優(yōu)選的是，氣柱頂端到達井口時以防噴器工作壓力為約束條件，建立壓力平衡式，得出在井底壓力條件下的最大允許侵入體積為

式中，pbop表示防噴器最大工作壓力，kpa；

δpa表示套管內(nèi)環(huán)空壓耗。

上述任一方案優(yōu)選的是，氣柱頂端到達節(jié)流閥處時以節(jié)流閥工作壓力為約束條件，建立壓力平衡式，得出在井底壓力條件下的最大允許侵入體積為

式中，ac表示節(jié)流管截面積，m²；

tcv表示節(jié)流閥處溫度，k；

pcv表示節(jié)流閥的最大工作壓力，kpa；

hc表示節(jié)流管匯長度，m。

上述任一方案優(yōu)選的是，同時滿足四個約束條件的井底最大允許侵入體積滿足

vmax＝min{vmax1,vmax2,vmax3,vmax4}

上述任一方案優(yōu)選的是，步驟⑥套管下深修正進一步包括建立井涌關(guān)井后的壓力平衡關(guān)系，并計算最大允許侵入體積，最終得到套管的修正下深。

根據(jù)權(quán)利要求24所述的基于井涌余量的深水鉆井套管下深修正方法，其特征在于：井涌關(guān)井后的壓力平衡關(guān)系為

hk(ρesd-ρi)+ih＝hshoe(ρfshoe-ρesd)

式中，hk為井涌高度；

i為井涌強度；

ρfshoe為套管鞋處的破裂壓力當(dāng)量密度。

上述任一方案優(yōu)選的是，求取最大允許侵入體積的中間式為

式中，hk為井涌高度；i為井涌強度；ρfshoe為套管鞋處的破裂壓力當(dāng)量密度；aa為環(huán)空截面積。

上述任一方案優(yōu)選的是，根據(jù)中間式，推導(dǎo)出的所述套管的修正下深的計算公式為

本發(fā)明的方法充分考慮了滲水鉆井的復(fù)雜條件，由于深水環(huán)境中由于海水的存在，井筒溫度場和陸地鉆井有著很大區(qū)別，井筒內(nèi)esd剖面也會發(fā)生很大變化，這對最終的套管下深會產(chǎn)生較大影響，因此本發(fā)明中esd、ecd的計算充分考慮了深水溫度場對鉆井液密度的影響，對ecd、esd進行更加精確的計算。同時，充分考慮了深水鉆井特點，在確定最大允許氣侵體積時，考慮了四個約束條件，以便更加貼近深水鉆井的實際情況，相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確度就更高，發(fā)生井下復(fù)雜情況的可能性就越低，安全性也就越強。

附圖說明

圖1為按照本發(fā)明的基于井涌余量的深水鉆井套管下深的修正方法一優(yōu)選實施例的流程示意圖。

圖2為按照本發(fā)明的基于井涌余量的深水鉆井套管下深的修正方法一優(yōu)選實施例的深水鉆井發(fā)生井涌時的井筒壓力分布示意圖。

具體實施方式

為了更進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容，下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作更為詳細的描述，實施例只對本發(fā)明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上作出的非實質(zhì)性修改，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例1

如圖1所示，一種基于井涌余量的深水鉆井套管下深的修正方法，所述方法包括以下步驟：

①根據(jù)三壓力剖面和設(shè)計的鉆井液密度，初選套管下入深度。

②根據(jù)溫度壓力修正流性指數(shù)n和稠度系數(shù)k；

③根據(jù)溫壓場，計算鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度esd；

④根據(jù)鉆井參數(shù)計算環(huán)空內(nèi)雷諾數(shù)re，最終計算求得環(huán)空壓耗；

⑤修正侵入氣體密度；

⑥計算最大允許氣侵體積

⑦根據(jù)氣侵壓力模型，對套管下深就行校核及修正。

在本實施例中，首先根據(jù)三壓力剖面和設(shè)計的鉆井液密度，采用自上而下的設(shè)計方法，通過鉆井液密度和孔隙壓力剖面的交點來初步確定套管下深，初選套管下深為h0。

在本實施例中，對步驟②中流性指數(shù)n和稠度系數(shù)k進行計算。假設(shè)鉆井液的流變特性可用冪律模式來進行描述，其流性指數(shù)n和稠度系數(shù)k為溫度和壓力的函數(shù)，二者隨著溫壓場的變化而變化，具體計算公式為：

n0、k0分別為該鉆井液在15℃、一個大氣壓下的流性指數(shù)和稠度系數(shù)；p為井筒壓力；t為井筒溫度。

在本實施例中，鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度(ecd)是由當(dāng)量靜態(tài)密度(esd)和環(huán)空壓耗當(dāng)量密度兩部分組成。在本實施例中，優(yōu)選了對步驟③中當(dāng)量靜態(tài)密度(esd)的計算，esd表示鉆井液在井筒界面任意一點所受靜液柱壓力的當(dāng)量密度值。深水鉆井esd主要受溫度、壓力影響。esd的計算公式為

