一种井底压力实时预测与控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种井底压力实时预测与控制方法，其步骤如下：a、基础数据采集，获取试钻的井下压力计数据；获取本井的基础数据；b、建立全井筒网格模型；c、建立全井筒单相流方程；d、静态计算与校核；e、变排量计算与校核；f、实时数据采集与处理；g、井底压力实时计算与自动控制，包括调用所有数据进行井底压力实时计算与控制。采用本方法，能够避免传统的利用环空多相流压耗计算带来的多相流模型复杂、流型判别难及关键系数难确定的问题，提高井底压力的计算精度。
【专利说明】
一种井底压力实时预测与控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于油气田勘探开发技术领域，确切地说涉及常规钻井、泥浆欠平衡/控压钻井的井筒压力控制方法。
【背景技术】
[0002]在常规钻井、泥浆欠平衡/控压钻井过程中，一直存在地层出气后面临的井控风险，而实时、快速和准确的预测井底压力对井控非常关键。并且，井底压力的实时预测与控制也是未来自动化钻井中井控自动化的关键核心技术。
[0003]在常规钻井、泥浆欠平衡/控压钻井中，井底压力数据通常采用随钻井底环空压力测量仪APWD(Annular Pressure While Drilling)，或者随钻压力测量仪PWD(PressureWhile Drilling)进行实测。但在某些高温高压井，仪器无法正常使用，或一些低成本井，无法承担过高的仪器费用。因此，井底压力都沿用经验或根据环空水力学模型实现预测。
[0004]井底压力预测一直沿用传统方法，即井底压力=液柱压力+环空压耗+井口回压。因此，环空压耗的准确计算成为各大高校及科研院所的重点研究方向。中国石油大学提出了一种基于钻井井筒多相流动计算的控制压力钻井方法[专利申请号为201210305533.1];中石油钻井工程技术研究院提出了一种控压钻井气液两相流动模拟计算方法[专利申请号为201410371178.7]以及一种实时校正井筒压力的方法[专利申请号201510567464.5]，以及大量的欠平衡/控压钻井文献和报告。但是，在钻遇地层出气后，井筒环空存在天然气、凝析油、钻井液等多相流体，环空运移过程中，牵涉到气泡流、断塞流和环雾流等多种流态以及相应的流型判别等，模型复杂、参数多、计算速度慢，因此，在地层出气后，井底压力预测难度较大，实现压力精准控制的难度更大。
[0005]在现有技术中，尚未存在忽略环空压耗计算的井底压力计算方法或软件。例如，软件方面:OLGA软件主要用来模拟井筒发生气侵或井喷时井筒气液两相流动参数；DRILLBENCH软件主要用来模拟钻井过程中，环空气液两相流导致的井底压力变化规律；中石油钻井工程技术研究院的控压钻井软件通过环空气液两相流计算和PWD校核进行控压钻井。方法方面:出现溢流压井过程中，维持立压恒定，但在停栗接单根或钻进过程中，仅看立压的方法不能应对变排量立压下的井底压力稳定。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种井底压力实时预测与控制方法，采用本方法，能够避免传统的利用环空多相流压耗计算带来的多相流模型复杂、流型判别难及关键系数难确定的问题，提高井底压力的计算精度，尤其适用于未使用APWD/PWD仪器的常规钻井、泥浆欠平衡/控压钻井中，解决地层出气时井底压力预测困难与井控风险控制难度大的难题。
[0008]本发明是通过采用下述技术方案实现的: 一种井底压力实时预测与控制方法，其特征在于步骤如下:
a、基础数据采集，获取试钻的井下压力计数据，所述数据是在井底压力实时预测与控制前通过下入井下压力计后起钻地面获取，包括正常钻进、接单根、起下钻及变排量试验数据；
获取本井的基础数据；
b、建立全井筒网格模型，所述模型包括已钻和未钻的井眼轨迹；
C、建立全井筒单相流方程，建立钻柱内和环空的水力学方程，所述水力学方程为单相流方程；
