考慮延伸極限的大位移水平井最優(yōu)鉆井液排量設(shè)計(jì)

李鑫 高德利

中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

考慮延伸極限的大位移水平井最優(yōu)鉆井液排量設(shè)計(jì)

李鑫 高德利

中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

鉆井液排量的大小直接關(guān)系到大位移水平井延伸能力的高低，為獲得最大的大位移水平井延伸極限，筆者從鉆井液排量的角度出發(fā)，提出了排量的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，并給出了最優(yōu)鉆井液排量的設(shè)計(jì)方法。綜合利用大位移井的裸眼延伸極限原理和水力延伸極限原理，并考慮井眼清潔的需要從而確定鉆井液的排量范圍，最終以獲得最大的水平段延伸極限為目標(biāo)，確定最優(yōu)鉆井液排量值。應(yīng)用該方法對(duì)1口大位移水平井進(jìn)行分析可知，其排量允許范圍為26.2～42.9 L/s，最優(yōu)排量值為31.8 L/s，其對(duì)應(yīng)的最大水平段延伸極限為6 251 m。進(jìn)一步研究表明：首先，在任意排量下，基于上述兩原理獲得的兩水平段延伸極限值的最小值可以作為大位移水平井的水平段延伸極限；其次，兩水平段延伸極限相等時(shí)的值即為最大水平段延伸極限，其所對(duì)應(yīng)的排量值即為最優(yōu)鉆井液排量值；最后，該最優(yōu)排量值既可以保證大位移水平井獲得最大的井眼延伸極限，又可以滿足井眼清潔的需要，井內(nèi)壓力也不會(huì)超過井壁穩(wěn)定和鉆井泵的最大承載能力。

大位移水平井；鉆井液排量；最優(yōu)排量；井眼清潔；延伸極限

隨著頁(yè)巖氣等非常規(guī)資源和海洋油氣資源開發(fā)的進(jìn)一步深入，大位移水平井的應(yīng)用越來越廣泛［1-2］。大位移水平井延伸極限是業(yè)界普遍關(guān)心的問題。大位移井的延伸極限原理主要包括3種：裸眼延伸極限原理、水力延伸極限原理和機(jī)械延伸極限原理，分別從井壁穩(wěn)定、水力設(shè)計(jì)、機(jī)械裝備的能力等角度預(yù)測(cè)大位移的最大測(cè)深［3］。其中，大位移水平井的裸眼延伸極限和水力延伸極限都與鉆井液排量有關(guān)，排量的大小直接關(guān)系到大位移井延伸能力的高低，不當(dāng)?shù)你@井液排量設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致大位移水平井不能安全鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深。具體來說，水平井的長(zhǎng)裸眼鉆井過程中，井眼軌跡的特殊性易造成井眼凈化不佳，形成巖屑床，鉆井液排量過小會(huì)影響井眼的清潔程度；而鉆井液排量過大又會(huì)對(duì)地層和鉆井泵的承壓能力造成影響［4］，尤其是當(dāng)環(huán)空尺寸較小時(shí)，井內(nèi)當(dāng)量循環(huán)密度過高，這種影響就更加明顯［5］。一般來說，大位移水平井的測(cè)深尤其是水平段越長(zhǎng)，其單井產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)越高［6］。因此，為獲得最大的大位移水平井延伸極限而進(jìn)行鉆井液排量的優(yōu)選具有重要的意義。