其中，ρ0為鉆井液初始密度；δt為溫度的變化值；δp為壓力的變化值；ct為熱膨脹系數(shù)；cp為彈性壓縮系數(shù)。

在本實施例中，對步驟④中的環(huán)空壓耗進行計算。深水鉆井所用鉆井液屬于非牛頓流體，此處采用冪律模式進行計算。

1)雷諾數(shù)計算

環(huán)空內(nèi)雷諾數(shù)可以用下式計算：

re為冪律流體雷諾數(shù)；ρm為鉆井液密度，按照ρesd值進行計算，kg/m³；dao為套管內(nèi)徑；dai為鉆桿外徑；v為鉆桿內(nèi)或環(huán)空中的流體運動速度；n為冪律流體流性指數(shù)；k為冪律流體稠度系數(shù)。

2)壓耗計算

根據(jù)以上計算的雷諾數(shù)，當(dāng)re＜2100時判斷為層流，可使用層流公式計算壓耗，即

當(dāng)re≥2100時判斷為紊流，可由范寧—達西公式求得壓耗，即：

p＝2fρmv²l/(dao-dai)

pl為環(huán)空內(nèi)壓耗；l為井筒長度，計算時取初選套管下深h0；f為范寧摩阻系數(shù)。

在計算范寧摩阻系數(shù)時，采用dodge和metzner半經(jīng)驗公式：

在本實施例中，對ecd進行計算。根據(jù)計算循環(huán)壓耗，計算鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度ecd，見下式：

ρecd＝ρesd+pl/(h0g)

在本實施例中，對侵入氣體密度進行修正。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，侵入氣體密度用一下公式進行修正：

其中，ρi是侵入氣體密度；m為氣體摩爾質(zhì)量；z為氣體壓縮因子；r為常數(shù)，取8.314。

氣體的壓縮因子可以用下式計算：

其中，pc、tc分別為臨界壓力和臨界溫度。

在本實施例中，對最大允許氣侵體積進行計算。采用司鉆法進行壓井，以套管鞋處地層破裂壓力為約束條件，建立壓力平衡式如式：

以套管鞋處地層破裂壓力為約束條件，壓力平衡式為：

其中，pfshoe表示套管鞋處地層破裂壓力，kpa；gm表示原鉆井液壓力梯度，利用ecd進行計算，g/cm³；h表示井深，m；hshoe表示套管鞋深度，m；pp表示井底地層壓力，kpa；tshoe表示套管鞋處溫度，k；aa表示井筒環(huán)空截面積，m²；pk表示壓井液靜液柱壓力，kpa；δpa'表示套管鞋以下環(huán)空壓耗。

井底條件下最大允許侵入體積為：

同理可得以套管抗內(nèi)壓強度的80％為約束條件、氣柱頂端到達井口時以防噴器工作壓力為約束條件，以及到達節(jié)流閥處時以節(jié)流閥工作壓力為約束條件的壓力平衡式。則其他3種情況分別得出在井底壓力條件下的最大允許侵入體積為：

pi表示套管抗內(nèi)壓強度，kpa；

pbop表示防噴器最大工作壓力，kpa；δpa表示套管內(nèi)環(huán)空壓耗。

ac表示節(jié)流管截面積，m²；tcv表示節(jié)流閥處溫度，k；pcv表示節(jié)流閥的最大工作壓力，kpa；hc表示節(jié)流管匯長度，m；

同時滿足四個約束條件的井底最大允許侵入體積滿足：

vmax＝min{vmax1,vmax2,vmax3,vmax4}

在本實施例中，對套管下深進行修正。根據(jù)圖2所示，發(fā)生井涌關(guān)井之后，鉆井液不循環(huán)，有如下壓力平衡關(guān)系：

hk(ρesd-ρi)+ih＝hshoe(ρfshoe-ρesd)

最大允許侵入體積可以用以下中間式表示：

其中，hk為井涌高度；i為井涌強度；ρfshoe為套管鞋處的破裂壓力當(dāng)量密度；aa為環(huán)空截面積。

由上式推導(dǎo)出套管的修正下深為：

實施例2

實施例2所述基于井涌余量的深水鉆井套管下深修正方法與實施例1相似，所不同的是，在步驟②中采用了以下公式計算鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度(ecd)：

或ρ(t,p)＝ρ0e^{a(t-26.67)+(b+ct)p}

或

或ρ＝ρ0e^γ(p,t)

γ(p,t)＝γp(p-p0)+γpp(p-p0)²+γt(t-t0)+γtt(t-t0)²+γpt(p-p0)(t-t0)

式中，ρ(t,p)為溫度t、壓力p時的鉆井液密度；

ρ0為溫度t0、壓力p0時的鉆井液密度；

a、b、c，γp，γpp，γt，γtt，γpt為鉆井液特性常數(shù)。

應(yīng)用上述算式之一計算得到的鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度(ecd)應(yīng)用于步驟⑦中

盡管具體地參考其優(yōu)選實施例來示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，可以作出形式和細節(jié)上的各種改變而不脫離所附權(quán)利要求書中所述的本發(fā)明的范圍。以上結(jié)合本發(fā)明的具體實施例做了詳細描述，但并非是對本發(fā)明的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍。