控壓鉆井井內(nèi)壓力預(yù)測(cè)方法研究-TM20140604資料

摘要隨著我國石油勘探和開發(fā)向深部復(fù)雜地區(qū)的不斷發(fā)展，鉆井工藝技術(shù)成為許多油田的瓶頸問題。尤其是針對(duì)窄安全密度窗口、井噴和井漏等鉆井復(fù)雜問題。針對(duì)這些問題，國內(nèi)目前所采用的主要手段的控壓鉆井技術(shù)。為了減少在鉆遇壓力敏感或安全壓力窗口狹窄等復(fù)雜地層時(shí)所產(chǎn)生的非生產(chǎn)時(shí)間，提高鉆井效率，不得不對(duì)井底的壓力進(jìn)行精確的控制和監(jiān)測(cè)，為此產(chǎn)生了“精細(xì)控壓鉆井技術(shù)”。本文在研究國內(nèi)外大量資料的基礎(chǔ)上，調(diào)研控壓鉆井技術(shù)裝備和控壓鉆井技術(shù)工藝流程，并對(duì)各工況下的工藝流程作了詳細(xì)說明。研究影響控壓鉆井井內(nèi)壓力的因素及其準(zhǔn)確性，對(duì)不同流變模型進(jìn)行優(yōu)選并建立了不同流變模式流體參數(shù)的計(jì)算模型，為現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)控壓鉆井提高了理論依據(jù)。結(jié)合現(xiàn)有的工藝技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，將精細(xì)控壓鉆井劃分為不同的工況，并根據(jù)不同的工況流程建立井內(nèi)壓力計(jì)算模型，能夠計(jì)算各個(gè)工況下的井內(nèi)壓力，其中包括井內(nèi)循環(huán)壓耗的計(jì)算模型和起下鉆波動(dòng)壓力的計(jì)算模型。最后結(jié)合塔中62-11H井的實(shí)例，驗(yàn)證其研究成果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。通過計(jì)算設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)比，兩者基本保持一致，說明研究成果能較好滿足實(shí)際的工程需求，對(duì)以后自主開展塔中復(fù)雜地層提供了巨大的幫助。關(guān)鍵詞：精細(xì)控壓鉆井；井內(nèi)壓力；壓力敏感；計(jì)算模型AbstractAsChina'soilexplorationanddevelopmenttocontinuetodevelopthecomplexareasofdeepdrillingtechnologybecomesthebottleneckprobleminmanyfields.Inparticular,complexissuefornarrowsafedrillingdensitywindow,wellblowoutsandspills.Tosolvetheseproblems,thecountryiscurrentlytheprimarymeansusedbyMPDtechnology.Inordertoreducenon-productivetimewhiledrillingpressure-sensitiveorsecuritypressuresnarrowwindowgeneratedbythecomplexformation,improvedrillingefficiency,hadtobottomholepressureforprecisecontrolandmonitoring,forgeneratinga"FineMPDtechnology.Onthebasisofresearchesonlargeamountsofdata,technologyresearchMPDequipmentandprocesstechnologiesinthisarticle,andallconditionsoftheprocessexplainedindetail.Effectsofcontrolledpressuredrillingthewellpressurefactorsandtheaccuracyofdifferentrheologicalmodelsandestablishedthemodelpreferredrheologicalmodeldifferentfluidparameters,foron-sitefineMPDraiseatheoreticalbasis.CombinedwiththeconstructionofexistingtechnologyandthescenewillbefineMPDdividedintodifferentworkingconditions,andtoestablishthewellpressurecalculationmodel,thewellpressurecanbecalculatedaccordingtothevariousconditionsofdifferentprocessconditions,includingthewellcirculatingpressurelosscalculationmodelandcalculationmodeltrippingpressurefluctuations.

Finally,theTZ62-11Hwell,verifyitsaccuracyandusefulnessoftheresearchresults.Bycontrastthedesignandcalculationofthescene,thetworemainedthesame,indicatingthatresearchprojectscanbettermeettheactualneedsofthefutureconductindependenttowercomplexformationprovidesgreathelp.Keywords:FineMPD;Downholepressure;PressureSensitivity;Calculatemodel目錄第1章緒論 51.1研究的目的和難題 51.1.1控壓鉆井技術(shù)的技術(shù)難題 51.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 61.2.1國外研究現(xiàn)狀 61.2.2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀 81.3研究主要內(nèi)容及思路 9第2章精細(xì)控壓鉆井技術(shù)設(shè)備與工藝 112.1控壓鉆井分類 112.1.1雙梯度MPD 112.1.2控制泥漿帽MPD（CMC） 112.1.3泥漿帽MPD（MCD） 132.1.4無隔水管MPD 152.1.5HSE(健康、安全、環(huán)保)MPD 162.2井筒壓力控制基本原理 162.3精細(xì)控壓鉆井技術(shù)裝備 182.4精細(xì)控壓鉆井工藝流程 20第3章井內(nèi)壓力影響因素研究 233.1溫度對(duì)壓力的影響 233.1.1溫度對(duì)鉆井液密度的影響 233.1.2溫度壓力對(duì)鉆井液流變性影響 253.2巖屑濃度對(duì)井內(nèi)壓力的影響 263.3環(huán)空多相流對(duì)壓力影響 27第4章井內(nèi)壓力預(yù)測(cè)模型 294.1井筒靜液柱壓力 294.1.1靜液柱壓力計(jì)算模型 294.1.2HTHP靜液柱壓力計(jì)算模型 304.2起下鉆工況下波動(dòng)壓力 314.2.1波動(dòng)壓力產(chǎn)生的原因 314.2.2波動(dòng)壓力 334.2.3穩(wěn)態(tài)下波動(dòng)壓力計(jì)算模型 344.3環(huán)空循環(huán)壓耗計(jì)算 354.4不同工況下的井底壓力計(jì)算 38第5章控壓鉆井模型的實(shí)際應(yīng)用 405.1TZ62-11H井的基本概況 405.2控壓鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例計(jì)算 435.3計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比 445.4效果評(píng)價(jià) 45結(jié)論 46致謝 47參考文獻(xiàn) 48第1章緒論1.1研究的目的和難題隨著我國石油勘探與開發(fā)向深部復(fù)雜地區(qū)的不斷發(fā)展，漏、塌、卡、窄密度窗口安全鉆井等問題日益突出，在許多油田已成為影響和制約石油勘探開發(fā)進(jìn)程與鉆井施工的技術(shù)瓶頸，從而國際上提出了控壓鉆井技術(shù)。隨著國內(nèi)對(duì)這方面技術(shù)的應(yīng)用，研究控壓鉆井顯得更有意義[1]?？刂茐毫︺@井(MPD)技術(shù)是指在油氣井鉆井過程中，能有效控制井筒液柱壓力剖面，達(dá)到安全、高效鉆井的鉆井技術(shù)?？貕恒@井允許在整個(gè)鉆井過程中，精確調(diào)整整個(gè)井筒的壓力，從而減少與壓力相關(guān)的問題，使井底壓力始終維持在安全密度窗口范圍內(nèi)。本文針對(duì)國內(nèi)外所出現(xiàn)的鉆井復(fù)雜問題，研究精細(xì)控壓鉆井計(jì)算模型，從而預(yù)測(cè)井底壓力，實(shí)現(xiàn)安全鉆井[2]。精細(xì)控壓鉆井通過控制井口回壓，可以解決很多常規(guī)鉆井方式無法解決的問題。在正常鉆井過程中，利用井口節(jié)流閥所產(chǎn)生的回壓控制井筒壓力，使井底壓力維持在安全范圍內(nèi)。在停止循環(huán)和接單根時(shí)，利用地面回壓泵產(chǎn)生短路回壓確保井底壓力不變。這些不僅可以有效解決窄密度窗口問題，而且能提高鉆井經(jīng)濟(jì)效益，減少非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間、降低鉆井成本[3]。由于國外的技術(shù)封鎖與裝備壟斷，考慮因素少，對(duì)于壓力敏感儲(chǔ)層，計(jì)算精度存在不足，無法完成精確控壓鉆井的閉環(huán)控制（準(zhǔn)確的儲(chǔ)層狀態(tài)預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)的井內(nèi)壓力測(cè)量、精確的井口套壓控制），難以實(shí)現(xiàn)立足于現(xiàn)有裝備實(shí)施控精確控壓鉆井，解決各種復(fù)雜地層鉆井技術(shù)難題的目的。在此條件下，作為一種解決方案，可以考慮采用通過計(jì)算井內(nèi)壓力來代替實(shí)測(cè)井內(nèi)壓力的方法。