1 最優(yōu)排量研究存在的問題及對(duì)策

Issues and countermeasures of optimal displacement study

作為鉆井的血液，鉆井液是關(guān)系到鉆井成敗的重要因素之一。鉆井液對(duì)于保持井壁穩(wěn)定、減少儲(chǔ)層傷害以及預(yù)防卡鉆等井下事故具有重要作用［7-8］。對(duì)于鉆井液排量，許多學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究。路保平［9］從井眼清潔、鉆頭潤(rùn)滑和快速鉆井等角度給出了鉆井液排量的可行區(qū)間；董禮亮［10］將滿足環(huán)空攜巖要求的最小排量作為排量下限，將維持井壁穩(wěn)定的最大排量作為排量上限，并給出了泥漿泵在最大水馬力工作方式下的最優(yōu)排量；郭曉樂等［4］基于常規(guī)水力參數(shù)設(shè)計(jì)理論，并結(jié)合大位移井特點(diǎn)給出了優(yōu)選排量范圍的確定方法。梁奇敏等［11］給出了多約束條件下的鉆井液排量范圍確定方法，并給出了獲得最大鉆頭水功率的最優(yōu)鉆井液排量。可以看出，多數(shù)研究者只給出了鉆井液排量允許范圍的確定方法，而對(duì)最優(yōu)鉆井液排量值的研究則相對(duì)較少。并且，對(duì)最優(yōu)排量值的研究主要集中在獲得最大鉆頭水功率以及鉆頭壓降和沿程壓力損失的最優(yōu)分配上，缺乏為獲得最大的大位移水平井延伸極限而進(jìn)行鉆井液排量?jī)?yōu)選的確定方法研究。

為了獲得最大的大位移水平井延伸極限，筆者從優(yōu)化鉆井液排量的角度出發(fā)，提出了排量的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，并給出了最優(yōu)鉆井液排量的設(shè)計(jì)方法。第一，確定鉆井液排量的范圍：本研究只考慮井眼清潔、地層的承壓能力和鉆井泵的承載能力對(duì)排量的影響，不考慮其他因素；首次綜合利用大位移井的裸眼延伸極限原理和水力延伸極限原理確定了鉆井液的排量范圍，文中的鉆井液排量范圍可以滿足大位移水平井井眼清潔的需要，并且井內(nèi)壓力不會(huì)超過地層和鉆井泵的承壓能力；第二，在鉆井液排量的允許范圍內(nèi)，本文確定了最優(yōu)鉆井液排量值，該排量值可以保證獲得最大的井眼延伸極限。

2 最優(yōu)排量的確定方法

Determination method of optimal displacement

2.1 排量的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

Optimal design principle of displacement

（1）在該最優(yōu)排量值下循環(huán)鉆井液時(shí)井內(nèi)壓力不能超過地層的承壓能力和鉆井泵的承載能力。

（2）該最優(yōu)鉆井液排量值必須保證井眼清潔的需要。

（3）大位移水平井可以在該最優(yōu)鉆井液排量值下獲得最大的井眼延伸極限。

2.2 鉆井液排量范圍的確定

Determination of drilling fluid displacement range

2.2.1 鉆井液排量上限 大位移水平井的鉆井液排量上限Qmax主要從2個(gè)方面進(jìn)行確定：首先，考慮地層的承壓能力并根據(jù)裸眼延伸極限原理確定出鉆井液排量上限Qmax1；其次，考慮鉆井泵的承載能力并根據(jù)水力延伸極限原理確定出鉆井液排量上限Qmax2，最終取兩者的最小值作為大位移水平井的鉆井液排量上限，即Qmax=min（Qmax1，Qmax2）。

（1）基于地層承壓能力的排量上限。根據(jù)地層因素來確定的鉆井液排量上限Qmax1可以根據(jù)大位移水平井的裸眼延伸極限原理來進(jìn)行確定。該原理可以概括如下：大位移水平井不能無(wú)限制的向前延伸，當(dāng)其井底壓力超過地層的破裂壓力時(shí)，地層就會(huì)被壓破，此時(shí)大位移水平井就會(huì)停止延伸，該破裂點(diǎn)可以稱為大位移水平井的臨界點(diǎn)，此臨界點(diǎn)可以用式（1）進(jìn)行表示［12-13］

式中，ρmix為混合物密度，g/cm3；Dv為井眼垂深，m；Δpa為環(huán)空鉆井液循環(huán)壓耗，MPa；ρf為水平段地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

Δpa與鉆井液排量Q有著密切的關(guān)系，最終可以得到基于裸眼延伸極限原理的大位移水平井水平段延伸極限Lh1，可以表示為Q的函數(shù)

