一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法

摘要

本发明公开了一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法，它包括以下步骤：S1、利用原钻井液密度 ρ

说明书

技术领域

本发明涉及压井技术领域，特别是一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法。

背景技术

压井是在钻井过程中由于地层—井筒内压力系统失去平衡发生溢流后，向井内泵入一定 密度的钻井液，恢复和重建地层—井筒压力平衡的过程。目前，常规压井方法有司钻法(两 步控制法)和工程师法(等待加重法)。司钻法压井分两个循环周进行，第一循环周采用原密 度钻井液循环出环空中被气侵的钻井液；第二循环周泵入按关井立管压力求得的加重钻井液 置换出井筒内的原密度钻井液，从而恢复建立井筒压力系统平衡。而工程师法压井是溢流关 井后，根据关井立管压力求得地层压力，待配制好所需压井密度的钻井液后，通过一个循环 周排出气侵钻井液同时恢复建立井筒—地层压力系统平衡的压井方法。

但常规压井方法，不管是司钻法还是工程师法，在循环排出入侵气体的过程中，套压都 会逐渐升高。在气体顶部到达井口时，套压达到最大值，通常为关井套压的2—3倍。在如此 高的套压下，薄弱地层(套管鞋处)可能被压漏，造成井下复杂事故；不断升高的套压也可 能超过地面设备的承压能力，引发安全事故。所以研究出的利用井场储备泥浆降低压井时井 口套压的压井方法，对减少压井等待时间，提高压井效率，降低压井风险，增大压井成功率 有重要作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种等待时间短、施工方便、风险低、利 用井场储备泥浆降低压井套压的方法,减少压井等待时间、降低常规压井过程中出现的过高的 套压值，降低压井风险，属于一种超重密度压井方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法， 它包括以下步骤：

S1、利用原钻井液密度ρ_m和关井立管压力P_d求出地层压力P_b；

S2、根据地层压力P_b计算所需加重钻井液密度为ρ_m1；

S3、利用入侵气体体积V_b、地层压力P_b和钻杆套管环空容积C_t计算出最高套压值P_am；

S4、根据最高套压值P_am和井场储备泥浆密度ρ_mr，计算出将套压值降低至安全值以下所 需的井场储备泥浆高度h_mr；

S5、根据泵的额定压力设计压井排量Q_压井，泵入井场储备泥浆；

S6、根据步骤S2算得的加重钻井液密度ρ_m1配制加重钻井液，并用加重钻井液替换出环 空中井场储备泥浆，完成压井。

所述的步骤S1应用常规压井理论，计算地层压力大小，即：

P_b＝P_d+ρ_mgH

式中P_b为地层压力，MPa；

P_d为关井立管压力，MPa；

ρ_m为原钻井液密度，g/cm³；

H为井深，m。

所述的步骤S2根据常规压井理论，利用地层压力P_b计算所需加重钻井液密度ρ_m1：

${\rho }_{m1}=\frac{P_b}{H}=\frac{{\rho }_m\mathrm{gH}+P_d}{H}.$

所述的步骤S3根据气体状态方程计算压井过程中出现的最大套压P_am：

$P_{\mathrm{am}}=\frac{P_d+\sqrt{P_d^2+\frac{4z_a{T}_a{\rho }_m{P}_b{V}_b}{z_b{T}_b{C}_t}}}{2}$

$C_t=\frac{\pi }{4}(d_t^2-d_b^2)$

T_b＝T_a+G_gH

式中z_a、z_b分别为井口、井底的气体压缩因子，通过压缩因子版图确定；

T_a、T_b分别是井口、井底的温度，K；

G_g为地温梯度，K/m；

V_b为入侵气体体积，即压井液池体积增加量，m³；

C_t为钻杆套管环空容积，m³/m；

d_t为套管内径，m；

d_b为钻杆外径，m；

P_d为关井立管压力，MPa；

ρ_m为原钻井液密度，g/cm³；

P_b为地层压力，MPa。

所述的步骤S4包括计算泵入在环空中高度为h_mr的井场储备泥浆后的套压，根据所设计 的套压值反推储备泥浆的高度，其计算式为：

$h_{\mathrm{mr}}=\frac{P_b-x{P}_{\mathrm{am}}-{\rho }_{m}g{L}_v-{\rho }_{m1}g(H-h_g-L_v)}{({\rho }_{\mathrm{mr}}-{\rho }_{m1})g},$

