一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法
【专利摘要】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 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 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、配制加重钻井液，替换出环空内井场储备泥浆，完成压井。本发明的有益效果是：能够减少压井等待时间，降低井口套压，实现安全快速压井，且易于实现、施工方便。
【专利说明】一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]压井是在钻井过程中由于地层一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，恢复和重建地层一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一地层压力系统平衡的压井方法。
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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:
[0006]S1、利用原钻井液密度P m和关井立管压力Pd求出地层压力Pb ；
[0007]S2、根据地层压力Pb计算所需加重钻井液密度为P ffll ；
[0008]S3、利用入侵气体体积Vb、地层压力Pb和钻杆套管环空容积Ct计算出最高套压值
P.L am 9
[0009]S4、根据最高套压值Pam和井场储备泥浆密度P ?，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? ；
[0010]S5、根据泵的额定压力设计压井排量Q_，泵入井场储备泥浆；
[0011]S6、根据步骤S2算得的加重钻井液密度P ml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衆，完成压井。
[0012]所述的步骤SI应用常规压井理论，计算地层压力大小，即:
[0013]Pb = Pd+pmgH
[0014]式中Pb为地层压力，MPa ;
[0015]Pd为关井立管压力，MPa ；
[0016]P m为原钻井液密度，g/cm3 ;
[0017]H 为井深，m。
[0018]所述的步骤S2根据常规压井理论，利用地层压力Pb计算所需加重钻井液密度
P ml:
[0019]PP、'
Fm' H H
[0020]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Pam:
P , In2 PmPK
[0021]_ u j u --JbCt
± am2
[0022]CrjiClrd^
[0023]Tb = Ta+GgH
[0024]式中za、zb分别为井口、井底的气体压缩因子，通过压缩因子版图确定；
[0025]Ta、Tb分别是井口、井底的温度，K ；
[0026]Gg为地温梯度，K/m;
[0027]Vb为入侵气体体积，即压井液池体积增加量，m3 ；
[0028]Ct为钻杆套管环空容积，m3/m ；
[0029]dt为套管内径，m;
[0030]db为钻杆外径，m ；
[0031 ]Pd为关井立管压力，MPa ；
[0032]P m为原钻井液密度，g/cm3 ；
[0033]Pb为地层压力，MPa。
[0034]所述的步骤S4包括计算泵入在环空中高度为h?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:
Γηη?Γ,? Pr xP■ -P?'gL「P?H -hg_U，
[0035]Jjmt =-J--—-
[0036]L = T^dMλ+d ,H.“ 4C,
[0037]式中X为安全系数，取值在O?I之间；
[0038]Pb为地层压力，MPa;
[0039]Pam为常规压井过程中出现的最大套压值，MPa ；
[0040]P ?为井场储备泥浆密度，g/cm3 ；
[0041]hmr为井场储备泥浆高度，m ；
[0042]P m为原钻井液密度，g/cm3 ；
[0043]Lv为钻杆容积在环空中的高度，m ；
[0044]dd为钻杆内径，m;
[0045]Hd为钻杆长度，m;
[0046]dp为钻铤内径，m;
[0047]Hp为钻铤长度，m;
[0048]P ml为加重钻井液密度，g/cm3 ；
[0049]hg为入侵气体在井口时的高度，m。
[0050]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0051]图1为本发明的物理模型的结构示意图
[0052]图2为是常规压井方法套压曲线(工程师法)
[0053]图3为是利用井场储备泥浆压井套压曲线
[0054]图中，1-钻柱，2-井眼。
【具体实施方式】
[0055]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:
[0056]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I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。