d、静态计算与校核，包括求解试钻时对应井深处的井底压力，并根据试钻时该井深获取的井下压力计数据，对钻柱内和环空的水力学系数进行校正，建立钻柱内和环空整个剖面的井深与压力的关系；
e、变排量计算与校核，包括求解同一井深变排量下的井底压力，并根据试钻时该井深获取的井下压力计数据，对钻柱内和环空的水力学系数进行校正；
f、实时数据采集与处理，包括建立通信协议，实时接收来自录井房或控压钻井系统或其它渠道来自该井的参与计算的录井数据，并对数据进行处理；
g、井底压力实时计算与自动控制，包括调用所有数据进行井底压力实时计算与控制。
[0009]本发明还进一步包括h、钻具组合变化后的井底压力实时计算与自动控制:
(1)地层未出气，采用a-g步骤执行；
(2)地层出气，采用下述方法，包括:
1)重新下入井下压力计行试钻，再次进行变排量试验；
2)修改本井基础数据；
3)建立全井筒网格模型；
4)仅建立钻柱内单相流计算模型，不再考虑环空；
5)起钻，获取井下压力计数据，对钻柱内计算出的井底压力校正；
6)实钻，对井底压力进行实时计算与自动控制。
[0010]所述步骤a中，本井的基础数据包括井身结构、井眼轨迹、钻具组合、钻头尺寸及喷嘴数量、钻井液流变参数、设计的安全密度窗口和地层温度。
[0011 ]所述步骤b中，在随钻井底压力计算时，根据来自实钻的实际井深，选取已钻部分的网格，并调用数据库关于该网格的基本参数，而未钻部分则不参与计算。
[0012]所述步骤c中，单相流方程包括:连续性方程、动量方程。
[0013]与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下:
(I)、本发明所述的方法可用于未使用APWD/PWD仪器的常规钻井、泥浆欠平衡/控压钻井中，解决地层出气时井底压力预测困难与井控风险控制难度大的难题。
[0014](2)、本发明所述的方法能够减少APWD/PWD仪器的使用费用，降低钻井成本。
[0015](3)、本发明所述的方法能够避免传统的利用环空多相流压耗计算带来的多相流模型复杂、流型判别难及关键系数难确定的问题，提高井底压力的计算精度。
[0016](4)本发明所述的方法采用的模型简单，能实时、快速和准确的计算出井底压力值，对井底压力的控制提供实时依据。
[0017]( 5)本发明所述的方法可成为自动化钻井中井控自动化的核心技术。
【附图说明】
[0018]下面将结合说明书附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明，其中:
图1是基于钻柱内计算的井底压力预测与控制方法流程示意图；
图2是钻具组合发生变化且地层出气井底压力预测与控制方法流程示意图；
图3是井底压力实时计算物理模型示意图；
图4是钻柱内与环空流体在地层出气前后流态变化示意图；
图5是井底压力实时控制不意图。
【具体实施方式】
[0019]下面将结合说明书示意图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0020]实施例1
作为本发明的最佳实施方式，其步骤包括:
a、基础数据采集
钻井前，地层未出气，下入井下压力计，进行试钻，开展变排量试验，排量按每次2?5L/s降低，每次时间间隔不低于2min，试钻结束，获取井下压力计数据，并与立压、排量数据时间一一对应，记录并存入数据库。
[0021]获取基本参数，包括:井身结构、井眼轨迹、钻具组合、钻头尺寸及喷嘴数量、钻井液流变参数、设计的安全密度窗口、地层温度。
[0022]井眼轨迹包括两部分数据。一部分是前一趟钻井的实际井眼轨迹，另一部分来自钻井设计，是未钻的设计轨迹。
[0023]钻具组合包括不同钻具的内径、外径及长度。
[0024]钻具接头由于压耗变化小可以忽略。
[0025]钻井液流变参数包括当前钻井液的密度、粘度和流变模型。
[0026]设计的安全密度窗口包括设计的地层压力、漏失压力及坍塌压力系数。