式中，ρs為固相密度即巖屑密度， g/cm3；ρm為鉆井液密度，g/cm3；Cs為環(huán)空內(nèi)巖屑體積分?jǐn)?shù)，%；Δρa(bǔ)v為垂直井段環(huán)空壓耗，MPa；∑Δpadi為若干斜井段環(huán)空壓耗，MPa；（Δp/ΔL）ah為水平段環(huán)空壓耗梯度，MPa/m。在大斜度井段和水平段環(huán)空壓耗計(jì)算過程中要考慮鉆桿偏心的影響，需要引入偏心系數(shù)［14-15］。

Lh1存在一種極限情況，即當(dāng)Lh1=0時(shí)，鉆井液排量Q存在一個(gè)最大值Qmax1，Qmax1會(huì)在滿足式（3）時(shí)取得。

因此，只要求得滿足式（3）的鉆井液排量即可求得根據(jù)裸眼延伸極限原理得到的鉆井液排量上限Qmax1。（2）考慮鉆井泵承載能力的排量上限。根據(jù)泵能力因素來確定的排量上限Qmax2可以根據(jù)大位移水平井的水力延伸極限原理來進(jìn)行確定。該原理是指在一定的制約條件下，大位移井所能達(dá)到的極限測(cè)深，這里的制約條件主要是指鉆井泵的額定泵壓、環(huán)空壓耗等水力參數(shù)。由于鉆井泵具有額定泵壓，而大位移水平井的總循環(huán)壓耗（地面管匯壓耗與井內(nèi)壓耗之和）必須小于等于額定泵壓，這也就決定了大位移井不能無(wú)限制延伸，臨界點(diǎn)處的計(jì)算模型可以表示如下［16-17］

式中，Δpg為地面管匯壓耗，MPa；Δpb為鉆頭壓降，MPa；（Δρ/ΔL）sti為第i段鉆柱內(nèi)壓耗梯度，MPa/m；（Δρ/ΔL）ai為第i段環(huán)空壓耗梯度，MPa/m；pr為鉆井泵額定泵壓，MPa。

Δpg，Δpb，（Δρ/ΔL）sti和（Δρ/ΔL）ai都與鉆井液排量Q有著密切的關(guān)系，最終可以得到基于水力延伸極限原理的大位移水平井水平段延伸極限Lh2，可以表示為Q的函數(shù)

式中，Δpstv為垂直段鉆柱內(nèi)壓耗，MPa；Δpstd為斜井段鉆柱內(nèi)壓耗，MPa；Δpav為垂直井段環(huán)空壓耗，MPa；∑Δpadi為若干斜井段環(huán)空壓耗，MPa；（Δp/ΔL）sth為水平段鉆柱內(nèi)壓耗梯度，MPa/m；（Δp/ΔL）ah為水平段環(huán)空壓耗梯度，MPa/m。

Lh2也存在一種極限情況，即當(dāng)Lh2=0時(shí)，鉆井液排量Q存在一個(gè)最大值Qmax2，Qmax2會(huì)在Lh2=0時(shí)取得，即需要滿足式（6）。

因此，只要求得滿足式（6）的鉆井液排量即可求得基于水力延伸極限原理的Qmax2。

至此，根據(jù)裸眼延伸極限原理確定了一個(gè)鉆井液排量上限Qmax1，又根據(jù)水力延伸極限原理確定了一個(gè)鉆井液排量上限Qmax2。最終，取兩者的最小值作為大位移水平井的鉆井液排量上限

2.2.2 鉆井液排量下限 大位移水平鉆井需要保證一定的環(huán)空鉆井液排量以達(dá)到井眼清潔的目的，因此存在一個(gè)鉆井液排量下限Qmin，對(duì)此前人已經(jīng)做了很多的研究［18-20］。筆者據(jù)此分別得到考慮井眼清潔需要的直井段及小斜度井段的最小排量Qmin1，大斜度井段的最小排量Qmin2以及水平段的最小排量Qmin3。整個(gè)大位移水平井的鉆井液排量下限Qmin可以取三者中的最大值