[0057]—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:
[0058]S1、利用原钻井液密度P m和关井立管压力Pd求出地层压力Pb ；
[0059]应用常规压井理论，计算地层压力大小，即:
[0060]Pb = Pd+ P mgH
[0061]式中Pb为地层压力，MPa ;
[0062]Pd为关井立管压力，MPa ；
[0063]P m为原钻井液密度g/cm3 ；
[0064]H 为井深，m;
[0065]式中Pd、P m和H的数值均通过测量获得。
[0066]S2、根据常规压井理论，利用地层压力Pb计算所需加重钻井液密度P ffll:
[。。67] pmrjf-Pmg^ Pi
[0068]式中P ml为加重钻井液密度，g/cm3 ；
[0069]Pb为地层压力，MPa;
[0070]H 为井深，m;
[0071]P m为原钻井液密度，g/cm3 ；
[0072]Pd为关井立管压力，MPa ；
[0073]Pd、p m和H的数值均通过测量获得。
[0074]S3、利用入侵气体体积Vb、地层压力Pb和钻杆套管环空容积Ct计算出最高套压值
P.L am 9
[0075]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 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分别为井口、井底的气体压缩因子，通过压缩因子版图确定；
[0080]Ta、Tb分别是井口、井底的温度，K ；
[0081]Gg为地温梯度，K/m;
[0082]Vb为入侵气体体积，即压井液池体积增加量，m3 ；
[0083]Ct为钻杆套管环空容积，m3/m ；
[0084]dt为套管内径，m;
[0085]db为钻杆外径，m ；
[0086]Pd为关井立管压力，MPa ；
[0087]P m为原钻井液密度，g/cm3 ；
[0088]Pb为地层压力，MPa。
[0089]式中Ta、Vb, dt、db、Pd和P u的数值均通过测量获得。
[0090]S4、根据最高套压值Pam和井场储备泥浆密度P ?，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? ；
[0091]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xPam，X取值O— I ；
[0092]该步骤包括计算泵入在环空中高度为h?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:
「nnnw, P,~^PPJgL ~ριημ(Η-hrL,)
[0093]h;_
[0094]T = 'TH + H、
L 4C,
[0095]式中X为安全系数，取值在O?I之间；
[0096]Pb为地层压力，MPa;
[0097]Pam为常规压井过程中出现的最大套压值，MPa ；
[0098]P ?为井场储备泥浆密度，g/cm3 ；
[0099]hmr为井场储备泥浆高度，m ；
[0100]P m为原钻井液密度，g/cm3 ；
[0101]Lv为钻杆容积在环空中的高度，m ；
[0102]dd为钻杆内径，m;
[0103]Hd为钻杆长度，m ；
[0104]dp为钻铤内径，m;
[0105]Hp为钻铤长度，m;
[0106]P ml为加重钻井液密度，g/cm3 ；
[0107]\为入侵气体在井口时的高度，m ;
[0108]式中P ?和P m的数值均通过测量获得。
[0109]S5、根据泵的额定工作压力设计压井排量，泵入井场储备泥浆；
[0110]P额定压力〉P循环压力+Pd
[0111]因此，Q压井=(1/3?l/2)Q正常
[0112]Pd为关井立管压力，MPa ;
[0113]P 的数值通过测量获得。
[0114]S6、根据步骤S2算得的加重钻井液密度Pnil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衆，完成压井。
[0115]实际操作时，利用原钻井液密度P1^P关井立管压力Pd求出地层压力Pb ;利用地层压力Pb计算所需加重钻井液密度P ffll;根据入侵气体体积vb、地层压力Pb和钻杆套管环空容积Ct求出最高套压值Pam;根据Pam与井场储备泥浆密度P ?以及钻杆容积在环空中的高度Lv求出井场储备泥浆高度h? ;根据泵的额定压力设计压井排量Qffi#，并泵入井场储备泥浆；根据计算所得的加重钻井液密度P ml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，恢复和建立井筒一地层压力平衡，完成压井。
[0116]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。
[0117]在本发明中，所述步骤S4中，确定所需井场储备泥浆高度h?包含以下内容:
[0118]气体满足气体状态方程:PV = znRT
「ηm I P&K —
[0119]贝丨
~a a ~b b
[0120]式中
[0121]PaS 套压，MPa
[0122]Pb为地层压力，MPa ；
[0123]Va为气体运移到井口时的体积，m3 ；
[0124]Vb为入侵气体体积，m3 ;
[0125]ZaS井口气体压缩因子；