通過研究各個(gè)工況的工藝流程，建立相應(yīng)的井內(nèi)計(jì)算模型，就能基本滿足工程需求。通過這些先進(jìn)技術(shù)的研究，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的鉆井施工作業(yè)中，能夠解決窄安全密度口等鉆井復(fù)雜問題，達(dá)到安、快速、高效鉆井，從而提高我國整體的鉆井水平。1.1.1控壓鉆井技術(shù)的技術(shù)難題從鉆井地質(zhì)來看，窄安全窗口的主要問題如下：主要地層相關(guān)問題：(1)地層壓力高、破裂壓力低，壓力窗口窄；(2)地質(zhì)巖性、壓力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)；(3)同一裸眼井段中多套壓力層系；(4)地應(yīng)力較高，巖石遇水易發(fā)生膨脹，井壁容易坍塌；(5)井壁易塌、易漏、易縮徑；(6)超高壓、高含硫問題；主要施工工程問題：(1)窄密度窗口下的高密度鉆井液漏失；(2)出現(xiàn)涌漏同層、又涌又漏的情況；(3)深井溶洞性地層的密度置換問題；(4)常規(guī)套管結(jié)構(gòu)滿足不了施工需要；(5)漏層的地層壓力梯度差異較大，出現(xiàn)井下復(fù)雜情況；(6)深井和高溫高壓井循環(huán)壓耗過高，引起安全窗口不夠；1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀對(duì)于控壓鉆井技術(shù)，國外的研究相對(duì)靠前，在環(huán)空水力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面，相關(guān)的學(xué)者都進(jìn)行了細(xì)致的研究，從理論上來說，國外的技術(shù)比較成熟，而且進(jìn)行的實(shí)踐也比較多，在很多石油的開采中，都有已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)也要比國內(nèi)多很多，國內(nèi)的控壓鉆井技術(shù)與充氣欠平衡技術(shù)的整合很好，在實(shí)際的石油勘探中，也有一些實(shí)踐，但是考慮到設(shè)備的使用和維護(hù)非常貴，導(dǎo)致了控壓技術(shù)在我國的實(shí)踐非常少，根據(jù)我國的這種實(shí)際情況，對(duì)控壓鉆井技術(shù)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，大幅的降低了這個(gè)技術(shù)的使用成本，然后結(jié)合其他技術(shù)，簡化了整個(gè)技術(shù)的操作流程，這樣才能有效的解決我國石油勘探中鉆井技術(shù)的使用問題，由此可見，控壓鉆井技術(shù)要想在我國進(jìn)行更好的應(yīng)用，就必須從成本的角度和施工流程上進(jìn)行優(yōu)化，從整個(gè)石油勘探行業(yè)來看，鉆井技術(shù)的改革已經(jīng)勢(shì)在必行，尤其是在復(fù)雜的地理?xiàng)l件下，最新的控壓技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)施工中存在的一些問題，極大的改善了石油開采的水平[4]1.2.1國外研究現(xiàn)狀隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，從提高經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，對(duì)鉆井工程提出了更高的要求，減少非生產(chǎn)時(shí)間；降低單位進(jìn)尺成本。針對(duì)控壓鉆井技術(shù)能實(shí)現(xiàn)成功規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和提高機(jī)械鉆速的特點(diǎn)，國外逐步形成一套控壓鉆井的系統(tǒng)工藝?yán)碚摷跋鄳?yīng)的配套技術(shù)，如雙梯度鉆井技術(shù)、帶壓泥漿帽鉆井技術(shù)等。上世紀(jì)60年代后期，美國開始應(yīng)用控制壓力鉆井技術(shù)，近20年來使用閉合、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)鉆井，已成為陸地發(fā)展鉆井的一種技術(shù)。目前，在美國所有的陸地鉆井作業(yè)中，約1/4的井未使用閉合、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)；有1/4的井使用該系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)真正的欠平衡鉆井；1/4的井在應(yīng)用該系統(tǒng)鉆井時(shí)，需要使用可壓縮流體(空氣、天然氣、泡沫、霧)；1/4的井正在使用閉合、承壓的循環(huán)系統(tǒng)以MPD的某種形式進(jìn)行作業(yè)[5]。MPD技術(shù)在陸地鉆井和海上鉆井中，均獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。2001年10月，墨西哥灣半潛浮動(dòng)平臺(tái)第一次成功應(yīng)用雙梯度鉆井，墨西哥灣Mars張力腿平臺(tái)應(yīng)用MPD鉆井技術(shù)，有效降低井涌、井漏等事故發(fā)生概率。2004年7月，世界上第一次從浮式平臺(tái)上應(yīng)用加壓泥漿帽技術(shù)的鉆井作業(yè)完成。并且獲得巨大成功。同年8月，在安哥拉海域完成了第一口從帶有地面防噴器的自升式平臺(tái)上進(jìn)行的主動(dòng)型MPD鉆井作業(yè)的加壓泥漿帽鉆井方式。同年12月，墨西哥灣第一次在的外大陸架應(yīng)用MPD技術(shù)鉆井。2005年，Shell在Mars張力腿平臺(tái)上第一次使用先進(jìn)的MPD和DAPC技術(shù)，成功實(shí)施一口復(fù)雜目標(biāo)油藏井的鉆井任務(wù)。2005年，Transocean和Santos公司將地面防噴器技術(shù)與MPD技術(shù)相結(jié)合，在印尼海域水深683m的Sedec601半潛式平臺(tái)上進(jìn)行了應(yīng)用。Chevron公司的Transocean.sTrident自升式平臺(tái)，在非洲海上遇到漏失問題后采用了PMCD技術(shù)，使用Weatherford7100控制頭在鉆井過程中控制環(huán)空壓力。在墨西哥灣的得克薩斯Galveston南部，Unocal公司使用地面防噴器組，應(yīng)用CBHP技術(shù)從生產(chǎn)平臺(tái)上完成了井下壓力窗口狹窄的鉆井作業(yè)2006年，巴西石油公司采用控壓鉆井技術(shù)，分別進(jìn)行了4口井的試驗(yàn)。該控壓鉆井技術(shù)基于微流控制系統(tǒng)，試驗(yàn)證明該技術(shù)可以有效的控制溢流和井漏，從而成功規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。挪威石油公司將Varco公司的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于Kvitebjrn項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了在窄安全密度窗口的安全鉆進(jìn)，成功規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。Shell將動(dòng)態(tài)環(huán)空壓力控制技術(shù)應(yīng)用于墨西哥灣的AugerTLP油田，實(shí)現(xiàn)全井無漏失、無安全事故。斯倫貝謝研發(fā)的LIDS優(yōu)化鉆井技術(shù)，可以通過建立鉆前地質(zhì)力學(xué)模型和鉆進(jìn)過程中進(jìn)行ECD實(shí)時(shí)監(jiān)控，將ESD密度和ECD控制在合理的安全窗口之內(nèi)，避免或減少井漏和井涌事故的發(fā)生[6]。2007年，年威德福公司在沙特阿拉伯使用井底恒壓法壓力控制鉆井鉆得一口勘探井。由于83/8〞和57/8〞井眼剖面之間孔隙壓力變化范圍大，安全操作窗口窄，極易發(fā)生漏失，同時(shí)地層含硫化氫，易氣侵、水侵、鹽侵，使用常規(guī)鉆井除可能會(huì)遇到縮徑、溢流等一系列問題。鑒于以上情況威德福公司在以上兩個(gè)井段使用了井底恒壓壓力控制鉆井技術(shù)，通過精細(xì)控制井底壓力成功避免了地層流體侵入、井塌等問題，與鄰井相比，非工作時(shí)間大幅減少。自2004年至今，全世界已有超過50個(gè)海上MPD項(xiàng)目，在所有類型海洋鉆機(jī)應(yīng)用上都取得了成功，MPD技術(shù)在安全快速鉆井中發(fā)揮著越來越重要的作用[7]。斯倫貝謝研發(fā)的NDS優(yōu)化鉆井技術(shù)系統(tǒng)配有APWD井下測(cè)壓工具。在鉆進(jìn)中，APWD工具測(cè)量井底環(huán)空壓力并將結(jié)果實(shí)時(shí)地發(fā)送到地面，再將孔隙壓力梯度、破裂壓力梯度與當(dāng)前的ECD相比較，存在溢流或漏失風(fēng)險(xiǎn)時(shí)盡早預(yù)警可能出現(xiàn)的問題及地質(zhì)層位，以便做出決策。在其他工況下，當(dāng)泥漿停止循環(huán)時(shí)，APWD測(cè)量的結(jié)果僅存儲(chǔ)于工具的存儲(chǔ)器中，不能隨時(shí)發(fā)往地面，但可以在每次起鉆時(shí)取出這些數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析各種工況下ECD的變化，為鉆井液性能的調(diào)整以及起下鉆的操作程序等提供合理化建議。1.2.2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀由于國外公司的技術(shù)壟斷，國內(nèi)缺少精細(xì)控壓鉆井的關(guān)鍵裝備，嚴(yán)重的阻礙了精細(xì)控壓鉆井的應(yīng)用。國內(nèi)僅是在塔里木油田應(yīng)用了控壓鉆井，但也是由國外公司承包，不但花費(fèi)巨大，同時(shí)也未能完全實(shí)現(xiàn)通過引進(jìn)，掌握精細(xì)控壓鉆井的核心技術(shù)的主要目的。為此，國內(nèi)多家單位開展了精細(xì)控壓鉆井關(guān)鍵裝備，隨鉆井底壓力測(cè)量工具的攻關(guān)研究。