考慮海底增壓的深水鉆井當(dāng)量循環(huán)密度預(yù)測方法

羅洪斌　田　波　蔣世全　彭作如（.中海油研究總院，北京　0008；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067）

考慮海底增壓的深水鉆井當(dāng)量循環(huán)密度預(yù)測方法

羅洪斌1田波2蔣世全1彭作如2
（1.中海油研究總院，北京100028；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

針對深水井筒ECD預(yù)測與控制方面存在的不足，建立了考慮溫度和巖屑影響及有海底增壓管線舉升系統(tǒng)情況下的深水鉆井ECD預(yù)測模型，以實例計算分析了深水鉆井中有海底增壓管線舉升系統(tǒng)情況下ECD變化。結(jié)果分析表明，鉆柱內(nèi)的排量一定時，增注排量越大，ECD值越小；在有海底增壓管線舉升系統(tǒng)時，本計算條件下ECD值均未超過漏失壓力，因此該種參數(shù)工況下應(yīng)該為安全狀況；在無海底增壓時，隨著排量的降低，環(huán)空ECD逐漸增加，且ECD增加值較大；當(dāng)排量小于一定值時，ECD的增加會導(dǎo)致在鉆井過程中的地層漏失。因此在深水鉆井過程中應(yīng)該特別注意在隔水管段的井眼清潔問題，除了控制機(jī)械鉆速、泵入清掃液等措施以外，還應(yīng)適量采取增加排量來及時清除鉆屑，保持井眼清潔。最后對比分析了模型的有效性，在本計算條件下與PWD實測值偏差最大1.36%，對深水鉆井水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及井控具有一定的參考意義。

深水鉆井；當(dāng)量循環(huán)密度；預(yù)測模型；海底增壓

近30 年來，由于海洋深水作業(yè)環(huán)境惡劣、地質(zhì)情況復(fù)雜，且技術(shù)和裝備等方面的制約，深水鉆井面臨著壓力窗口窄、深水低溫、井控風(fēng)險大、淺層地質(zhì)災(zāi)害等困難和挑戰(zhàn)。深水鉆井與陸地或淺水鉆井有著明顯的區(qū)別［1］。為了解決和突破深水鉆井的關(guān)鍵技術(shù)難題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究［2-4］，由于深水泥線以下和泥線以上溫度梯度相反，而非陸地鉆井中近似線性的溫度梯度，且溫度分布以及鉆進(jìn)過程中的巖屑、熱傳導(dǎo)、鉆井液流變性等對鉆井液的當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）變化以及井筒內(nèi)壓力分布有很大影響，所以常規(guī)的ECD預(yù)測分析方法無法適應(yīng)深水鉆井中常采用的海底增壓管線舉升系統(tǒng)，因此，研究深水鉆井井筒中ECD預(yù)測很有必要。

影響當(dāng)量循環(huán)密度的因素很多，主要由鉆井液靜液柱壓力和環(huán)空的循環(huán)壓耗決定，而深水井筒內(nèi)溫差較大鉆井液，由此鉆井液密度也會有一定量的變化，即井筒中鉆井液密度與井口測量的密度不同。對于溫度和壓力對鉆井液密度的影響，已有一些文獻(xiàn)提出了表達(dá)公式或計算方法，并提供了相應(yīng)的實測實驗數(shù)據(jù)［3］。管志川教授等［5］通過實驗測量數(shù)據(jù)建立了考慮溫度、壓力影響的油基鉆井液密度計算模型。筆者針對目前深水井筒ECD預(yù)測與控制方面存在的不足，建立了考慮溫度影響的深水鉆井ECD預(yù)測模型，并以實例計算進(jìn)行深水鉆井中有海底增壓管線舉升系統(tǒng)情況下ECD預(yù)測分析。

1　深水鉆井當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）計算模型

通常，ECD可以定義為鉆井液的當(dāng)量靜態(tài)密度（ESD）與鉆井液環(huán)空循環(huán)壓耗當(dāng)量密度之和。考慮環(huán)空巖屑等固相濃度的影響，當(dāng)量循環(huán)密度表達(dá)式如下

式中，Dp為井深H處的環(huán)空壓耗，MPa。ECD計算的關(guān)鍵是求取ESD和環(huán)空壓耗Dp。下面分別介紹這2個參數(shù)的求取方法。

1.1考慮溫度分布的ESD計算模型

在深水鉆井中，井筒中溫度變化較大，且對鉆井液的密度影響較大，因此在計算ECD時需要考慮溫度和壓力對鉆井液的影響。下面描述了一種簡單的考慮溫度壓力影響的鉆井液密度計算方法。

假設(shè)在地面溫度T0和大氣壓力p0條件下，鉆井液在體積V下的質(zhì)量為m，則地面鉆井液的密度ρ0為

在井筒中，經(jīng)過一定的溫度變化DT和壓力變化Dp后，鉆井液的體積將發(fā)生變化。體積變化量DV可以用兩部分表示：一部分是由于溫度變化引起的增量DVT，另一部分是由于壓力變化引起的增量DVp。鉆井液彈性壓縮系數(shù)用Cp表示，熱膨脹系數(shù)用CT表示，則由于溫度和壓力變化所引起的體積改變可分別表示為