[0027]所有数据存入数据库。
[0028]b、建立全井筒网格模型
对钻柱内和环空的全井筒进行网格划分，网格长度不低于0.2m，并将所有钻井参数赋值于节点上，包括未钻的轨迹部分。
[0029]在随钻井底压力计算时，由于时间变化，实钻井深不断增加，此刻，根据来自实钻的实际井深，选取已钻部分的网格，并调用数据库关于该网格的基本参数，而未钻部分则不参与计算。
[0030]所有网格数据存入数据库。
[0031]C、建立全井筒单相流方程
基于地层未出气条件下，建立钻柱内、环空的流体力学方程，所述方程为单相流动方程，包括:连续性方程、动量方程。
[0032]d、静态计算与校核
根据井底压力实时计算物理模型，建立边界条件。
[0033]求解试钻时对应的井深处的井底压力，并根据试钻时该井深获取的井下压力计数据，对钻柱内和环空的水力学相关系数进行校正，建立钻柱内和环空整个剖面的井深与压力的关系。
[0034]考虑到钻柱上安装有止回阀、MWD、螺杆等特殊工具，设计了两种计算方法:一是赋一定值，多余压耗值附加在钻具压耗上;二是根据实验建立不同排量下的压耗计算公式。
[0035]钻头水眼的压耗采用经验公式计算。
[0036]对起下钻时的抽吸压力和激动压力计算，根据井下压力计实测给出一个定值。
[0037]将所有结果存入数据库。
[0038]e、变排量计算与校核
求解同一井深的变排量下的井底压力，并根据试钻时该井深获取的井下压力计数据，对钻柱内和环空的水力学相关系数进行校正，为实时计算井底压力提供基本参数。
[0039]将所有数据存入数据库。
[0040]f、实时数据采集与处理
建立通信协议，打开网络连接，实时接收来自录井房或控压钻井系统或其它渠道来自该井的参与计算的录井数据。
[0041 ]将所有参与计算的录井数据存入数据库。
[0042]在实时计算中立压与排量要求准确。对于立压，可独立接入传感器直接实时监测立压。
[0043]排量数据采自录井数据，在计算前，根据高精度出口流量计实时测量结果对录井数据中的排量进行校正，获取校正系数。
[0044]对所有钻井工况进行识别:
若钻位=井深，立压#0，排量#0，表示正常钻进；
若钻位〈井深，立压#0，排量#0，表示正常循环或低排量阶段；
若如果钻位〈井深，转速=0、立压=0、排量=0，表示未循环;无套压、无出口流量，表示敞井或关井;有套压，有出口流量，表示排气流程;有套压，无出口流量，表示关井；
若钻位(这一时刻)〈钻位(前一时刻)，转速、立压、排量=0，表示提钻或起钻；
若钻位(这一时刻)> 钻位(前一时刻)〈井深，转速、立压、排量=0，表示下放钻具或下钻。
[0045]对参与计算的录井数据进行错值判别，去伪存真:
若井深、钻位、立压、排量、出口流量数据为负数，判别错误，不予计算；
若井深、钻位、立压、排量突然超出正常值，根据下一时间点数据进行错误判别，该点数据暂不予计算；
录井数据常会出现较大的波动，可进行平滑处理。
[0046]由于获取的立压、排量等数据因为工况变化波动剧烈，可采用5点滑动滤波、7点限幅滤波和中值滤波方法，选择其中一种方法进行平滑处理。
[0047]g、井底压力实时计算与自动控制
调用数据库中所存的数据，进行井底压力实时计算。
[0048]在试钻中钻柱内和环空都属单相流，实钻中钻柱内为单相流，环空可能会出现单相流，也可能会出现多相流。
[0049]在实钻中，井底压力计算不考虑环空压耗。
[0050]井底压力=栗压+液柱压力-钻柱内压耗-钻头水眼压耗。
[0051]在实钻中，根据设计的安全密度窗口将预测的井底压力值实时控制在设计的安全密度窗口范围内，以图版方式，描述井底压力与地层压力、坍塌压力和漏失压力的关系。
[0052]若地层出气，说明预测的井底压力低于设计的地层压力，同时通过关井求压或微调套压，实测地层压力大小，重新建立安全密度窗口。
[0053]若需减小出气量，则设立目标井底压力值，求取需控制的井口套压值，发送指令给节流管汇的自动节流阀控制中心，调节井口套压，从而调整预测的井底压力值与实测的地层压力的差值，实现快速准确控制。