2006年塔里木油田從西南石油大學(xué)引入“控壓鉆井(MPD)”技術(shù)。工程技術(shù)部井控欠平衡中心已經(jīng)先后完成了塔中722、塔中723、中古2和輪南633井的控壓鉆井任務(wù),并且取得了良好的效果。并在控壓鉆井的核心是控制井口回壓以達(dá)到控制井底壓力使之接近于地層壓力。在塔中和輪古地區(qū)使用這一技術(shù),解決了該地區(qū)鉆井的一系列難題,使鉆井技術(shù)更加成熟和完善。以塔中722井為例,由于采用了控壓鉆進(jìn)技術(shù)，同比塔中721井，節(jié)約鉆井液量1000m3，節(jié)約鉆進(jìn)時(shí)間一個(gè)月以上，減少了鉆進(jìn)過程中對(duì)地層的損害。2006年，中石化利用威德福的MPD技術(shù)在中國西南部四川省實(shí)施了九個(gè)月的硬巖層和酸性氣體鉆井作業(yè)，使鉆進(jìn)耗時(shí)減半。我國壓力控制鉆井技術(shù)研究剛剛起步，目前只利用該技術(shù)進(jìn)行了減少井漏方面的嘗試，沒有掌握其技術(shù)核心，很有必要開展深入的研究工作。2006年，油田公司在塔中62-27這一直井首次應(yīng)用該技術(shù)，在井深4929-5016m的三個(gè)井段進(jìn)行控壓鉆井試驗(yàn)。塔中62-13H井是油田公司部署在塔中I號(hào)斷裂坡折構(gòu)造帶上的第一口開發(fā)水平井，在三開階段實(shí)施注氮?dú)饪貕恒@井。在水平井實(shí)施注氮?dú)饪貕恒@井需要解決控制井底壓力和信號(hào)傳輸?shù)入y題。該井于2月11日開始控壓鉆井，至3月11日鉆至5370m完鉆。三開累計(jì)鉆進(jìn)651m水平，段長552m。其中注氣鉆進(jìn)6段，累計(jì)137.38m，純鉆71.5h。發(fā)現(xiàn)油氣顯示29層，厚102m，順利完成該井鉆井任務(wù)[8]。2008年3月19日塔里木油田公司塔中62-13H井成功完井轉(zhuǎn)試油，該井在鉆進(jìn)過程中成功應(yīng)用了注氣鉆井技術(shù)。這是油田公司首次在水平井中應(yīng)用該技術(shù)，為今后進(jìn)一步應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。注氣控壓鉆井是針對(duì)窄壓力窗口地層發(fā)生井漏時(shí)，通過注氣，調(diào)節(jié)井筒環(huán)空當(dāng)量鉆井液密度，達(dá)到窄壓力窗口地層安全鉆進(jìn)的一種欠平衡鉆井技術(shù)。近年來,四川欠平衡鉆井作業(yè)隊(duì)伍先后在渤海10號(hào)平臺(tái)、緬甸英雄區(qū)塊的多口井應(yīng)用控壓鉆井技術(shù),在鉆井液密度2.20g/cm3、噴漏同存、無法正常鉆進(jìn)的情況下，保護(hù)了油氣儲(chǔ)層安全鉆過井漏地層。隨著我國欠平衡鉆完井技術(shù)和裝備的完善，以及考慮全國各大油田的現(xiàn)狀，有理由相信，MPD技術(shù)在我國也一定會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景[9][10]。1.3研究主要主要內(nèi)容及思路技術(shù)路線1.3.1主要研究內(nèi)容本文針對(duì)目前國內(nèi)的鉆井工程中所出現(xiàn)的問題和需求，借鑒國外先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，在應(yīng)有現(xiàn)有控壓鉆井的基礎(chǔ)之上，針對(duì)精細(xì)控壓鉆井進(jìn)行研究。調(diào)研控壓鉆井技術(shù)的裝備，并分析井內(nèi)壓力的影響因素。建立精細(xì)控壓鉆井井內(nèi)壓力計(jì)算模型，形成一套完整的精細(xì)控壓鉆井工藝技術(shù)。其主要內(nèi)容如下：1）通過對(duì)現(xiàn)有控壓鉆井技術(shù)的分析調(diào)研，選擇精細(xì)控壓鉆井技術(shù)進(jìn)行研究。本文篩選出適合塔中地區(qū)的精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，解決鉆井工程面臨的技術(shù)難題，減少非生產(chǎn)時(shí)效，實(shí)現(xiàn)安全、快速鉆井。2）通過對(duì)精細(xì)控壓鉆井技術(shù)裝備的分析，分析控壓鉆井的技術(shù)原理和各個(gè)工況下的工藝流程，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施精細(xì)控壓鉆井技術(shù)提供工程措施。3）根據(jù)精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的原理，分析影響井內(nèi)壓力的因素，建立了正常、起下鉆工況計(jì)算的模型。了解精細(xì)控壓鉆井的主要參數(shù)計(jì)算方法，為進(jìn)行精細(xì)控壓鉆井的應(yīng)用提供理論依據(jù)。4）對(duì)塔中62-11H井進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)起下鉆工況補(bǔ)償回壓值進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證研究成果的實(shí)用性。1.3.2研究技術(shù)路線第2章精細(xì)控壓鉆井技術(shù)設(shè)備與工藝2.1控壓鉆井分類2.1.1雙梯度MPD雙梯度鉆井(Dual-GradientDrilling，簡稱DGD)，就是采取一定的措施使隔水導(dǎo)管內(nèi)的流體密度與海水密度接近(所有壓力均以海底為參考點(diǎn))，在同尺寸的井眼中產(chǎn)生兩個(gè)液柱梯度，使地層破裂壓力和孔隙壓力之間的余量相對(duì)增大。常規(guī)的海洋鉆井技術(shù)在同尺寸的井眼中只有一個(gè)液柱梯度，即井底壓力主要由水面(平臺(tái))到井底的泥漿液柱壓力來產(chǎn)生，孔隙應(yīng)力、破裂壓力和泥漿液柱壓力均以水面為參考點(diǎn)。而雙梯度的主要思想是采取一定的措施，使得同一井眼產(chǎn)生兩個(gè)液柱梯度(如圖2-1所示)，一般水面到井底為密度較小的泥漿或海水，而海底到井底為較重泥漿，即從水面到井底就存在兩個(gè)壓力梯度。這樣一方面可以減小隔水管的余量，另一方面，隔水管內(nèi)流體密度與海水密度相近，所有的壓力以海底為參考點(diǎn)，就像陸地鉆井一樣，破裂壓力和孔隙壓力之間的區(qū)域就相對(duì)變寬，可以較好地解決深水鉆探中安全壓力操作窗口窄的問題[11]。圖2-1雙梯度鉆井技術(shù)原理圖2.1.2控制泥漿帽MPD（CMC）控制泥漿帽鉆井(ControlMudCap，簡稱CMC)技術(shù)，是壓力控制鉆井技術(shù)在深海應(yīng)用的新發(fā)展，該系統(tǒng)與泥漿帽鉆井系統(tǒng)類似。雖然CMC系統(tǒng)還沒有完全用于生產(chǎn)，但在特隆赫姆的挪威科學(xué)技術(shù)研究院建立的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，己經(jīng)證實(shí)了CMC技術(shù)控制井底壓力的能力。CMC既能當(dāng)作開式循環(huán)系統(tǒng)又能當(dāng)作封閉式循環(huán)系統(tǒng)，它通過水下泥漿舉升泵調(diào)節(jié)泥漿帽在隔水管內(nèi)的位置，從而快速、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)井底壓力[12]。從總體上講，CMC鉆井設(shè)備由高壓隔水管、隔水管接頭、BOP組合、獨(dú)立的泥漿泵和獨(dú)立的泥漿返回管線組成。高壓隔水管上部充滿了地層釋放氣和空氣，因此即使在隔水管內(nèi)流動(dòng)的泥漿采用的是高重度泥漿，在套管鞋處得到的壓力也會(huì)較小。因隔水管上部的氣體占據(jù)了一定的空間，管內(nèi)泥漿柱的有效高度相對(duì)降低，因此套管鞋處產(chǎn)生的壓力會(huì)相對(duì)較小，這為采用高泥漿重度提供了空間。當(dāng)需緊急撤離時(shí)，由于隔水管液面較低會(huì)使隔水管底部靜液壓力低于隔水管外部同一深度處海水靜液壓力，從而增加撤離的安全性。此外，較低位置的鉆井液帽還能防止水合物的生成。CMC系統(tǒng)作為開式循環(huán)操作直至水下BOP的全封閘板被關(guān)閉為止[13]。具體壓力剖面見下圖2-2。圖2-2控制泥漿帽壓力剖面圖控制泥漿帽鉆井(CMC)具體設(shè)備裝配見圖2-3，主要設(shè)備特點(diǎn)有:（1）小內(nèi)徑承高壓隔水管若隔水管內(nèi)徑太大，會(huì)使管內(nèi)流速低，流體流動(dòng)產(chǎn)生的壓耗小，從而調(diào)節(jié)流量對(duì)井底壓力作用不明顯。淺海和中等水深海域鉆井中，高壓隔水管系統(tǒng)被證明是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效的方法。（2）兩套BOP組合CMC用于深水鉆井，井控設(shè)備一般由在水上和水下兩個(gè)防噴器組構(gòu)成。兩套防噴器組使CMC系統(tǒng)既能當(dāng)作開式循環(huán)系統(tǒng)操作，又能當(dāng)作封閉式循環(huán)系統(tǒng)操作。其中水上BOP的組件包括RCD和環(huán)形BOP，水下BOP主要是全封閘板。如果只使用水下防噴器組，RCD安裝在海底，這就需要很長的節(jié)流管匯將鉆井液返至平臺(tái)，海洋環(huán)境復(fù)雜節(jié)流管匯易受損壞。如果只安裝水上防噴器組，緊急撤離時(shí)，只能靠加重鉆井液然后關(guān)井，這將拖延撤離時(shí)間，增加風(fēng)險(xiǎn)。（3）水下泥漿舉升泵主要用來控制隔水管內(nèi)液面位置，從而完成對(duì)井底壓力控制，其與高壓隔水管接頭之間用一個(gè)高壓閥隔開。（4）泥漿返回管線關(guān)閉水下防噴器后，如果繼續(xù)有流體涌入井筒，就需要打開旁通管線上的閥體，使井內(nèi)氣體有控制的導(dǎo)出，減小上部設(shè)施承受的壓力。圖2-3控制泥漿帽鉆井設(shè)備組成圖2.1.3泥漿帽MPD（MCD）泥漿帽壓力控制鉆井(MudCapDrilling，簡稱MCD)有時(shí)稱為加壓泥漿帽壓力控制鉆井(PMCD)，鉆井過程中要在環(huán)空要形成鉆井液帽，通過調(diào)整泥漿帽的位置進(jìn)行壓力控制[14]。