因此，總體積變化為

溫度和壓力變化后的鉆井液密度則為

由以上幾式可得

對不同基油組分，其熱彈性壓縮系數(shù)Cp和膨脹系數(shù)CT均采用如下表達(dá)式，其中a、b、k、n取值見表1。

表1 不同油基鉆井液的a、b、k、n的經(jīng)驗值

a、b、k、n是回歸系數(shù)。這些回歸系數(shù)是通過實驗數(shù)據(jù)回歸分析得出的。文中對深水鉆井的ESD計算借鑒了這些系數(shù)。

1.2環(huán)空壓耗計算模型

在計算環(huán)空壓耗時要考慮不同流變模式、不同流態(tài)等因素對環(huán)空壓耗的影響，因此要選擇合適的流變模式并判斷鉆井液在環(huán)空中的流態(tài)，鉆井用鉆井液屬于非牛頓流體，對深水鉆井，主要采用冪律模式來計算各個井段的環(huán)空壓耗。

當(dāng)流態(tài)為紊流時，環(huán)空井段的壓耗Dp為［6］

式中，Dp為環(huán)空壓耗，MPa；l為鉆桿長度，m；do為鉆柱的外徑，cm；d為井眼內(nèi)徑，cm；vc為鉆井液環(huán)空返速，m/s；ρ為鉆井液密度，g/m3；f為摩阻系數(shù)，無因次。

在深水鉆井中井筒較大溫差和壓力變化，鉆井液的流變性能在整個井筒中有明顯變化，因此計算環(huán)空壓耗時需要考慮溫度和壓力對鉆井液表觀黏度、塑性黏度和動切力的影響，而不能直接采用地面測量的流變參數(shù)。

1.3使用海底增壓管線舉升系統(tǒng)時ECD計算模型

深水鉆井中考慮隔水管大直徑管道中巖屑問題，一般在?660.4 mm井段之后的井段使用海底增壓管線舉升系統(tǒng)，該系統(tǒng)的示意圖見圖1。

圖1　海底增壓管線舉升系統(tǒng)示意圖

分析圖1可知，此系統(tǒng)相當(dāng)于1個三通，因此，Qm=Q1+Q2。假若海底增壓管線舉升系統(tǒng)中泵入的液體密度為ρ2，則混和后，隔水管段中鉆井液密度計算公式為

使用海底增壓管線舉升系統(tǒng)時，某一井深H處ECD的計算公式為

式中，ρESD為當(dāng)量靜態(tài)密度，g/m3；Dp1為隔水管段的的環(huán)空壓耗，MPa；Dp2為泥面以下井段的環(huán)空壓耗，MPa；ρs為鉆屑密度，g/m3；Ca為鉆屑體積分?jǐn)?shù)。

2　深水鉆井環(huán)空ECD計算

2.1深水鉆井的ESD預(yù)測曲線

某井水深2 500 m，設(shè)計井身結(jié)構(gòu)為表2。ECD計算所使用的基本參數(shù)如表3所示，該井?914.4mm和?660.4 mm井段用海水鉆井，并排海，因此這兩井段不做ECD計算。

表2　某井井身結(jié)構(gòu)

表3　某井ECD計算所使用的基本參數(shù)

從深水鉆井ESD預(yù)測曲線圖2可看出，ESD與水溫、地溫密切相關(guān)，對于深水鉆井，隨水深增加，ESD逐漸增加，在泥線附近ESD取得最大值。

圖2　深水鉆井ESD分布曲線（地面鉆井液密度1.055 g/cm3）

2.2ECD計算結(jié)果及分析

討論深水鉆井在三開（?660.4 mm井段之后）應(yīng)用增壓管線助排的情況下，根據(jù)上述理論模型，可計算得到深水鉆井不同增壓排量下?311.2 mm 領(lǐng)眼（鉆井液密度1.09 g/cm3）在使用海底增壓管線舉升系統(tǒng)時的ECD預(yù)測結(jié)果，如圖3、圖4所示。預(yù)測時，所使用的基本參數(shù)同表3，增壓管線的鉆井液密度與鉆柱內(nèi)的鉆井液密度相等。

圖3　不同增壓排量下ECD計算結(jié)果與漏失壓力

從圖3可知，鉆柱內(nèi)的排量一定時，增注排量越大，ECD值越小；隨井深增加，ECD增加；在有海底增壓管線舉升系統(tǒng)時，本計算條件下ECD值均未超過漏失壓力，因此該種參數(shù)工況下應(yīng)該為安全狀況。

