一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法

一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，它包括以下步驟：S1、利用原鉆井液密度 ρ m和關(guān)井立管壓力 P d求出地層壓力 P b；S2、根據(jù)地層壓力 P b計算所需加重鉆井液密度 ρ m1；S3、利用入侵氣體體積 V b、地層壓力 P b和鉆桿套管環(huán)空容積 C t計算出最高套壓值 P am；S4、根據(jù)最高套壓值 P am和井場儲備泥漿密度 ρ mr，計算出將套壓值降低至安全值以下所需的井場儲備泥漿高度 h mr；S5、根據(jù)泵的額定壓力設(shè)計壓井排量 Q 壓井，泵入井場儲備泥漿；S6、配制加重鉆井液，替換出環(huán)空內(nèi)井場儲備泥漿，完成壓井。本發(fā)明的有益效果是：能夠減少壓井等待時間，降低井口套壓，實現(xiàn)安全快速壓井，且易于實現(xiàn)、施工方便。
【專利說明】一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓井【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]壓井是在鉆井過程中由于地層一井筒內(nèi)壓力系統(tǒng)失去平衡發(fā)生溢流后，向井內(nèi)泵入一定密度的鉆井液，恢復(fù)和重建地層一井筒壓力平衡的過程。目前，常規(guī)壓井方法有司鉆法(兩步控制法)和工程師法(等待加重法)。司鉆法壓井分兩個循環(huán)周進行，第一循環(huán)周采用原密度鉆井液循環(huán)出環(huán)空中被氣侵的鉆井液；第二循環(huán)周泵入按關(guān)井立管壓力求得的加重鉆井液置換出井筒內(nèi)的原密度鉆井液，從而恢復(fù)建立井筒壓力系統(tǒng)平衡。而工程師法壓井是溢流關(guān)井后，根據(jù)關(guān)井立管壓力求得地層壓力，待配制好所需壓井密度的鉆井液后，通過一個循環(huán)周排出氣侵鉆井液同時恢復(fù)建立井筒一地層壓力系統(tǒng)平衡的壓井方法。
[0003]但常規(guī)壓井方法，不管是司鉆法還是工程師法，在循環(huán)排出入侵氣體的過程中，套壓都會逐漸升高。在氣體頂部到達井口時，套壓達到最大值，通常為關(guān)井套壓的2— 3倍。在如此高的套壓下，薄弱地層(套管鞋處)可能被壓漏，造成井下復(fù)雜事故；不斷升高的套壓也可能超過地面設(shè)備的承壓能力，引發(fā)安全事故。所以研究出的利用井場儲備泥漿降低壓井時井口套壓的壓井方法，對減少壓井等待時間，提高壓井效率，降低壓井風(fēng)險，增大壓井成功率有重要作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種等待時間短、施工方便、風(fēng)險低、利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，減少壓井等待時間、降低常規(guī)壓井過程中出現(xiàn)的過高的套壓值，降低壓井風(fēng)險，屬于一種超重密度壓井方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，它包括以下步驟:
[0006]S1、利用原鉆井液密度P m和關(guān)井立管壓力Pd求出地層壓力Pb ；
[0007]S2、根據(jù)地層壓力Pb計算所需加重鉆井液密度為P ffll ；
[0008]S3、利用入侵氣體體積Vb、地層壓力Pb和鉆桿套管環(huán)空容積Ct計算出最高套壓值
P.L am 9
[0009]S4、根據(jù)最高套壓值Pam和井場儲備泥漿密度P ?，計算出將套壓值降低至安全值以下所需的井場儲備泥漿高度h? ；
[0010]S5、根據(jù)泵的額定壓力設(shè)計壓井排量Q_，泵入井場儲備泥漿；