MCD需要的裝置包括：旋轉(zhuǎn)控制裝置(RCD)、泥漿帽專用泵、節(jié)流管匯等。MCD是能夠解決地層漏失嚴(yán)重問題的一種鉆井方法，它一般用于大段裂縫及含酸性氣體的地層鉆進(jìn)。MCD適用于高壓裂縫地層、孔洞型地層、含大量HZS地層、存在嚴(yán)重漏失的衰竭地層及老油田鉆新井等。MCD屬于“鉆井液失返鉆進(jìn)”的一種形式，在得克薩斯州和路易斯安那州的奧斯汀白至巖勘探期間其應(yīng)用得到發(fā)展。在奧斯汀白至紀(jì)灰?guī)r地層鉆進(jìn)過程中，鉆井液大量漏失，當(dāng)時(shí)采用了流動(dòng)鉆井（flowdrilling）技術(shù)，即在鉆進(jìn)時(shí)向環(huán)空注水，同時(shí)保持套壓低于旋轉(zhuǎn)控制裝置的壓力限制。隨著鉆井作業(yè)的發(fā)展與改進(jìn)，演化為MCD技術(shù)。圖2-4泥漿帽鉆井原理在MCD作業(yè)期間，用旋轉(zhuǎn)控制裝置封閉環(huán)空，將加重的高粘鉆井液泵入環(huán)空，將“犧牲流體”注入鉆柱，“犧牲流體”向上攜帶鉆屑，返至鉆頭之上的孔洞或裂縫中。環(huán)空“泥漿帽”可起到環(huán)空隔離的作用，避免油氣返出地面造成井口高壓，防止地層有毒氣體進(jìn)入大氣[15]。鉆井液循環(huán)流程見圖2-4。所謂“犧牲流體”一般為低密度、低成本的流體等。井底壓力靠重泥漿帽位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。由下圖2-5泥漿帽鉆井壓力剖面圖可知，環(huán)空流體存在兩個(gè)壓力梯度，第一個(gè)壓力梯度是由泥漿帽流體產(chǎn)生的，第二個(gè)壓力梯度是由“犧牲流體”產(chǎn)生。這樣既降低了鉆井液成本，又簡化了含鉆屑帶來的鉆井液處理工序[16]。圖2-5泥漿帽鉆井壓力剖面圖泥漿帽鉆井缺點(diǎn)在于泥漿帽位置較難確定，如果氣體突破泥漿帽則很難被檢測(cè)出，可能帶來井控難題，在海洋鉆井中向鉆柱中注海水鉆進(jìn)的話，需要對(duì)海水處理，防止腐蝕鉆柱，水下井口海洋鉆井中旋轉(zhuǎn)控制裝置在隔水管上安裝位置難確定，對(duì)其操作較難控制。2.1.4無隔水管控壓鉆井MPD所謂無隔水管鉆井技術(shù)，就是利用直徑相對(duì)較小的管線代替直徑較大的隔水管作為泥漿從海底返回平臺(tái)回路的一種鉆井技術(shù)，它主要應(yīng)用在深水環(huán)境中，一般用來鉆深水上部井眼。無隔水管鉆井中不使用隔水管，因此所有的壓力都以海底為參考點(diǎn)，這會(huì)使破裂壓力和孔隙壓力間隙相對(duì)變寬，從而發(fā)生井涌、井噴和井漏事故的概率大大降低。此外，無需多層套管體系，還可節(jié)省技術(shù)套管下入時(shí)間和固井時(shí)間，縮短建井周期，減少鉆井時(shí)間。其使用的設(shè)備主要有：水下旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備（SSRCD）和水下機(jī)器人（ROV）。ROV可以通過調(diào)節(jié)泥線上的節(jié)流閥開度來調(diào)節(jié)回壓。如果使用海水鉆進(jìn)，則返出的海水和巖屑就可以直接排到海中。圖2-6給出了如何利用回壓控制井眼壓力達(dá)到單梯度鉆井液可達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)[17]。壓力圖2-6無隔水管壓力控制鉆井原理圖2.1.5HSE(健康、安全、環(huán)保)MPDHSEMPD是IADC所列舉的MPD形式之一。與開式循環(huán)系統(tǒng)相比，HSEMPD應(yīng)用了閉合、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，一般在發(fā)生危險(xiǎn)而被迫停鉆后重新開鉆或鉆進(jìn)存在酸性氣體的地層時(shí)，應(yīng)用該技術(shù)。閉合的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)可防止地層氣體從鉆臺(tái)進(jìn)入大氣，因此可避免可能由HZS帶來的人員傷亡。地層氣體井筒后，由于系統(tǒng)閉環(huán)，到達(dá)地面設(shè)備可通過氣液分離設(shè)備將氣體分離，通過點(diǎn)火設(shè)備使其充分燃燒，從而避免其進(jìn)入大氣。由于該技術(shù)可對(duì)整個(gè)井眼提供精確的壓力控制，本身就比常規(guī)作業(yè)更安全，因此可以更好的解決由于井下壓力波動(dòng)所造成的涌、漏問題。2.2井筒壓力控制基本原理控壓鉆井是通過回壓泵和自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)調(diào)整井口回壓控制井底壓力，保持井底壓力處于恒定的一種先進(jìn)鉆井技術(shù)?？貕恒@井使平衡鉆井及近平衡鉆井成為可能。在常規(guī)鉆井中，由于沒有套壓的存在。靜止?fàn)顩r時(shí)井底壓力為靜水壓力，動(dòng)態(tài)時(shí)井底壓力為靜水壓力加環(huán)空壓力損耗，其環(huán)空壓力剖面如圖2-7所示。在正常鉆進(jìn)時(shí)，利用循環(huán)提供的摩擦壓耗來保證井底壓力微過平衡；在起下鉆、接單根、電測(cè)等作業(yè)中，利用回壓泵加回壓的方法，來補(bǔ)償由于停泵而損失的環(huán)空壓耗，進(jìn)而保持整個(gè)鉆井過程的微過平衡狀態(tài)，如圖2-8所示。圖2-7常規(guī)鉆井靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力剖面示意圖圖2-8精細(xì)控壓鉆井原理圖常規(guī)鉆井各作業(yè)情況下井底壓力的情況：（1）靜止?fàn)顟B(tài)，井底壓力=環(huán)形空間靜液壓力；2.正常循環(huán)時(shí)，井底壓力=環(huán)形空間靜液壓力+環(huán)形空間壓力損失；3.用旋轉(zhuǎn)防噴器循環(huán)鉆井液時(shí)，井底壓力=環(huán)形空間靜液壓力+環(huán)形空間壓力損失+旋轉(zhuǎn)防噴器的回壓；4.循環(huán)出氣涌時(shí)，井底壓力=環(huán)形空間靜液壓力+環(huán)形空間壓力損失+節(jié)流器壓力；5.起鉆時(shí)，井底壓力=環(huán)空靜液壓力+抽吸壓力；6.下鉆時(shí)，井底壓力=環(huán)空靜液壓力+激動(dòng)壓力；7.空井時(shí)，井底壓力=環(huán)空靜液壓力；8.關(guān)井時(shí)，井底壓力=環(huán)空靜液壓力+井口回壓+氣侵附加壓力；2.3精細(xì)控壓鉆井技術(shù)裝備為保證精細(xì)控壓鉆井的順利完成，配套的裝備是完成的關(guān)鍵。根據(jù)對(duì)環(huán)空壓力的控制程度，控壓鉆井系統(tǒng)采用不同的裝備，可分為5類。即：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)控制裝置、壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)、地面分離系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要工作就是匯總不同位置檢測(cè)到的數(shù)據(jù)如圖2-9所示，進(jìn)行綜合處理，采用專用軟件進(jìn)行模擬分析，最后自動(dòng)產(chǎn)生操作指令?？傃灾?，就是對(duì)比分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)全局檢測(cè)到的結(jié)果做一個(gè)統(tǒng)籌，然后產(chǎn)生相應(yīng)的控制操作，保證井底壓力穩(wěn)定。圖2-9精細(xì)控壓鉆井計(jì)算機(jī)系統(tǒng)回壓控制系統(tǒng)回壓控制主要分為以下幾個(gè)不同工況：鉆進(jìn)過程、接單根過程、起下鉆過程、和靜止情況。那么，回壓控制系統(tǒng)就是要滿足在不同工況下根據(jù)不同工況，及時(shí)調(diào)整井口回壓的大小，保持井底壓力恒定，即始終高于地層壓力一定數(shù)值[18]。鉆井所需的壓力剖面一經(jīng)確定，節(jié)流閥就會(huì)配合自動(dòng)控壓系統(tǒng)、水力學(xué)模型的控制下自動(dòng)調(diào)整，來補(bǔ)償當(dāng)環(huán)空流量增加或減小時(shí)造成的摩阻變化，保持靜液壓力、環(huán)空摩阻、地面回壓三者之間相對(duì)平衡。系統(tǒng)中應(yīng)用的控制系統(tǒng)是主動(dòng)性的，控制系統(tǒng)可以計(jì)算泥漿泵入速度與節(jié)流閥位管之間的相對(duì)關(guān)系，同時(shí)監(jiān)測(cè)泥漿泵速。泥漿泵入速度與計(jì)劃的泵入速度不同時(shí)，節(jié)流閥位置就會(huì)自動(dòng)作出調(diào)整來維持需要的井底壓力。主泵轉(zhuǎn)速降低，流量逐漸減小，導(dǎo)致環(huán)空壓耗減小，井筒模型實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)，由自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)節(jié)流閥回壓作出合理調(diào)整來滿足所需要的壓力。進(jìn)行接單根作業(yè)時(shí)，這一過程恰恰相反。當(dāng)重新開始泵入泥漿時(shí)，環(huán)空壓耗將持續(xù)上升，減小井口回壓，井筒模型將發(fā)送信號(hào)給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)需要調(diào)整節(jié)流閥位置直到鉆井泵全負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)泥漿泵轉(zhuǎn)速降低到?jīng)]有足夠的剩余回壓給節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)整時(shí)，控制器將會(huì)關(guān)閉節(jié)流閥，阻斷流動(dòng)通道，并隨之產(chǎn)生一系列問題。為了解決這一問題，則采用手動(dòng)控制來達(dá)到鉆井要求，并取得了一定的成效。