[0126]zb为井底的气体压缩因子；
[0127]气体运移到井口时的气柱高度:
V
[0128]\=才
[0129]式中hg为气体运移到井口时的气柱高度；
[0130]Va为气体运移到井口时的体积，m3 ；
[0131]Ct为钻杆套管环空容积，m3/m。
[0132]所需井场储备泥浆高度计算式:
Pd; p?'gL、_ P JXH-Ji1-U
[0133]
[0134]式中X为安全系数，取值在O?I之间；
[0135]Pb为地层压力，MPa;
[0136]Pam为常规压井过程中出现的最大套压值，MPa ；
[0137]P ?为井场储备泥浆密度，g/cm3 ；
[0138]hmr为井场储备泥浆高度，m ；
[0139]P m为原钻井液密度，g/cm3 ；
[0140]Lv为钻杆容积在环空中的高度，m ；
[0141]P ml为加重钻井液密度，g/cm3 ；
[0142]\为入侵气体在井口时的高度，m。
[0143]如建立的物理模型所示，得出井口套压:
[0144]Pal = Pb- P mrghmr- P mghm- P mgghg
[0145]式中Pb为地层压力，MPa ;
[0146]P ?为井场储备泥浆密度，g/cm3 ；
[0147]hmr为井场储备泥浆高度，m ；
[0148]hm为原钻井液高度，m;
[0149]P m为原钻井液密度，g/cm3 ；
[0150]P mg为入侵气体密度，g/cm3 ；
[0151]\为入侵气体在井口时的高度，m。
[0152]根据所设计的套压计算所需的井场储备泥浆高度。
[0153]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，^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。
【权利要求】
1.一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法，其特征在于:它包括以下步骤: 51、利用原钻井液密度Pm和关井立管压力Pd求出地层压力Pb ； 52、根据地层压力Pb计算所需加重钻井液密度为Pffll ；53、利用入侵气体体积Vb、地层压力Pb和钻杆套管环空容积Ct计算出最高套压值Pam； 54、根据最高套压值Pam和井场储备泥浆密度P?，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； 55、根据泵的额定压力设计压井排量，泵入井场储备泥浆； 56、根据步骤S2算得的加重钻井液密度Pml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衆，完成压井。
2.根据权利要求1所述的一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法，其特征在于:所述的步骤SI应用常规压井理论，计算地层压力大小，即:
Pb = Pd+ P mgH 式中Pb为地层压力，MPa ； Pd为关井立管压力，MPa; P m为原钻井液密度g/cm3 ； H为井深，m。
3.根据权利要求1所述的一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法，其特征在于:所述的步骤S2根据常规压井理论，计算所需加重钻井液密度P ffll: I P, fK'gH P、' n Ρ;?Γ H~
4.根据权利要求1所述的一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法，其特征在于: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Pam:
P , Ιη2.P i V, JT am， Cr^(d'rd?;
Tb = Ta+GgH ； 式中za、zb分别为井口、井底的气体压缩因子，通过压缩因子版图确定； Ta、Tb分别是井口、井底的温度，K ； Gg为地温梯度，K/m ； Vb为入侵气体体积，即压井液池体积增加量，Hl3 ; Ct为钻杆套管环空容积，m3/m ； dt为套管内径，m ； db为钻杆外径，m ； Pd为关井立管压力，MPa; P m为原钻井液密度g/cm3 ； Pb为地层压力，MPa。
5.根据权利要求1所述的一种利用井场储备泥浆降低压井套压的方法，其特征在于:所述的步骤S4包括计算泵入在环空中高度为h?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: ,P,-xP^-p?gLrp?^H -h-L.^ /mi(PmrP )g
''广 IllL.ml 式中Pb为地层压力，MPa ； X为安全系数，取值在O?I之间； Paffl为常规压井过程中出现的最大套压值，MPa ； P ?为井场储备泥衆密度，g/cm3 ； hmr为井场储备泥浆高度，m ； P m为原钻井液密度g/cm3 ； Lv为钻杆容积在环空中的高度，m ； P ml为加重钻井液密度，g/cm3 ； hg为入侵气体在井口时的高度，m。
【文档编号】E21B21/08GK104265215SQ201410500190
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】张 杰, 刘虎, 赵远畅, 陈雪峰, 宋国志, 张先涛 申请人:西南石油大学