[0011]S6、根據(jù)步驟S2算得的加重鉆井液密度P ml配制加重鉆井液，并用加重鉆井液替換出環(huán)空中井場儲備泥衆(zhòng)，完成壓井。
[0012]所述的步驟SI應(yīng)用常規(guī)壓井理論，計算地層壓力大小，即:
[0013]Pb = Pd+pmgH
[0014]式中Pb為地層壓力，MPa ;
[0015]Pd為關(guān)井立管壓力，MPa ；
[0016]P m為原鉆井液密度，g/cm3 ;
[0017]H 為井深，m。
[0018]所述的步驟S2根據(jù)常規(guī)壓井理論，利用地層壓力Pb計算所需加重鉆井液密度
P ml:
[0019]PP、'
Fm' H H
[0020]所述的步驟S3根據(jù)氣體狀態(tài)方程計算壓井過程中出現(xiàn)的最大套壓Pam:
P , In2 PmPK
[0021]_ u j u --JbCt
± am2
[0022]CrjiClrd^
[0023]Tb = Ta+GgH
[0024]式中za、zb分別為井口、井底的氣體壓縮因子，通過壓縮因子版圖確定；
[0025]Ta、Tb分別是井口、井底的溫度，K ；
[0026]Gg為地溫梯度，K/m;
[0027]Vb為入侵氣體體積，即壓井液池體積增加量，m3 ；
[0028]Ct為鉆桿套管環(huán)空容積，m3/m ；
[0029]dt為套管內(nèi)徑，m;
[0030]db為鉆桿外徑，m ；
[0031 ]Pd為關(guān)井立管壓力，MPa ；
[0032]P m為原鉆井液密度，g/cm3 ；
[0033]Pb為地層壓力，MPa。
[0034]所述的步驟S4包括計算泵入在環(huán)空中高度為h?的井場儲備泥漿后的套壓，根據(jù)所設(shè)計的套壓值反推儲備泥漿的高度，其計算式為:
Γηη?Γ,? Pr xP■ -P?'gL「P?H -hg_U，
[0035]Jjmt =-J--—-
[0036]L = T^dMλ+d ,H.“ 4C,
[0037]式中X為安全系數(shù)，取值在O?I之間；
[0038]Pb為地層壓力，MPa;
[0039]Pam為常規(guī)壓井過程中出現(xiàn)的最大套壓值，MPa ；
[0040]P ?為井場儲備泥漿密度，g/cm3 ；
[0041]hmr為井場儲備泥漿高度，m ；
[0042]P m為原鉆井液密度，g/cm3 ；
[0043]Lv為鉆桿容積在環(huán)空中的高度，m ；
[0044]dd為鉆桿內(nèi)徑，m;
[0045]Hd為鉆桿長度，m;
[0046]dp為鉆鋌內(nèi)徑，m;
[0047]Hp為鉆鋌長度，m;
[0048]P ml為加重鉆井液密度，g/cm3 ；
[0049]hg為入侵氣體在井口時的高度，m。
[0050]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:本發(fā)明在通過井場儲備泥漿來降低常規(guī)壓井過程中出現(xiàn)的套壓“尖峰”，減少壓井過程中能夠減少壓井等待時間，降低井口套壓，降低常規(guī)壓井壓漏薄弱地層(套管鞋)、套壓超過地面設(shè)備安全壓力值等風(fēng)險，減小壓井過程中井漏及井口設(shè)備損壞的風(fēng)險，等待時間短，從而達到安全快速壓井的目的，且本發(fā)明取材方便快捷、易于實現(xiàn)、施工方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]圖1為本發(fā)明的物理模型的結(jié)構(gòu)示意圖
[0052]圖2為是常規(guī)壓井方法套壓曲線(工程師法)
[0053]圖3為是利用井場儲備泥漿壓井套壓曲線
[0054]圖中，1-鉆柱，2-井眼。

【具體實施方式】
[0055]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述，本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述:
[0056]本發(fā)明通過建立一個利用井場儲備泥漿降低壓井時的套壓值變化的物理模型作為對本發(fā)明進行進一步闡述的實施例:其物理模型如圖1所示，包括鉆柱I和井眼2 ;假設(shè)入侵氣體是整體向上運移，且與泥漿無相對滑動，即隨著氣體向上運移，氣柱上的泥漿被頂出環(huán)空；該模型的建立有利于分析壓井過程中，套壓值的變化，便于準(zhǔn)確控制套壓。
[0057]—種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，它包括以下步驟:
[0058]S1、利用原鉆井液密度P m和關(guān)井立管壓力Pd求出地層壓力Pb ；
[0059]應(yīng)用常規(guī)壓井理論，計算地層壓力大小，即:
[0060]Pb = Pd+ P mgH
[0061]式中Pb為地層壓力，MPa ;
[0062]Pd為關(guān)井立管壓力，MPa ；
[0063]P m為原鉆井液密度g/cm3 ；
[0064]H 為井深，m;
[0065]式中Pd、P m和H的數(shù)值均通過測量獲得。
[0066]S2、根據(jù)常規(guī)壓井理論，利用地層壓力Pb計算所需加重鉆井液密度P ffll:
[。。67] pmrjf-Pmg^ Pi
[0068]式中P ml為加重鉆井液密度，g/cm3 ；
[0069]Pb為地層壓力，MPa;
[0070]H 為井深，m;
[0071]P m為原鉆井液密度，g/cm3 ；
[0072]Pd為關(guān)井立管壓力，MPa ；
[0073]Pd、p m和H的數(shù)值均通過測量獲得。
[0074]S3、利用入侵氣體體積Vb、地層壓力Pb和鉆桿套管環(huán)空容積Ct計算出最高套壓值
P.L am 9
[0075]假設(shè)入侵氣體整體向上運移。根據(jù)氣體狀態(tài)方程計算壓井過程中出現(xiàn)的最大套壓值 Pam:

P , Ip2 I 4-'1>?瓦
[0076]^ G fJ ZbJbCl
P 二-1-
J- amηι
[0077]Crj(drdP
[0078]Tb = Ta+GgH
[0079]式中za、zb分別為井口、井底的氣體壓縮因子，通過壓縮因子版圖確定；
[0080]Ta、Tb分別是井口、井底的溫度，K ；
[0081]Gg為地溫梯度，K/m;
[0082]Vb為入侵氣體體積，即壓井液池體積增加量，m3 ；
[0083]Ct為鉆桿套管環(huán)空容積，m3/m ；
[0084]dt為套管內(nèi)徑，m;
[0085]db為鉆桿外徑，m ；
[0086]Pd為關(guān)井立管壓力，MPa ；
[0087]P m為原鉆井液密度，g/cm3 ；
[0088]Pb為地層壓力，MPa。
[0089]式中Ta、Vb, dt、db、Pd和P u的數(shù)值均通過測量獲得。
[0090]S4、根據(jù)最高套壓值Pam和井場儲備泥漿密度P ?，計算出將套壓值降低至安全值以下所需的井場儲備泥漿高度h? ；
[0091]考慮到套管鞋處地層破裂壓力和井口裝置承壓能力，將利用井場儲備泥漿壓井過程中出現(xiàn)的最高套壓值設(shè)定為xPam，X取值O— I ；
[0092]該步驟包括計算泵入在環(huán)空中高度為h?的井場儲備泥漿后的套壓，根據(jù)所設(shè)計的套壓值反推儲備泥漿的高度，其計算式為:
「nnnw, P,~^PPJgL ~ριημ(Η-hrL,)
[0093]h;_
[0094]T = 'TH + H、
L 4C,
[0095]式中X為安全系數(shù)，取值在O?I之間；
[0096]Pb為地層壓力，MPa;
[0097]Pam為常規(guī)壓井過程中出現(xiàn)的最大套壓值，MPa ；
[0098]P ?為井場儲備泥漿密度，g/cm3 ；
[0099]hmr為井場儲備泥漿高度，m ；
[0100]P m為原鉆井液密度，g/cm3 ；
[0101]Lv為鉆桿容積在環(huán)空中的高度，m ；