此外增了加輔助泥漿泵，在自動(dòng)控制系統(tǒng)與泥漿泵控制器之間建立了通信連接，能夠精細(xì)協(xié)調(diào)節(jié)流閥開啟的大小和泵速之間的關(guān)系，在主泥漿泵關(guān)閉之前將輔助泥漿泵打開來提供足夠的回壓，為節(jié)流閥的自動(dòng)控制提供了前提條件[19]。旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCD）目前，旋轉(zhuǎn)控制裝置己經(jīng)成為控壓鉆井過程中的標(biāo)準(zhǔn)裝置，控壓鉆井中不再通過常規(guī)的靜水壓力準(zhǔn)則進(jìn)行鉆進(jìn)，而是通過一系列地面裝置控制井底壓力達(dá)到安全鉆進(jìn)的目的。旋轉(zhuǎn)控制裝置實(shí)現(xiàn)了環(huán)空的密封，從而在儲(chǔ)層流體大量涌入的過程中保證安全連續(xù)的鉆進(jìn)。壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)壓力閉環(huán)系統(tǒng)就是將鉆桿內(nèi)部和環(huán)空看成一個(gè)密閉、承壓的系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)井口回壓、鉆井液性能、泵排量等參數(shù)使這個(gè)密閉系統(tǒng)在井底表現(xiàn)出的壓力始終在一定的范圍內(nèi)。其中調(diào)節(jié)節(jié)流閥是重要的控制手段[20][21]。節(jié)流閥在控壓鉆井壓力控制過程中起到至關(guān)重要的作用，井底壓力和環(huán)空壓力的補(bǔ)償就是靠調(diào)整節(jié)流閥的開啟程度來控制的，從而維持設(shè)計(jì)的井底循環(huán)壓力，保證地面壓力和流速不會(huì)超過設(shè)備的額定值。節(jié)流閥的種類很多，按操作方式可分為手動(dòng)控制和機(jī)械控制；按自動(dòng)化程度可分為自動(dòng)和半自動(dòng)。由于手動(dòng)控制在信號(hào)檢測(cè)到控制動(dòng)作執(zhí)行之間會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，達(dá)不到最佳的控制效果，因此在控壓鉆井中大部分應(yīng)用的是機(jī)械控制，主要偏重于自動(dòng)控制。自動(dòng)控制是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，從信號(hào)的檢測(cè)到控制信號(hào)的傳送以及動(dòng)作的執(zhí)行都不需要人工介入，由信號(hào)探測(cè)器、信號(hào)處理器以及指令控制器等完成操作[22]。地面分離系統(tǒng)使用PWD隨鉆測(cè)壓工具，對(duì)井底壓力實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將檢測(cè)到的井底壓力數(shù)據(jù)信號(hào)及時(shí)傳送到井口的接收裝置，最后傳送至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)采用高精度液面檢測(cè)裝置對(duì)溢流和漏失檢測(cè)更精確，能夠檢測(cè)到微小溢流或漏失量，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)還包括立管壓力，出口流量、入口流量等數(shù)據(jù)。各項(xiàng)數(shù)據(jù)最終匯總在計(jì)算機(jī)中心系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行分析對(duì)比并采取相應(yīng)的操作。這樣才能做到對(duì)井底壓力控制更穩(wěn)定，更加接近地層壓力，能真正實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制壓力鉆井。2.4精細(xì)控壓鉆井工藝流程（1）精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)總體工藝布局，如圖2-10所示。圖2-10精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)總體布局圖通過讀取測(cè)壓接頭返回地面壓力接收器的數(shù)據(jù)，這樣來確定回壓泵配合自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)產(chǎn)生合理的回壓，這個(gè)回壓能滿足在鉆井過程中不同工況的需要，如接單根、起下鉆等工況。自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)由三部分組成分別為：工控機(jī)、工控箱和自動(dòng)節(jié)流管匯。工控機(jī)控制工控箱進(jìn)而操作相應(yīng)閥門產(chǎn)生合理的回壓。（2）正常鉆進(jìn)工況下工藝流程正常鉆進(jìn)過程中，鉆井液經(jīng)鉆柱到井底，通過鉆頭水眼從環(huán)空返出，經(jīng)過自動(dòng)節(jié)流管匯控制合理的井口回壓，再到分離器。達(dá)到順利鉆進(jìn)的目標(biāo)。圖2-11正常鉆進(jìn)工藝流程（3）起鉆工況下工藝流程起鉆工況下，工藝流程主要分為三個(gè)部分：按照接單根程序，停止循環(huán)。通過旋轉(zhuǎn)控制頭起鉆至直井段。全過程中，開啟回壓泵，通過自動(dòng)節(jié)流管匯產(chǎn)生合理的回壓在井底形成合理的微過壓力平衡。起鉆速度按照控壓鉆井工程師的指令，避免產(chǎn)生抽汲壓力。準(zhǔn)備打入泥漿帽，連接方鉆桿。起鉆至設(shè)計(jì)高度時(shí)，按照頂替方案打入泥漿帽繼續(xù)打入泥漿帽，直至返出地面。打入泥漿帽后，井口壓力為0MPa，檢查進(jìn)出口泥漿密度以及環(huán)空泥漿返出情況。如果檢查確實(shí)無溢流，按照控壓鉆井工程師建議的速度通過旋轉(zhuǎn)控制頭起鉆至井口。井下鉆桿全部起完時(shí)，確保井口壓力為0MPa。停止泥漿泵或固井泵車。保證井口壓力為0MPa，移開旋轉(zhuǎn)控制頭總成。當(dāng)鉆頭起到全封閘板防噴器以上時(shí)，關(guān)閉全封剪切閘板。（4）下鉆工況下工藝流程下鉆工況下，工藝流程主要分為三個(gè)部分：下鉆前，泥漿工程師準(zhǔn)備足夠的控壓鉆井泥漿進(jìn)行替漿，地面需有足夠的泥漿罐回收泥漿帽。全封剪切閘板保持關(guān)閉狀態(tài)。按照控壓鉆井工程師和定向井工程師指令，組合控壓鉆井鉆具組合。關(guān)閉泥漿泵或固井泵車。確認(rèn)井口壓力為0后，打開全封閘板。下控壓鉆井鉆具組合。安裝旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯和軸承總成，坐入外筒，關(guān)閉卡箍。按照控壓鉆井工程師建議的速度下鉆，減少激動(dòng)壓力。鉆頭下到泥漿帽之下。停止泥漿泵或固井泵車。接上方鉆桿，準(zhǔn)備循環(huán)控壓鉆井泥漿。按照頂替方案使用控壓鉆井泥漿替出泥漿帽。頂替后，循環(huán)控壓鉆井泥漿，確保自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。頂替結(jié)束后，停止循環(huán)，按照接單根程序卸開方鉆桿。通過自動(dòng)節(jié)流閥和回壓泵，在井口壓力控制模式下，按照接單根程序保持井底壓力。保持回壓泵提供補(bǔ)償套壓，保持井底壓力穩(wěn)定。下鉆到底，停止緩慢回壓泵。開主泥漿泵正常循環(huán)泥漿。井下情況穩(wěn)定后，重新開始控壓鉆進(jìn)。（5）接單根，停止循環(huán)時(shí)工藝流程鉆完一根鉆桿后，停轉(zhuǎn)盤，活動(dòng)方鉆桿，觀察井眼情況?；顒?dòng)鉆桿，循環(huán)保證井眼清潔。按照控壓鉆井排量循環(huán)，上提到接單根位置。啟動(dòng)回壓泵，通過節(jié)流閥循環(huán)。以至節(jié)流閥壓力與主循環(huán)線路平衡。司鉆在1分鐘內(nèi)將泵排量降至0。準(zhǔn)備好一臺(tái)泥漿泵，必要時(shí)作為備用回壓泵。慢慢卸掉鉆桿內(nèi)壓力和立管壓力。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)確認(rèn)立壓為0后，利用觀察軟管再次確認(rèn)。坐好吊卡，準(zhǔn)備接單根。關(guān)閉方鉆桿旋塞。連接鉆桿和方鉆桿。確保立管泄壓管匯上的所有閥門關(guān)閉(包括觀察軟管上的閥、門)。打開方鉆桿旋塞。開始轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿緩慢開泵，逐漸增加泥漿泵排量至鉆進(jìn)排量，停止回壓泵。保持井口壓力和立壓在接單根前的水平，直到PWD井底壓力讀數(shù)穩(wěn)定。重新開始控壓鉆進(jìn)。第3章井內(nèi)壓力影響因素研究要建立相應(yīng)的計(jì)算模型，應(yīng)用該模型進(jìn)行井筒壓力的計(jì)算，還有許多影響因素需要考慮，例如溫度壓力對(duì)鉆井液密度與流變性的影響、地層流體產(chǎn)出時(shí)的環(huán)空多相流動(dòng)的影響、環(huán)空巖屑的濃度等因素。本章主要針對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析，了解它們的變化對(duì)井筒壓力的影響，為后期的井內(nèi)壓力計(jì)算提供依據(jù)。3.1溫度對(duì)壓力的影響3.1.1溫度對(duì)鉆井液密度的影響井筒中鉆井液的溫度和壓力都隨井深增加而升高。溫度增加時(shí)的熱膨脹導(dǎo)致鉆井液密度降低，而壓力增加時(shí)的壓縮效應(yīng)使鉆井液密度升高。在特定的溫度分布下，這兩種對(duì)認(rèn)的效果相互補(bǔ)償、趨于抵消。針對(duì)控壓鉆井，對(duì)環(huán)空水力學(xué)模擬計(jì)算的精度要求高，因此必須詳細(xì)分析溫度、壓力對(duì)鉆井液密度的影響。此外，作業(yè)過程中，環(huán)空和鉆桿內(nèi)的溫度處于變化狀態(tài)，時(shí)間不同，溫度分布也不同。為獲取這兩種效應(yīng)對(duì)鉆井液密度的影響，必須計(jì)算溫度動(dòng)態(tài)分布。計(jì)算假設(shè)條件：（1）不考慮井筒軸向熱傳導(dǎo)（所占的比重非常小，可以忽略）；（2）地層到環(huán)空為穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)，不考慮地層中的熱對(duì)流和熱源；（3）地層各熱物性參數(shù)不隨溫度和壓力變化；（4）鉆井液熱物性參數(shù)不隨溫度壓力變化，不考慮鉆井液壓縮性；（5）鉆井液之間不存在徑向上的溫度梯度；（6）管內(nèi)和環(huán)空的鉆井液性能一致。