$L_v=\frac{\pi (d_d^2{H}_d+d_p^2{H}_p)}{4C_t};$

式中x为安全系数，取值在0～1之间；

P_b为地层压力，MPa；

P_am为常规压井过程中出现的最大套压值，MPa；

ρ_mr为井场储备泥浆密度，g/cm³；

h_mr为井场储备泥浆高度，m；

ρ_m为原钻井液密度，g/cm³；

L_v为钻杆容积在环空中的高度，m；

d_d为钻杆内径，m；

H_d为钻杆长度，m；

d_p为钻铤内径，m；

H_p为钻铤长度，m；

ρ_m1为加重钻井液密度，g/cm³；

h_g为入侵气体在井口时的高度，m。

本发明具有以下优点：本发明在通过井场储备泥浆来降低常规压井过程中出现的套压“尖 峰”，减少压井过程中能够减少压井等待时间，降低井口套压，降低常规压井压漏薄弱地层(套 管鞋)、套压超过地面设备安全压力值等风险，减小压井过程中井漏及井口设备损坏的风险， 等待时间短，从而达到安全快速压井的目的，且本发明取材方便快捷、易于实现、施工方便。

附图说明

图1为本发明的物理模型的结构示意图

图2为是常规压井方法套压曲线(工程师法)

图3为是利用井场储备泥浆压井套压曲线

图中，1-钻柱，2-井眼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

本发明通过建立一个利用井场储备泥浆降低压井时的套压值变化的物理模型作为对本发 明进行进一步阐述的实施例：其物理模型如图1所示，包括钻柱1和井眼2；假设入侵气体 是整体向上运移，且与泥浆无相对滑动，即随着气体向上运移，气柱上的泥浆被顶出环空； 该模型的建立有利于分析压井过程中，套压值的变化，便于准确控制套压。

一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法，它包括以下步骤：

S1、利用原钻井液密度ρ_m和关井立管压力P_d求出地层压力P_b；

应用常规压井理论，计算地层压力大小，即：

P_b＝P_d+ρ_mgH

式中P_b为地层压力，MPa；

P_d为关井立管压力，MPa；

ρ_m为原钻井液密度g/cm³；

H为井深，m；

式中P_d、ρ_m和H的数值均通过测量获得。

S2、根据常规压井理论，利用地层压力P_b计算所需加重钻井液密度ρ_m1：

${\rho }_{m1}=\frac{P_b}{H}=\frac{{\rho }_m\mathrm{gH}+P_d}{H}$

式中ρ_m1为加重钻井液密度，g/cm³；

P_b为地层压力，MPa；

H为井深，m；

ρ_m为原钻井液密度，g/cm³；

P_d为关井立管压力，MPa；

P_d、ρ_m和H的数值均通过测量获得。

S3、利用入侵气体体积V_b、地层压力P_b和钻杆套管环空容积C_t计算出最高套压值P_am；

假设入侵气体整体向上运移。根据气体状态方程计算压井过程中出现的最大套压值P_am：

$P_{\mathrm{am}}=\frac{P_d+\sqrt{P_d^2+\frac{4z_a{T}_a{\rho }_m{P}_b{V}_b}{z_b{T}_b{C}_t}}}{2}$

$C_t=\frac{\pi }{4}(d_t^2-d_b^2)$

T_b＝T_a+G_gH

式中z_a、z_b分别为井口、井底的气体压缩因子，通过压缩因子版图确定；

T_a、T_b分别是井口、井底的温度，K；

G_g为地温梯度，K/m；

V_b为入侵气体体积，即压井液池体积增加量，m³；

C_t为钻杆套管环空容积，m³/m；

d_t为套管内径，m；

d_b为钻杆外径，m；

P_d为关井立管压力，MPa；

ρ_m为原钻井液密度，g/cm³；

P_b为地层压力，MPa。

式中T_a、V_b、d_t、d_b、P_d和ρ_m的数值均通过测量获得。

S4、根据最高套压值P_am和井场储备泥浆密度ρ_mr，计算出将套压值降低至安全值以下所 需的井场储备泥浆高度h_mr；

考虑到套管鞋处地层破裂压力和井口装置承压能力，将利用井场储备泥浆压井过程中出 现的最高套压值设定为xP_am，x取值0—1；

该步骤包括计算泵入在环空中高度为h_mr的井场储备泥浆后的套压，根据所设计的套压 值反推储备泥浆的高度，其计算式为：

$h_{\mathrm{mr}}=\frac{P_b-x{P}_{\mathrm{am}}-{\rho }_{m}g{L}_v-{\rho }_{m1}g(H-h_g-L_v)}{({\rho }_{\mathrm{mr}}-{\rho }_{m1})g}$