[0102]dd為鉆桿內(nèi)徑，m;
[0103]Hd為鉆桿長度，m ；
[0104]dp為鉆鋌內(nèi)徑，m;
[0105]Hp為鉆鋌長度，m;
[0106]P ml為加重鉆井液密度，g/cm3 ；
[0107]\為入侵氣體在井口時的高度，m ;
[0108]式中P ?和P m的數(shù)值均通過測量獲得。
[0109]S5、根據(jù)泵的額定工作壓力設(shè)計壓井排量，泵入井場儲備泥漿；
[0110]P額定壓力〉P循環(huán)壓力+Pd
[0111]因此，Q壓井=(1/3?l/2)Q正常
[0112]Pd為關(guān)井立管壓力，MPa ;
[0113]P 的數(shù)值通過測量獲得。
[0114]S6、根據(jù)步驟S2算得的加重鉆井液密度Pnil配制加重鉆井液，泵入加重鉆井液，用加重鉆井液替換出環(huán)空中井場儲備泥衆(zhòng)，完成壓井。
[0115]實際操作時，利用原鉆井液密度P1^P關(guān)井立管壓力Pd求出地層壓力Pb ;利用地層壓力Pb計算所需加重鉆井液密度P ffll;根據(jù)入侵氣體體積vb、地層壓力Pb和鉆桿套管環(huán)空容積Ct求出最高套壓值Pam;根據(jù)Pam與井場儲備泥漿密度P ?以及鉆桿容積在環(huán)空中的高度Lv求出井場儲備泥漿高度h? ;根據(jù)泵的額定壓力設(shè)計壓井排量Qffi#，并泵入井場儲備泥漿；根據(jù)計算所得的加重鉆井液密度P ml配制加重鉆井液，并泵入井筒，用加重鉆井液替換出環(huán)空內(nèi)井場儲備泥漿，恢復(fù)和建立井筒一地層壓力平衡，完成壓井。
[0116]在本發(fā)明中，建立利用井場儲備泥漿降低壓井時的套壓值變化的物理模型包括以下內(nèi)容:假設(shè)入侵氣體是整體運移，且與泥漿無相對滑動；并忽略泵入井場儲備泥漿和加重鉆井液之前的隔離液；所建立的物理模型如圖1所示。
[0117]在本發(fā)明中，所述步驟S4中，確定所需井場儲備泥漿高度h?包含以下內(nèi)容:
[0118]氣體滿足氣體狀態(tài)方程:PV = znRT
「ηm I P&K —
[0119]貝丨

~a a ~b b
[0120]式中
[0121]PaS 套壓，MPa
[0122]Pb為地層壓力，MPa ；
[0123]Va為氣體運移到井口時的體積，m3 ；
[0124]Vb為入侵氣體體積，m3 ;
[0125]ZaS井口氣體壓縮因子；
[0126]zb為井底的氣體壓縮因子；
[0127]氣體運移到井口時的氣柱高度:
V
[0128]\=才
[0129]式中hg為氣體運移到井口時的氣柱高度；
[0130]Va為氣體運移到井口時的體積，m3 ；
[0131]Ct為鉆桿套管環(huán)空容積，m3/m。
[0132]所需井場儲備泥漿高度計算式:
Pd; p?'gL、_ P JXH-Ji1-U
[0133]
[0134]式中X為安全系數(shù)，取值在O?I之間；
[0135]Pb為地層壓力，MPa;
[0136]Pam為常規(guī)壓井過程中出現(xiàn)的最大套壓值，MPa ；
[0137]P ?為井場儲備泥漿密度，g/cm3 ；
[0138]hmr為井場儲備泥漿高度，m ；
[0139]P m為原鉆井液密度，g/cm3 ；
[0140]Lv為鉆桿容積在環(huán)空中的高度，m ；
[0141]P ml為加重鉆井液密度，g/cm3 ；
[0142]\為入侵氣體在井口時的高度，m。
[0143]如建立的物理模型所示，得出井口套壓:
[0144]Pal = Pb- P mrghmr- P mghm- P mgghg
[0145]式中Pb為地層壓力，MPa ;
[0146]P ?為井場儲備泥漿密度，g/cm3 ；
[0147]hmr為井場儲備泥漿高度，m ；
[0148]hm為原鉆井液高度，m;
[0149]P m為原鉆井液密度，g/cm3 ；
[0150]P mg為入侵氣體密度，g/cm3 ；
[0151]\為入侵氣體在井口時的高度，m。