用于描述溫度、壓力對(duì)鉆井液密度影響的方法有多種。概括起來，鉆井液密度隨壓力、溫度的變化模式分為2種：復(fù)合模式、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。根?jù)研究中所涉及的鉆井液特性，選用一種修正的復(fù)合模型，表達(dá)式為：（3-1）式中，，和為模型特征參數(shù)，為模型修正參數(shù)；，，3為水的特性參數(shù)，=－2.2139×10-4，=－5.0123×10-7，=－3.0997×10-6。通過對(duì)環(huán)空溫度分布規(guī)律可以得出ESD計(jì)算公式，即鉆井液的當(dāng)量靜態(tài)密度公式：（3-2）式中，ESD為當(dāng)量靜態(tài)鉆井液密度，g/cm3；為鉆井液密度，g/cm3；H為井深，m。圖3-1是地層溫度對(duì)鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度的影響。可以看出，隨井深增加，ESD降低。地溫梯度越大，即井底溫度越高，ESD的值越小。在3種不同的井底溫度下，ESD的變化趨勢(shì)相同，但井底溫度越高，ESD下降速度越快。在井底溫度達(dá)到175℃時(shí)，井底的鉆井液密度僅為0.99g/cm3，與地表密度1.08g/cm3相比下降了8.33%。因此，在高溫、高壓井進(jìn)行環(huán)空水力計(jì)算時(shí)，必須考慮溫度、壓力對(duì)鉆井液密度的影響。圖3-1井底溫度對(duì)鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度（ESD）的影響地溫梯度對(duì)鉆井液的影響：從圖3-2可知，在地層壓力系數(shù)一定的情況下(即壓力值相同)，同一井深處地溫梯度值越大，此處溫度值就越大，鉆井液密度值也越低。圖3-2地溫梯度與鉆井液密度的關(guān)系3.1.2溫度壓力對(duì)鉆井液流變性影響常規(guī)環(huán)空水力學(xué)計(jì)算中很少考慮溫度、壓力對(duì)鉆井液流變性的影響。但是，一些研究結(jié)果表明，溫度、壓力對(duì)鉆井液流變性存在一定影響。總體來講，在壓力相同條件下，溫度升高，剪切力變??；在溫度相同條件下，剪切力隨壓力的增大而增大。對(duì)本研究的低密度無固相水基鉆井液，井底溫度不超過140℃，井底壓力小于60MPa，環(huán)空流動(dòng)處于低剪切速率范圍，采用數(shù)據(jù)回歸可較好反映鉆井液流變性能[23]。構(gòu)造一個(gè)函數(shù)關(guān)系用于表示低剪切速率條件下鉆井液剪切力與溫度、壓力的關(guān)系式：（3-3）式中，是一定剪切速率下，剪切應(yīng)力關(guān)于壓力和溫度的函數(shù)；是1個(gè)大氣壓、室溫條件下的剪切應(yīng)力。~為待回歸的系數(shù)，無因次。下面給出視粘度隨溫度、壓力變化的計(jì)算公式[24]：(3-4)其中壓力影響較小，如果忽略，則計(jì)算公式為：(3-5)式中：為常溫下的視粘度，Pa.s；為大氣壓，Pa；為室溫，0C；~；為待回歸的系數(shù)，無因次。要使用該公式計(jì)算溫度、壓力對(duì)視粘度的影響，需要測(cè)出幾組不同壓力、溫度下的鉆井液測(cè)量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)壓力、溫度下的視粘度，得到一組不同溫度、壓力下的視粘度數(shù)據(jù)，代入式(3-4)就可計(jì)算出待回歸的系數(shù)。這樣井筒中鉆井液的視粘度受壓力、溫度的影響就可以使用式(3-4)進(jìn)行表達(dá)。3.2巖屑濃度對(duì)井內(nèi)壓力的影響在鉆進(jìn)過程中，環(huán)空的流動(dòng)為固液兩相流動(dòng)。環(huán)空中的巖屑會(huì)給井底產(chǎn)生附加的壓力，附加壓力的大小與環(huán)空巖屑濃度密切相關(guān)。環(huán)空巖屑產(chǎn)生的附加壓力的計(jì)算公式為：（3-6）式中：是環(huán)空的巖屑濃度，%，為巖屑密度，kg/m3；為鉆井液密度，kg/m3；H為井深，m；為環(huán)空巖屑產(chǎn)生的附加壓力，Pa?？筛鶕?jù)環(huán)空固液兩相流動(dòng)的理論建立計(jì)算公式，這里給出Bhattacharya建立的公式：（3-7）式中：為鉆頭直徑，m；為機(jī)械鉆速，m/s；為巖屑下滑速度，m/s；，是環(huán)空速度分布系數(shù)因子(一般取1)，無因次。使用Moore公式來計(jì)算巖屑的沉降速度：（3-8）式中：Ds為巖屑顆粒平均直徑，m。在一定的情況下，環(huán)空巖屑濃度隨鉆井液排量的升高而降低。在層流條件下，巖屑濃度受排量的影響較大，而紊流下受排量的影響較小，當(dāng)排量大到一定程度，巖屑的濃度基本不再變化。因附加壓降與環(huán)空巖屑的濃度密切相關(guān)，故巖屑產(chǎn)生的附加壓降隨著排量的增加而降低。但是環(huán)空一般為層流流動(dòng)，其產(chǎn)生的附加壓降因素不能忽略，故在鉆進(jìn)時(shí)的水力計(jì)算中必須加以考慮。不同井深、不同機(jī)械鉆速，環(huán)空巖屑對(duì)多相流井底壓力的影響也不一樣。從圖3-2和3-3可以看出，隨著機(jī)械鉆速加快，井筒內(nèi)巖屑含量上升，井底壓力也增大，最高可以增加3至4MPa。隨著井深的增加，密度降低，環(huán)空巖屑引起的井底壓力的增量也越來越大。因此，對(duì)于深井低壓流鉆欠平衡鉆井來說，環(huán)空巖屑的影響很大。其誤差有時(shí)高于設(shè)計(jì)的井底負(fù)壓值，造成井底過平穩(wěn)，從而影響勘探效果。圖3-3不同機(jī)械鉆速時(shí)環(huán)空巖屑對(duì)井底壓力的增量影響曲線圖3-4不同鉆井液密度下環(huán)空巖屑影響井底壓力增量曲線3.3環(huán)空多相流對(duì)壓力影響環(huán)空流動(dòng)中，摩阻系數(shù)對(duì)環(huán)空壓降影響非常大，為了使環(huán)空壓耗的計(jì)算結(jié)果更加精確，研究摩阻系數(shù)是非常重要的手段之一[25][26][27][28]。（1）泡狀流根據(jù)范寧公式，其摩阻壓降梯度為：（3-9）式中：摩阻系數(shù)可采用1981年Chen提出的摩阻系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：（3-10）式中：；為管壁相對(duì)粗糙度，取=0.5；為多相流動(dòng)混相雷諾數(shù)，無因次。（2）段塞流&過渡流對(duì)于段塞流，通常只需考慮液體塞部分的流阻損失，且在段塞流中在液體段塞沿著液膜向上流動(dòng)。但也有小部分液體沿著液膜向下流動(dòng)，距離為（），故相應(yīng)地摩阻壓降梯度計(jì)算式可表示為：（3-11）上式中：Re為液相雷諾數(shù)，為段塞流摩阻系數(shù)，應(yīng)用時(shí)只需將相關(guān)式中的混相雷諾數(shù)換為液相雷諾數(shù)。（3）環(huán)狀流環(huán)狀流動(dòng)的摩阻來自氣芯流體的高速運(yùn)動(dòng)。在環(huán)狀流中，液體大部分通常以液滴的形式被攜帶于中央氣流(氣芯)之中，因此管子中央氣芯部分的流體密度不同于單相氣體的密度；同時(shí)，管壁附近的液膜表面是一個(gè)不穩(wěn)定的“粗糙”面。這時(shí)，假定液滴的速度與核心的氣體速度相等，故相應(yīng)的摩阻壓降梯度計(jì)算關(guān)系式可表示為：（3-12）式中：；為綜合流體的密度；為氣芯混合流體氣相雷諾數(shù)，。第4章井內(nèi)壓力預(yù)測(cè)模型4.1井筒靜液柱壓力在精細(xì)控壓鉆井中，各種不同條件下其井內(nèi)靜液柱壓力的計(jì)算也不相同，分析不同工況下的影響因素，對(duì)各工況下的井筒壓力進(jìn)行計(jì)算。4.1.1靜液柱壓力計(jì)算模型靜液柱壓力在靜止的工況下，井筒中的靜液柱壓力是由鉆井液自身重力產(chǎn)生的壓力，它等于液體的密度和靜液柱垂深與重力加速度三者的乘積，其表達(dá)式如下：（4-1）式中：表示靜夜柱壓力，；表示靜液柱垂直高度，；表示鉆井液密度，；（2）井筒中多種不同流體的靜液柱壓力計(jì)算[29]在鉆井過程中，隨著深度的不斷增加，地層壓力也不斷發(fā)生變化。因次對(duì)于許多復(fù)雜地層，所用的鉆井液也不相同，所以整個(gè)過程中可能運(yùn)用多種不同體系的鉆井液。這樣就有了復(fù)合鉆井液靜夜柱壓力的計(jì)算方法，其表達(dá)式如下：（4-2）圖4-1不同密度流體靜液柱壓力4.1.2HTHP靜液柱壓力計(jì)算模型前面一節(jié)中所說的靜液柱壓力的計(jì)算是鉆井液密度的函數(shù)，此公式中，視鉆井液的密度保持不變。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于溫度壓力不斷變化，鉆井液的密度也將不斷改變。溫度的升高，鉆井液體積膨脹密度減??；壓力增大，鉆井液體積壓縮密度升高。工程中得出高溫高下的靜夜柱壓力計(jì)算公式：（4-3）通過式(4-18)及回歸經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算4000-5000m，靜液柱壓力隨著鉆井液密度的變化而發(fā)生改變。高溫高壓靜液柱壓力計(jì)算模型和常規(guī)靜液柱壓力計(jì)算模型對(duì)比如圖4-2。圖4-2靜液柱壓力對(duì)比計(jì)算結(jié)果從圖4-2可知，5000m的井深高溫高壓下鉆井液的密度對(duì)井底的影響更大，井底的鉆井液密度為不變常數(shù)，此時(shí)井底壓力為52.97?？紤]鉆井液的密度隨溫度壓力變化而不斷改變，井底壓力為51.99，相差約為0.98。對(duì)井下復(fù)雜情況和窄安全密度窗口來說，極易引起井下復(fù)雜鉆井事故。4.2起下鉆工況下波動(dòng)壓力4.2.1波動(dòng)壓力產(chǎn)生的原因伯克哈特在理論和實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上總結(jié)出了產(chǎn)生波動(dòng)壓力是由以下原因引起的：（1）管柱從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因克服井內(nèi)鉆井液靜切力而引起的井內(nèi)壓力激動(dòng)。