$L_v=\frac{\pi (d_d^2{H}_d+d_p^2{H}_p)}{4C_t}$

式中x为安全系数，取值在0～1之间；

P_b为地层压力，MPa；

P_am为常规压井过程中出现的最大套压值，MPa；

ρ_mr为井场储备泥浆密度，g/cm³；

h_mr为井场储备泥浆高度，m；

ρ_m为原钻井液密度，g/cm³；

L_v为钻杆容积在环空中的高度，m；

d_d为钻杆内径，m；

H_d为钻杆长度，m；

d_p为钻铤内径，m；

H_p为钻铤长度，m；

ρ_m1为加重钻井液密度，g/cm³；

h_g为入侵气体在井口时的高度，m；

式中ρ_mr和ρ_m的数值均通过测量获得。

S5、根据泵的额定工作压力设计压井排量Q_压井，泵入井场储备泥浆；

P_额定压力>P_循环压力+P_d

因此，Q_压井＝(1/3～1/2)Q_正常

P_d为关井立管压力，MPa；

P_循环压力的数值通过测量获得。

S6、根据步骤S2算得的加重钻井液密度ρ_m1配制加重钻井液，泵入加重钻井液，用加重 钻井液替换出环空中井场储备泥浆，完成压井。

实际操作时，利用原钻井液密度ρ_m和关井立管压力P_d求出地层压力P_b；利用地层压力 P_b计算所需加重钻井液密度ρ_m1；根据入侵气体体积V_b、地层压力P_b和钻杆套管环空容积C_t求出最高套压值P_am；根据P_am与井场储备泥浆密度ρ_mr以及钻杆容积在环空中的高度L_v求出 井场储备泥浆高度h_mr；根据泵的额定压力设计压井排量Q_压井，并泵入井场储备泥浆；根据 计算所得的加重钻井液密度ρ_m1配制加重钻井液，并泵入井筒，用加重钻井液替换出环空内 井场储备泥浆，恢复和建立井筒—地层压力平衡，完成压井。

在本发明中，建立利用井场储备泥浆降低压井时的套压值变化的物理模型包括以下内容： 假设入侵气体是整体运移，且与泥浆无相对滑动；并忽略泵入井场储备泥浆和加重钻井液之 前的隔离液；所建立的物理模型如图1所示。

在本发明中，所述步骤S4中，确定所需井场储备泥浆高度h_mr包含以下内容：

气体满足气体状态方程：PV＝znRT

则$\frac{P_a{V}_a}{z_a{T}_a}=\frac{P_b{V}_b}{z_b{T}_b}$

式中

P_a为套压，MPa

P_b为地层压力，MPa；

V_a为气体运移到井口时的体积，m³；

V_b为入侵气体体积，m³；

z_a为井口气体压缩因子；

z_b为井底的气体压缩因子；

气体运移到井口时的气柱高度：

$h_g=\frac{V_a}{C_t}$

式中h_g为气体运移到井口时的气柱高度；

V_a为气体运移到井口时的体积，m³；

C_t为钻杆套管环空容积，m³/m。

所需井场储备泥浆高度计算式：

$h_{\mathrm{mr}}=\frac{P_b-x{P}_{\mathrm{am}}-{\rho }_{m}g{L}_v-{\rho }_{m1}g(H-h_g-L_v)}{({\rho }_{\mathrm{mr}}-{\rho }_{m1})g}$

式中x为安全系数，取值在0～1之间；

P_b为地层压力，MPa；

P_am为常规压井过程中出现的最大套压值，MPa；

ρ_mr为井场储备泥浆密度，g/cm³；

h_mr为井场储备泥浆高度，m；

ρ_m为原钻井液密度，g/cm³；

L_v为钻杆容积在环空中的高度，m；

ρ_m1为加重钻井液密度，g/cm³；

h_g为入侵气体在井口时的高度，m。

如建立的物理模型所示，得出井口套压：

P_al＝P_b-ρ_mrgh_mr-ρ_mgh_m-ρ_mggh_g

式中P_b为地层压力，MPa；

ρ_mr为井场储备泥浆密度，g/cm³；

h_mr为井场储备泥浆高度，m；

h_m为原钻井液高度，m；

ρ_m为原钻井液密度，g/cm³；

ρ_mg为入侵气体密度，g/cm³；

h_g为入侵气体在井口时的高度，m。

根据所设计的套压计算所需的井场储备泥浆高度。

将如图2所示的常规压井套压曲线(工程师法)和如图3所示的利用井场储备泥浆压井 套压曲线，放到一起，进行直观对比。图中，t₁是压井泥浆到达钻头处；t₂是入侵气体顶端 到达井口；t₃是气体完全排出井眼；t₄加重钻井液(图2)/井场储备泥浆(图3)到达井口。