[0152]根據(jù)所設(shè)計的套壓計算所需的井場儲備泥漿高度。
[0153]將如圖2所示的常規(guī)壓井套壓曲線(工程師法)和如圖3所示的利用井場儲備泥漿壓井套壓曲線，放到一起，進行直觀對比。圖中，^是壓井泥漿到達鉆頭處；t2是入侵氣體頂端到達井口 ；t3是氣體完全排出井眼；t4加重鉆井液(圖2)/井場儲備泥漿(圖3)到達井口。
【權(quán)利要求】
1.一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，其特征在于:它包括以下步驟: 51、利用原鉆井液密度Pm和關(guān)井立管壓力Pd求出地層壓力Pb ； 52、根據(jù)地層壓力Pb計算所需加重鉆井液密度為Pffll ；53、利用入侵氣體體積Vb、地層壓力Pb和鉆桿套管環(huán)空容積Ct計算出最高套壓值Pam； 54、根據(jù)最高套壓值Pam和井場儲備泥漿密度P?，計算出將套壓值降低至安全值以下所需的井場儲備泥漿高度； 55、根據(jù)泵的額定壓力設(shè)計壓井排量，泵入井場儲備泥漿； 56、根據(jù)步驟S2算得的加重鉆井液密度Pml配制加重鉆井液，并用加重鉆井液替換出環(huán)空中井場儲備泥衆(zhòng)，完成壓井。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，其特征在于:所述的步驟SI應(yīng)用常規(guī)壓井理論，計算地層壓力大小，即:
Pb = Pd+ P mgH 式中Pb為地層壓力，MPa ； Pd為關(guān)井立管壓力，MPa; P m為原鉆井液密度g/cm3 ； H為井深，m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，其特征在于:所述的步驟S2根據(jù)常規(guī)壓井理論，計算所需加重鉆井液密度P ffll: I P, fK'gH P、' n Ρ;?Γ H~
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，其特征在于:所述的步驟S3根據(jù)氣體狀態(tài)方程計算壓井過程中出現(xiàn)的最大套壓Pam:
P , Ιη2.P i V, JT am， Cr^(d'rd?;
Tb = Ta+GgH ； 式中za、zb分別為井口、井底的氣體壓縮因子，通過壓縮因子版圖確定； Ta、Tb分別是井口、井底的溫度，K ； Gg為地溫梯度，K/m ； Vb為入侵氣體體積，即壓井液池體積增加量，Hl3 ; Ct為鉆桿套管環(huán)空容積，m3/m ； dt為套管內(nèi)徑，m ； db為鉆桿外徑，m ； Pd為關(guān)井立管壓力，MPa; P m為原鉆井液密度g/cm3 ； Pb為地層壓力，MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用井場儲備泥漿降低壓井套壓的方法，其特征在于:所述的步驟S4包括計算泵入在環(huán)空中高度為h?的井場儲備泥漿后的套壓，根據(jù)所設(shè)計的套壓值反推儲備泥漿的高度，其計算式為: ,P,-xP^-p?gLrp?^H -h-L.^ /mi(PmrP )g

''廣 IllL.ml 式中Pb為地層壓力，MPa ； X為安全系數(shù)，取值在O?I之間； Paffl為常規(guī)壓井過程中出現(xiàn)的最大套壓值，MPa ； P ?為井場儲備泥衆(zhòng)密度，g/cm3 ； hmr為井場儲備泥漿高度，m ； P m為原鉆井液密度g/cm3 ； Lv為鉆桿容積在環(huán)空中的高度，m ； P ml為加重鉆井液密度，g/cm3 ； hg為入侵氣體在井口時的高度，m。
【文檔編號】E21B21/08GK104265215SQ201410500190
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】張 杰, 劉虎, 趙遠暢, 陳雪峰, 宋國志, 張先濤 申請人:西南石油大學(xué)