（2）管柱運(yùn)動(dòng)引起井內(nèi)鉆井液動(dòng)量變化。（3）管柱以速度vp運(yùn)動(dòng)排開的井內(nèi)流體和管柱粘附的流體疊加，其流動(dòng)方向與管柱運(yùn)動(dòng)方向相反，流動(dòng)克服環(huán)空流道沿程阻力而引起井內(nèi)波動(dòng)壓力。引起井內(nèi)波動(dòng)壓力的三個(gè)原因出現(xiàn)在同一過程的不同時(shí)刻，伯克哈特認(rèn)為在一般情況下，最大井內(nèi)波動(dòng)壓力值是鉆井液在環(huán)空流動(dòng)克服沿程摩阻引起的。起下鉆工況下，由于上提管柱會(huì)產(chǎn)生抽汲壓力下放管柱會(huì)導(dǎo)致激動(dòng)壓力，如果壓力值過大將會(huì)引起井噴或井漏，壓力值的大小與鉆井液密度、起下鉆速度珠、鉆井液流性指數(shù)。和稠度系數(shù)K，環(huán)空間隙大小有關(guān)[30]。鉆柱與鉆頭的組合不同，致使環(huán)空的間隙不同，導(dǎo)致波動(dòng)壓力也會(huì)不同。鉆井液密度1.40g/cm3，管柱運(yùn)動(dòng)速度0.6m/s，流體粘附系數(shù)0.5，稠度系數(shù)0.3，粘性指數(shù)0.6為條件，井深為1000m，不同環(huán)空間隙波動(dòng)壓力計(jì)算值的大小。如表4-1、圖4-3所示。圖4-3不同環(huán)空情況對(duì)波動(dòng)壓力的影響表4-1不同環(huán)空情況對(duì)波動(dòng)壓力的影響組數(shù)鉆頭直徑mm鉆柱外徑mm環(huán)空間隙密度g/cm3起鉆速度m/s泵的排量L/s流性指數(shù)稠度系數(shù)波動(dòng)壓力1215.9177.8212177.8127653152.488.9274177.888.987起下鉆時(shí)，波動(dòng)壓力大小與鉆井液密度，起下鉆速度、稠度系數(shù)K和鉆井液流性指數(shù)n相關(guān)，鉆井液密度1.40g/cm3，柱運(yùn)動(dòng)速度0.6m/s，流體粘附系數(shù)0.5，管粘性指數(shù)0.6，稠度系數(shù)0.3為條件。密度、起下鉆速度、排量大小、流性指數(shù)和稠度系數(shù)，每一項(xiàng)的影響因素均分別每次擴(kuò)大25%，計(jì)算結(jié)果如圖4-4所示。圖4-4起下鉆情況下對(duì)波動(dòng)壓力的影響從圖4-3和圖4-4可以得出以下結(jié)果：（1）隨鉆井液密度升高，波動(dòng)壓力逐漸增大；起下鉆速度也隨著升高，波動(dòng)壓力增大；泵排量升高，波動(dòng)壓力增大；鉆井液流性指數(shù)和稠度系數(shù)變大，均使波動(dòng)壓力升高。（2）起下鉆速度對(duì)波動(dòng)壓力的影響最大，故為了避免波動(dòng)壓力過大，應(yīng)當(dāng)盡量減小短起劃眼起下鉆速度，成功規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。（3）由于鉆頭與鉆柱的組合結(jié)構(gòu)不同，致使環(huán)空的間隙也不同，因此不同的鉆柱尺寸情況下其波動(dòng)壓力也不同，從圖4-3可以看出環(huán)空間隙越小，起下鉆波動(dòng)壓力也越大。4.2.2不同工況下環(huán)空平均流速波動(dòng)壓力管柱在充有鉆井液的井內(nèi)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生附加壓力。下放管柱產(chǎn)生的附加壓力主要是激動(dòng)壓力，上提管柱產(chǎn)生的附加壓力主要是抽汲壓力。波動(dòng)壓力以彈性波的方式在井內(nèi)傳播，這兩個(gè)壓力稱為管柱在充有流體的井內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的波動(dòng)壓力。起下鉆工況下，導(dǎo)致產(chǎn)生井下復(fù)雜情況，主要原因是在起下鉆過程中波動(dòng)壓力造成井內(nèi)壓力平衡體系被打亂。特別是在碳酸鹽巖裂縫性儲(chǔ)層，其安全密度窗口很窄，起鉆產(chǎn)生的抽汲會(huì)導(dǎo)致溢流；下鉆產(chǎn)生的激動(dòng)壓力致使發(fā)生井漏。當(dāng)管柱在井內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于粘滯效應(yīng)，管柱表面的流體將以速度與管柱一起運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)管柱為剛性假設(shè)條件下，運(yùn)動(dòng)管柱將沿軸向運(yùn)動(dòng)速度為一恒定常數(shù)。因此，粘附于管壁上行或下行的流體立刻與進(jìn)入環(huán)空上行或下行的流體一起以速度流動(dòng)。粘附力引起的環(huán)空流速與管柱運(yùn)動(dòng)速度、流體流變性、流道幾何尺寸有關(guān)，數(shù)學(xué)公式如下式所示：（4-4）式中：為流體粘附系數(shù)，無因次?？紤]鉆井液粘附作用時(shí)，管柱運(yùn)動(dòng)引起的環(huán)空流速計(jì)算公式如下：堵口管（關(guān)泵）：（4-5）開口管（開泵）：（4-6）紊流時(shí)取0.5，冪律流體為層流時(shí)，鉆井液粘附系數(shù)，取值如圖4-5。圖4-5鉆井液粘附系數(shù)在正常起下鉆的過程中，均會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)壓力。在下放管柱速度很慢時(shí)，產(chǎn)生的波動(dòng)壓力值也比較小，工程上可以忽略不計(jì)。波動(dòng)壓力的計(jì)算方法目前主要有三種，瞬態(tài)波動(dòng)模型、伯克哈特的穩(wěn)態(tài)模型和擬瞬態(tài)模型。瞬態(tài)波動(dòng)壓力模型更接近于真實(shí)值，但是采用有限差分法的瞬態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算分析，其求解難度比穩(wěn)態(tài)模型多出一個(gè)數(shù)量級(jí)，并不適用有現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。4.2.3穩(wěn)態(tài)下波動(dòng)壓力計(jì)算模型起下鉆波動(dòng)壓力峰值主要是由鉆井液靜切力、粘滯阻力和管柱慣性力引起的。其中鉆井液粘滯阻力影響最大。鉆井液靜切力引起的波動(dòng)壓力因?yàn)殂@井液具有一定的靜切力，在管柱運(yùn)動(dòng)過程中，管柱運(yùn)動(dòng)會(huì)攜帶周圍的鉆井液一起運(yùn)動(dòng)，造成井筒內(nèi)壓力波動(dòng)。鉆井液靜切力引起的抽吸壓力的大小與運(yùn)動(dòng)管柱長度、管柱外徑、井筒直徑和靜切力的大小有關(guān)系。其表達(dá)式為：（4-7）式中： 為靜切力引起的抽汲壓力，；為運(yùn)動(dòng)鉆柱的長度，；為井筒內(nèi)流體的靜切力，。慣性引起的井內(nèi)抽吸壓力管柱在井筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的波動(dòng)壓力的大小與井筒內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)量有關(guān)。因此引起的波動(dòng)壓力與鉆井液密度、加速度、井筒直徑、鉆柱長度及管柱外徑有關(guān)。當(dāng)管柱為堵口管（關(guān)泵）時(shí)，波動(dòng)壓力表達(dá)式為：（4-8）式中：為慣性引起的波動(dòng)壓力，；為環(huán)空流體的加速度，；為鉆井液的密度，。粘滯阻力引起的波動(dòng)壓力管柱在井內(nèi)運(yùn)行過程中附著于管柱周圍的流體會(huì)一定的速度一起運(yùn)動(dòng)，而管柱排開這些流體并克服粘滯力會(huì)引起井筒內(nèi)的壓力波動(dòng)。而該波動(dòng)壓力的大小與鉆井液密度、管柱長度、管柱運(yùn)行速度、井筒直徑、管柱外徑及摩阻系數(shù)有關(guān)。根據(jù)流態(tài)判別公式，確定雷諾數(shù)的大小，所以可得出鉆井液粘滯阻力引起的波動(dòng)壓力，其計(jì)算公式如下：（4-9）式中：為粘滯阻力引起的波動(dòng)壓力，；為運(yùn)動(dòng)管柱的長度，；為摩阻系數(shù)，無因次。層流時(shí)的摩阻系數(shù)的計(jì)算公式：（4-10）塑性流體紊流摩阻系數(shù)計(jì)算：冪律流體紊流狀態(tài)時(shí)的摩阻系數(shù)計(jì)算公式：（4-11）（4-12）（4-13）根據(jù)以上可以得到總的波動(dòng)壓力為：（4-14）4.3環(huán)空循環(huán)壓耗計(jì)算環(huán)空壓耗的計(jì)算是井內(nèi)壓力計(jì)算非常重要的參數(shù)，其影響因素也很多，考慮的因素也比較多，所以要精確計(jì)算出其值也較為復(fù)雜和繁瑣。在工程中的計(jì)算，直井內(nèi)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)鉆柱偏心問題，因此在考慮此因素的基礎(chǔ)上計(jì)算環(huán)空壓耗的損失。在水平井段內(nèi)，由于巖屑在水平井段內(nèi)的堆積，巖屑床會(huì)影響環(huán)空壓耗的計(jì)算結(jié)果。流體在井內(nèi)流動(dòng)過程中，如果流速變化，流態(tài)就會(huì)不相同。那么由于流速不同也會(huì)致使雷諾數(shù)不同。通過計(jì)算雷諾數(shù)，進(jìn)行判斷流態(tài)，從而計(jì)算出環(huán)空壓耗的值。雷諾數(shù)的計(jì)算在石油工程行業(yè)中，通常認(rèn)為Re>2100時(shí)，流體一般為紊流，當(dāng)Re<2100時(shí)，流體為層流。在進(jìn)行環(huán)空壓耗計(jì)算時(shí)，不同流態(tài)其計(jì)算的結(jié)果也相差比較大，因此，要想正確計(jì)算出環(huán)空壓耗，對(duì)流體的判別相當(dāng)重要。環(huán)空雷諾數(shù)計(jì)算公式：（4-15）從上式可以看出，環(huán)空間隙、流速、密度都是己知的，要判別流態(tài)需要對(duì)有效粘度進(jìn)行計(jì)算。