2.3 最優(yōu)鉆井液排量

Optimal displacement of drilling fluid

任意的鉆井液排量下都對(duì)應(yīng)一個(gè)大位移水平井的水平段延伸極限Lh，如圖1所示，它是該井基于裸眼延伸極限原理和基于水力延伸極限原理得到的2個(gè)水平段延伸極限Lh1和Lh2的最小值［21］，需要滿足式（9）

以獲得最大的水平段延伸極限Lhmax為目標(biāo)，確定最優(yōu)的鉆井液排量值Qopt，它需要滿足式（10），即Lh1（Q）=Lh2（Q）。

圖1 水平段延伸極限確定示意圖Fig.1 Schematic diagram on the determination of horizontal section extension limit

水平段延伸極限的最大值Lhmax將在Qopt處取得，可以表示為式（11）。

3 應(yīng)用實(shí)例及討論

Application case and discussion

現(xiàn)針對(duì)一口大位移水平井進(jìn)行鉆井液排量設(shè)計(jì)，確定鉆井液排量范圍以及最優(yōu)鉆井液排量值。該井造斜點(diǎn)處井斜角0°，造斜點(diǎn)垂深1 956.3 m，造斜點(diǎn)處水平位移0 m，斜井段造斜率20.55（°）/（100 m），目標(biāo)段井斜角90°、垂深2 241 m、前水平位移280 m。井身結(jié)構(gòu)：導(dǎo)管?558.8 mm鉆頭+?476.3 mm套管×30 m，一開?444.5 mm鉆頭+?339.7 mm套管×700 m，二開?311.2 mm鉆頭+?244.5 mm套管×2 407 m，三開?215.9 mm鉆頭，輸入模型的數(shù)據(jù)見表1［22］。

表1 輸入模型的數(shù)據(jù)Table 1 Design data of casing program

根據(jù)文中條件，并假設(shè)水平段破裂壓力不變，將得到的基于裸眼延伸極限原理的水平段延伸極限Lh1和基于水力延伸極限原理的水平段延伸極限Lh2隨鉆井液排量Q的變化曲線繪制于圖2，可以用來確定大位移水平井的鉆井液排量范圍、最優(yōu)鉆井液排量值Qopt以及最大的水平段延伸極限Lhmax。

圖2 鉆井液排量范圍和最優(yōu)排量確定示意圖Fig.2 Schematic diagram on the determination of drilling fluid displacement range and optimal displacement

從圖2可以看出，隨著鉆井液排量的增加，根據(jù)裸眼延伸極限原理得到的水平段延伸極限曲線Lh1先增加而后又減小，其與橫坐標(biāo)的交匯點(diǎn)處的橫坐標(biāo)值即為根據(jù)裸眼延伸極限原理得到的Qmax1，代表地層所能承受的最大鉆井液排量。此時(shí)，Qmax1=45.1 L/s。根據(jù)水力延伸極限原理得到的水平段延伸極限曲線Lh2也隨鉆井液排量的增加也先增加后減小，并且該曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)也是一個(gè)是根據(jù)水力延伸極限原理得到的鉆井液排量最大值Qmax2，代表泥漿泵等水力設(shè)備能夠提供鉆井液循環(huán)的最大排量值。此時(shí)，Qmax2=42.9 L/s。

大位移水平井鉆井液排量上限為Qmax= min（Qmax1，Qmax2）=42.9 L/s。鉆井液排量的下限可以根據(jù)文中鉆井液排量下限部分的分析進(jìn)行求解，此時(shí)得到鉆井液排量下限為26.2 L/s。

并且，滿足式（10）的鉆井液排量即為獲得最大水平段延伸極限的最優(yōu)鉆井液排量值 ，也就是圖2中兩曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值，從圖2可以看出，Qopt=31.8 L/s。此時(shí)對(duì)應(yīng)的水平段延伸極限Lhmax=6 251 m。