[0054]若发生井漏，说明真实的漏失压力小于设计的漏失压力，且预测的井底压力值大于真实的漏失压力，则通过降排量或降低钻井液密度方式，重新建立安全密度窗口。
[0055]再次将预测的井底压力值控制在新的安全密度窗口范围内。
[0056]若发生又漏又喷，说明真实的漏失压力和地层压力与设计都不相同，需要微调井口套压、降排量或钻井液密度等多种方式，重新建立安全密度窗口。
[0057]再次将预测的井底压力值控制在新的安全密度窗口范围内。
[0058]实施例2
在实施例1的基础上，本发明还进一步包括步骤h、钻具组合变化后的井底压力实时计算与自动控制:
在下一趟钻中，钻具组合可能会发生变化，井底压力也会发生变化，井底压力实时计算终止。
[0059]地层未出气，将重复步骤a-g。
[0060]地层出气，环空已是多相流，采用单相流公式不能建立环空剖面上井深与压力的关系，因此，将按另一套程式执行。
[0061 ]该程式包括:
重新下入井下压力计进行试钻，再次进行变排量试验。
[0062]修改基本参数，重新存入数据库。
[0063]建立全井筒网格模型，重新存入数据库。
[0064]仅建立钻柱内单相流计算模型，不再考虑环空。
[0065]起钻，获取井下压力计数据，对钻柱内计算出的井底压力进行校正。
[0066]实钻，对井底压力进行实时计算与自动控制。
【主权项】
1.一种井底压力实时预测与控制方法，其特征在于步骤如下: a、基础数据采集，获取试钻的井下压力计数据，所述数据是在井底压力实时预测与控制前通过下入井下压力计后起钻地面获取，包括正常钻进、接单根、起下钻及变排量试验数据； 获取本井的基础数据； b、建立全井筒网格模型，所述模型包括已钻和未钻的井眼轨迹； C、建立全井筒单相流方程，建立钻柱内和环空的水力学方程，所述水力学方程为单相流方程； d、静态计算与校核，包括求解试钻时对应井深处的井底压力，并根据试钻时该井深获取的井下压力计数据，对钻柱内和环空的水力学系数进行校正，建立钻柱内和环空整个剖面的井深与压力的关系； e、变排量计算与校核，包括求解同一井深变排量下的井底压力，并根据试钻时该井深获取的井下压力计数据，对钻柱内和环空的水力学系数进行校正； f、实时数据采集与处理，包括建立通信协议，实时接收来自录井房或控压钻井系统或其它渠道来自该井的参与计算的录井数据，并对数据进行处理； g、井底压力实时计算与自动控制，包括调用所有数据进行井底压力实时计算与控制。2.根据权利要求要求I所述的一种井底压力实时预测与控制方法，其特征在于:还进一步包括步骤h、钻具组合变化后的井底压力实时计算与自动控制: (1)地层未出气，采用a-g步骤执行； (2)地层出气，采用下述方法，包括: 1)重新下入井下压力计行试钻，再次进行变排量试验； 2)修改本井基础数据； 3)建立全井筒网格模型； 4)仅建立钻柱内单相流计算模型； 5 )起钻，获取井下压力计数据，对钻柱内计算出的井底压力校正； 6)实钻，对井底压力进行实时计算与自动控制。3.根据权利要求要求I所述的一种井底压力实时预测与控制方法，其特征在于:所述步骤a中，本井的基础数据包括井身结构、井眼轨迹、钻具组合、钻头尺寸及喷嘴数量、钻井液流变参数、设计的安全密度窗口和地层温度。4.根据权利要求要求I所述的一种井底压力实时预测与控制方法，其特征在于:所述步骤b中，在随钻井底压力计算时，根据来自实钻的实际井深，选取已钻部分的网格，并调用数据库关于该网格的基本参数，而未钻部分则不参与计算。5.根据权利要求要求I所述的一种井底压力实时预测与控制方法，其特征在于:所述步骤c中，单相流方程包括:连续性方程、动量方程。
【文档编号】E21B21/08GK106014387SQ201610342058
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】魏强, 肖润德, 薛秋来, 董斌, 杨玻, 李枝林, 陶序莹
【申请人】中国石油集团川庆钻探工程有限公司