有效粘度計(jì)算1.賓漢模式賓漢流體的方程式：（4-16）其中兩個(gè)重要的參數(shù)：動(dòng)切力和塑性粘度，這兩個(gè)參數(shù)由Fann粘度計(jì)求得，代入下列公式可求得動(dòng)切力和塑性粘度：（4-17）（4-18）式中：的單位是Pa，的單位是。環(huán)空的有效粘度為：（4-19）2.冪律模型其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（4-20）上式中：——鉆井液的稠度系數(shù)，；——鉆井液的流性指數(shù)，無因次；環(huán)空和鉆桿內(nèi)流體有效粘度的表達(dá)式為：（4-21）3.牛頓模型其速度梯度與內(nèi)摩擦力的大小成正比的，低粘性的流體即為牛頓流體。剪切力與剪切應(yīng)變之間滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：（4-22）上式中：為剪切應(yīng)力，；為剪切速率，；為動(dòng)力粘度，；環(huán)空內(nèi)有效粘度為：（4-23）4.H-B流體環(huán)空內(nèi)有效粘度計(jì)算公式：（4-24）式中：為有效粘度，；為塑性粘度，；為屈服值，；為環(huán)空內(nèi)徑，；為環(huán)空外徑，；為環(huán)空流速，；為稠度系數(shù)，；為流行指數(shù)，無因次；為H-B模式的動(dòng)切力，；直井段環(huán)空壓耗精細(xì)計(jì)算模型在一般的鉆井過程中，對(duì)于直井眼的環(huán)空壓耗計(jì)算都必須考慮鉆柱偏心對(duì)其計(jì)算的影響。在此引進(jìn)偏心修正系數(shù)，使計(jì)算結(jié)果更加精確。井內(nèi)鉆柱偏心分為兩種：完全偏心和正弦偏心。完全偏心的情況一般比較少見，它是指鉆柱完全緊貼井壁低邊的情況。而正弦偏心是指，鉆柱在井眼內(nèi)如同正旋曲線式的彎曲。完全偏心表達(dá)式：（4-25）正弦偏心：（4-26）偏心修正系數(shù)：（4-27）式中：為偏心率，無因次；為鉆柱接頭外徑，；為井徑，；為鉆柱外徑，；為轉(zhuǎn)速，；為環(huán)空外徑，；為環(huán)空內(nèi)徑，。一般來說，當(dāng)雷諾數(shù)小于2100時(shí)，流體為層流；當(dāng)雷諾數(shù)大于2100時(shí)，流體為紊流。通過流態(tài)的判別，正確選擇流態(tài)，計(jì)算出環(huán)空壓耗，其表達(dá)式如下：（4-28）4.4不同工況下的井底壓力計(jì)算要建立井內(nèi)壓力的預(yù)測(cè)模型，必須先要分析各個(gè)工況下的井內(nèi)壓力的組成，為后期做好準(zhǔn)備工作。精細(xì)控壓鉆井通過控制井內(nèi)回壓來調(diào)整井內(nèi)壓力，以始井內(nèi)壓力保持平衡，實(shí)現(xiàn)安全鉆井，提高機(jī)械鉆速。精細(xì)控壓鉆井是一種微過平衡鉆井，可以減少各種井下復(fù)雜事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。圖4-6各個(gè)工況下的井內(nèi)壓力各工況下井內(nèi)壓力所需滿足的平衡關(guān)系式如下：停鉆接單根井內(nèi)壓力平衡關(guān)系：（4-29）正常鉆進(jìn)井內(nèi)壓力平衡關(guān)系：（4-30）下鉆井內(nèi)壓力平衡關(guān)系：（4-31）起鉆井內(nèi)壓力平衡關(guān)系：（4-32）由圖4-6和上面的關(guān)系式可得，回壓是控壓鉆井的核心，通過對(duì)回壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使井底保持動(dòng)態(tài)平衡。通過對(duì)循環(huán)壓耗、靜液柱壓力、起下鉆時(shí)的波動(dòng)壓力計(jì)算模型，這是精細(xì)控壓鉆井的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第5章控壓鉆井模型的實(shí)際應(yīng)用5.1TZ62-11H井的基本概況（1）地理位置簡介TZ62-11H井位于新疆維吾爾自治區(qū)，巴音郭楞蒙古自治州且末縣境內(nèi)，塔中44井以西475m的地方。塔中62-11H井位于塔里木盆地塔克拉瑪干大沙漠腹地，地表為浮動(dòng)沙丘，沙丘相對(duì)高程在100m左右。全年氣候干旱少雨，風(fēng)沙較多，冬夏及晝夜溫差比較大，最大時(shí)可達(dá)到24，屬于典型的暖溫帶大陸性極端干旱的荒漠性氣候?；緮?shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表（5-1）所示?；緮?shù)據(jù)井號(hào)塔中62-11H井別開發(fā)井井型水平井地理位置新疆且末縣境內(nèi)，距塔中44井以西476m構(gòu)造位置-井口坐標(biāo)設(shè)計(jì)X-復(fù)測(cè)X-Y-Y-地面海拔設(shè)計(jì)1119復(fù)測(cè)1126.79水平井靶心數(shù)據(jù)完鉆井深5452完鉆層位奧陶系完鉆原則水平段500進(jìn)尺靶點(diǎn)設(shè)計(jì)靶點(diǎn)層位井深/垂深坐標(biāo)半徑（m）方位(。)半靶高（m）XY造鞋點(diǎn)04488.00/4488.00--A04951.99/4782.5--10323.885B05451.99/4807.5--10323.885表5-1TZ62-11H井基本數(shù)據(jù)鉆井液泥漿的性能參數(shù)，見表5-2。在該塔中井，其主要的鉆井液性能參數(shù)主要是密度、漏斗粘度、API失水、泥餅厚度、PH、高溫高壓失水、摩阻系數(shù)和剪切力。流變性主要有塑性粘度、屈服值以及流性指數(shù)和流變系數(shù)。表5-2鉆井液性能參數(shù)表鉆井液性能流變性密度g/cm3漏斗粘度SAPI失水ml泥餅mmPHHTHP失水ml摩阻系數(shù)切力塑性粘度屈服值PanK初切終切1.05-1.2545-6030.58-9.5100.11-34-155-195-160.3-0.880.34-0.03儲(chǔ)層壓力預(yù)測(cè)，見表5-3。表5-3地下儲(chǔ)層壓力預(yù)測(cè)表井型層位設(shè)計(jì)斜深設(shè)計(jì)垂深預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)壓力系數(shù)孔隙壓力復(fù)雜提示直井段R0-5000-500依據(jù)相鄰井TZ62-2、TZ44的鉆井液密度1.00-1.132.82R-P500-3395500-33951.05-1.1922.79C-O3395-44883395-44881.05-1.1946.12斜井段O3s4488-47924488-47401.05-1.1954.29O34792-54504740-4807.4依據(jù)相鄰井TZ62和TZ621的實(shí)際測(cè)壓數(shù)據(jù)1.16-1.1859.4易漏失段井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見表5-4。表5-4井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表開鉆次序井段m鉆頭尺寸mm套管尺寸mm套管下入層位套管下入井段m水泥封固段m一開500444.5339.7R0-5000-500二開3397311.2244.5C0-33952000-3395,0-1500三開4794215.9177.8桑塔木組3200-47923200-4792四開5452152.4127良里塔格組（A）4600-4952不固井114.3良里塔格組（B）4952-5450不固井回接177.8桑塔木組0-32000-3200鉆桿尺寸規(guī)格，如表5-5所示。表5-5鉆桿的規(guī)格參數(shù)外徑in內(nèi)徑in壁厚in接頭外徑in公扣內(nèi)徑in母扣內(nèi)徑in鋼級(jí)3.52.7640.36852.1262.126S-13554.2760.36933.7523.752S-135定向井軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)，如表5-6所示。表5-6定向井軌跡參數(shù)斜深m井段名稱增斜率（°/30m）井斜（°）方位（°）閉合方位（°）閉合距m垂深m靶點(diǎn)4488直井段00323.88323.88044884662.73增斜段6.638.44323.88323.8856．454649.914703.38增斜段038.44323.88323.8881.724681.754901.99增斜段6.682.13323.88323.88250.064777.834951.99增斜段387.13323.88323.88299.834782.5A5451.99水平段087.13323.88323.88799.214807.5B（7）該井井深結(jié)構(gòu)，如圖5-1所示。圖5-1井深結(jié)構(gòu)圖5.2控壓鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例計(jì)算本文主要針對(duì)精細(xì)控壓鉆井井內(nèi)壓力預(yù)測(cè)方法進(jìn)行研究，討論了在幾個(gè)工況下井內(nèi)壓力的計(jì)算模型，本節(jié)主要選擇起下鉆工況進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。起下鉆抽汲壓力的計(jì)算，其滿足的平衡關(guān)系式：起鉆平衡關(guān)系式：下鉆平衡關(guān)系式：通過對(duì)該井的井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡和鉆具組合進(jìn)行分析，計(jì)算井內(nèi)流體的平均流速，然后計(jì)算雷諾數(shù)對(duì)流態(tài)進(jìn)行判定，并求得摩阻系數(shù)。最后根據(jù)波動(dòng)壓力的計(jì)算公式和平衡關(guān)系式求得回壓值。圖5-2密度為1.08的鉆井液不同起鉆速度的回壓值圖5-3密度為1.12的鉆井液不同起鉆速度的回壓值圖5-4密度為1.08的鉆井液不同下鉆速度的回壓值圖5-5密度為1.12的鉆井液不同下鉆速度的回壓值5.3計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比通過上一節(jié)的對(duì)