從圖4可知，在無海底增壓時，隨著排量的降低，環(huán)空ECD逐漸增加，且ECD增加值較大；當(dāng)排量小于33 L/s 時，ECD的增加會導(dǎo)致在鉆井過程中的地層漏失。因此在深水鉆井過程中除了控制機(jī)械鉆速、泵入清掃液等措施以外，還應(yīng)適量采取增加排量來及時清除鉆屑，保持井眼清潔。將相同條件下所計算的ECD預(yù)測值與MI公司軟件預(yù)測值相比較，結(jié)果相近，與PWD實時測量值也相近，誤差最大為1.36%，可見所使用考慮溫度分布和巖屑對ECD值影響的預(yù)測模型計算的數(shù)值相對可信（表4）。

圖4　不同排量下ECD值

表4　不同井段本論文ECD計算值與MI公司及PWD實測值對比分析

3　結(jié)論

（1）建立了深水鉆井ECD預(yù)測模型，以實例計算分析了深水鉆井中有海底增壓管線舉升系統(tǒng)情況下ECD變化。結(jié)果表明，鉆柱內(nèi)的排量一定時，增注排量越大，ECD值越小。隨井深增加，ECD增加，增加值相對較小；本計算條件下ECD值均未超過漏失壓力，因此該種參數(shù)工況下應(yīng)該為安全狀況。

（2）在有海底增壓管線舉升系統(tǒng)時，在無海底增壓時，隨著排量的降低，環(huán)空ECD逐漸增加，且ECD增加值較大；當(dāng)排量小于一定值時，ECD的增加會導(dǎo)致在鉆井過程中的地層漏失。因此在深水鉆井過程中應(yīng)該保持井眼清潔，避免井下安全事故。最后對比分析了模型的有效性，在本計算條件下與PWD實測值偏差最大1.36%，因此本論文模型預(yù)測數(shù)據(jù)相對可信。

（3）文中未涉及大環(huán)空攜巖、井控、抑制水合物形成等問題，有待進(jìn)一步研究深水鉆井多相流動模型以增加計算精度，有待進(jìn)一步深入研究深水水力學(xué)優(yōu)化設(shè)計，相關(guān)計算軟件也有待完善開發(fā)。

［1］李清平.我國海洋深水油氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)［J］.中國海上油氣，2006，18（2）：130-133.

［2］汪志明，郭曉東，張松杰，等.南海流花超大位移井井眼凈化技術(shù)［J］. 石油鉆采工藝，2006,28（1）：4-8.

［3］ROMERO J. Temperature prediction for deep-water wells: a field validatedmethodology［R］. SPE 49056, 1998.

［4］HOBEROCK L L, THOMAS D C, NICKENS H V. Bottom-hole mud pressure variations due to compressibility and thermal effects［C］. IADC Drilling Technology Conference, Houston, 1982.

［5］管志川.溫度和壓力對深水鉆井液液柱壓力的影響［J］.石油大學(xué)學(xué)報，2003，27（4）：48-51.

［6］劉希圣.環(huán)空水力學(xué)及攜巖理論基礎(chǔ)［D］.山東東營：華東石油學(xué)院，1983.

（修改稿收到日期2014-12-23）

〔編輯胡志強(qiáng)〕

Prediction method for equivalent circulating density of deepwater drilling when subsea pressurization is considered

LUO Hongbin1, TIAN Bo2, JIANG Shiquan1, PENG Zuoru2
（1.Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

Considering the shortcomings in ECD prediction and control of deepwater wellhole presently, the ECD prediction model of deepwater drilling has been established, with the temperature and rock debris effects are considered and the lift system of subsea pressurization pipeline is provided. The ECD changes are calculated and analyzed based on the living examples, when the lift system of subsea pressurization pipeline is provided in the deepwater drilling. According to the results, when the displacement in the drilling string is constant, the larger the augmented injection displacement, the smaller the ECD value; when the lift system of subsea pressurization pipeline is provided, the ECD value under such calculation conditions does not exceed the loss pressure, so it should be safe under such parameter conditions; when no subsea pressurization exists, as the displacement decreases, the annular ECD gradually increases, and the ECD added value is relatively greater; when the displacement is less than a constant value, the ECD increase will lead to the stratum loss during the drilling. Therefore, during the deepwater drilling, special attention should be paid to the borehole cleaning at the riser section. In addition to the control over mechanical drilling rate, pumping of cleaning fluid and other measures, the displacement should be appropriately increased to clear the drilling cuttings in time, which is in order to keep the borehole clean. Finally, the model validity has been compared and analyzed. Under such calculation conditions, the maximum deviation from actually-measured value of PWD is 1.36%. This method has certain reference significances for the optimization design of hydraulic parameter on deepwater drilling and well control.

deepwater drilling; equivalent circulating density; prediction model; subsea pressurization

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0072 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.018

“十二五”國家科技重大專項課題“深水鉆完井工程技術(shù)”資助（編號：2011ZX05026-001）；國家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號：51434009）。

羅洪斌，1980年生。畢業(yè)于中國石油大學(xué)，獲油氣井工程博士學(xué)位，從事深水鉆完井水力學(xué)、鉆井液、井控研究。電話：010-84526435。E-mail：luohb3@cnooc.com.cn。

引用格式：羅洪斌，田波，蔣世全，等.考慮海底增壓的深水鉆井當(dāng)量循環(huán)密度預(yù)測方法［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：72-75.