4 結(jié)論

Conclusions

（1）以獲得最大的大位移水平井延伸極限為目標(biāo)，從鉆井液排量的角度出發(fā)提出了鉆井液排量的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則。

（2）分別考慮井眼清潔需要、地層承壓能力和鉆井泵的承載能力要求，綜合利用大位移井裸眼延伸極限原理和水力延伸極限原理確定了鉆井液的排量范圍。文中設(shè)計(jì)實(shí)例中鉆井液排量為26.2～42.9 L/s。

（3）給出了最優(yōu)鉆井液排量的設(shè)計(jì)方法及需要滿足的條件。根據(jù)裸眼延伸極限原理和水力延伸極限原理得到的兩水平段延伸極限都隨著鉆井液排量的增加而先增加后減小。兩水平段延伸極限的最小值即為大位移水平井的水平段延伸極限Lh。并且，任意鉆井液排量下，Lh各不相同，當(dāng)Q＜Qopt，水平段延伸極限Lh主要受地層的承壓能力限制；而當(dāng)Q＞Qopt，水平段延伸極限Lh主要受鉆井泵的承載能力限制。最大水平段延伸極限Lhmax會(huì)在最優(yōu)鉆井液排量值Qopt下取得。文中設(shè)計(jì)實(shí)例中，最優(yōu)鉆井液排量值Qopt為31.8 L/s，在該排量值下可以獲得最大的水平段延伸極限。

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（修改稿收到日期 2017-03-13）

〔編輯 薛改珍〕

Optimum drilling fluid displacement design of large displacement horizontal well considering extension limit

LI Xin,GAO Deli
Key Laboratory of Petroleum Engineering Education Ministry,China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China

Drilling fluid displacement has the direct effect on the extension capacity of extended-reach horizontal wells.To maximize the extension limit of extended-reach horizontal wells,the displacement optimization design principle was put forward from the aspect of drilling fluid displacement,and the design method of optimal drilling fluid displacement was proposed.The displacement range of drilling fluid was determined by taking into consideration the demand of hole cleaning.According to open-hole extension limit principle and hydraulic extension limit principle of extended reach well comprehensively,the optimal displacement of drilling fluid was determined with the maximization of horizontal section extension limit as the ultimate target.This method was used to analyze one extended-reach horizontal well.It is shown that the allowed displacement is in the range of 26.2-42.9 L/s,and optimal displacement is 31.8 L/s,corresponding to the maximum horizontal section extension limit of 6 251 m.Based on further studies,several understandings were obtained.First,for any displacement,the minimum extension limit of two horizontal sections which are obtained based on the above mentioned two principles can be taken as the horizontal section extension limit of extended-reach horizontal well.Second,the value in the occasion the extension limit of both horizontal sections is equal is the maximum extension limit of horizontal sections,and its corresponding displacement is the optimal displacement of drilling fluid.And third,at the optimal displacement,the extension limitof extended-reach horizontal well can be maximized,the demand of hole cleaning can be satisfied and the subsurface pressure is kept below the maximum bearing capacity of wellbore stability and drill pump.

extended-reach horizontal well; drilling fluid displacement range; optimal displacement; hole cleaning; extension limit

李鑫，高德利.考慮延伸極限的大位移水平井最優(yōu)鉆井液排量設(shè)計(jì) ［J］.石油鉆采工藝，2017，39（3）：282-287.

TE243

：A

1000–7393（2017 ）03–0282–06DOI:10.13639/j.odpt.2017.03.005

: LI Xin,GAO Deli.Optimum drilling fluid displacement design of large displacement horizontal well considering extension limit［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 282-287.

李鑫（1990-），2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，主要從事油氣井力學(xué)與控制工程方面的研究工作。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。電話：010-89733702。E-mail：lixin0102@126.com

高德利（1958-），1990年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），主要從事油氣井力學(xué)與控制工程方面的研究工作。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。E-mail：gaodeli@cast.org.cn