一种基于钻井施工预演的井身结构设计方法

本发明属于油气钻井领域，具体涉及一种基于钻井施工预演的井身结构设计方法。

背景技术：

1、深层超深层钻井面临更加复杂的地质条件，如多套地层压力系统、窄安全密度窗口等，对井身结构方案的优化设计提出了挑战。

2、按照目前的井身结构设计理论，是以准确的地层压力剖面作为设计基础，以维持裸眼井段地层压力和井筒压力的平衡（即安全压力窗口/安全钻井液密度窗口）作为基本原则，在安全压力窗口内“自上而下”或“自下而上”逐层设计。目前相关研究多集中在如何提高地层压力的预测精度方面，即提高“安全压力窗口”上下限的预测精度。然而，“安全压力窗口”上下限不仅与地层压力有关，还与实际钻井过程中井筒压力的状况有关，但由于钻前缺乏对实际钻井施工过程的充分了解，因此，现行的行业标准【井身结构设计方法、sy/t5431-2017】从现场实用性和可操作性的角度出发，选择采用静态钻井液密度并配合各种经验性系数（抽吸压力系数、激动压力系数、附加钻井液密度、破裂压力安全系数、井涌允量、压差卡钻允值）来应对实际钻井过程中不同工况下的井筒压力变化；但是，随着井深的进一步增加，对于深层超深层、甚至万米特深钻井来说，不同工况下井筒压力的变化十分复杂，难以用经验性系数定量表征，且抽吸/激动压力系数、钻井液附加密度等现行标准中的经验性系数的推荐值也难以符合超深超深层钻井的实际，这就导致了基于经验性系数的井身结构设计方案存在一定的潜在风险。

3、基于上述分析，目前的井身结构设计标准及方法，在裸眼井段井筒压力的定量表征方面有待进一步完善。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种基于钻井施工预演的井身结构设计方法，通过在钻前对钻井施工过程中井筒ecd状况的预演来实现井身结构的精细化设计。

2、随着井筒压力计算模型和软件模块的逐渐成熟，现场技术人员已经有条件和能力实时计算分析不同工况下的井筒压力变化情况，对于深层超深层钻井、尤其是风险探井的井身结构方案设计，本发明通过引入井筒压力计算手段，在钻前通过预演钻井施工过程中不同工况下的井筒压力，精细化评估裸眼井段不同深度处的井筒压力变化情况，用“井筒压力矩阵”即ecd矩阵替代“静态钻井液密度+各种经验性系数”，可显著提高优化设计结果的可靠性和精度，降低深层超深层钻井工程设计方案的潜在风险。

3、为了解决上述技术问题，本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种基于钻井施工预演的井身结构设计方法，包括以下步骤：

4、s1、确定地质必封点和表层套管下入深度；

5、该步骤为常规方法，在此不做赘述，根据《钻井手册》及相关标准的要求，结合待钻井相关地质分析以及区域邻井钻井经验，确定必封点所处层位和表层套管的下入深度；

6、s2、初步安全钻井液密度窗口构建：首先根据预测的地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力以及地层破裂压力当量密度安全允许值sf、井涌允量sk、压差卡钻临界值δpn、钻井液密度附加值δ ρ，初步确定安全钻井液密度窗口，得到井深h处的初步安全钻井液密度窗口的上、下限分别计为 ρ下 (h)、ρ上 (h)；

7、其中，钻井液密度附加值δ ρ取最小值0.05g/cm3，而抽汲压力当量密度sb和激动压力当量密度sg均取0；

8、具体的，首先根据预测的地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力（3个地层压力预测是本领域常规技术，本技术认为是前置数据）以及4个设计系数（地层破裂压力当量密度安全允许值sf、井涌允量sk、压差卡钻临界值δpn、钻井液密度附加值δ ρ），初步确定安全钻井液密度窗口，相关设计系数的取值见表1；其中，地层破裂压力当量密度安全允许值sf、井涌允量sk、压差卡钻临界值δpn参考钻井手册选取；与现有方法比，本技术由于考虑了不同工况下的井筒压力波动，故钻井液密度附加值δ ρ取最小值0.05g/cm3，而抽汲压力当量密度sb和激动压力当量密度sg取0。由此，井深h处的初步安全钻井液密度窗口的上、下限分别为 ρ下 (h)、 ρ上( h)；

9、进行起下钻、下套管等产生波动压力的作业时或者正常钻进发生破碎气侵时，都会导致井底压力发生变化，容易诱发井漏、井塌、溢流甚至井喷等钻井事故；因而，为避免因井底压力变化而导致的钻井事故，在进行井身结构设计时，要规范钻井液设计技术，进行合理的钻井液密度设计；一般情况下在各裸眼井段中最高地层孔隙压力钻井液当量密度这个基准之上，钻井液密度还需另外附加一个安全附加值；由于在起下钻过程中产生的压力作用会导致井内液柱压力变化，而抽汲压力系数、激动压力系数用于消除这部分压力的影响；钻井液密度附加值δ ρ、抽汲压力当量密度sb和激动压力当量密度sg这三个参数按照常规方法取值，能够保证钻井的安全性，但是这样构建出来的安全钻井液密度窗口会更窄，过于保守，造成不必要的浪费；

10、而在本发明中，钻井液密度附加值δ ρ取最小值，抽汲压力当量密度sb和激动压力当量密度sg取值为0，窗口就会更宽，可选范围就会更大，后续使用ecd矩阵又保证了钻井设计的安全性；

11、表1钻井液抽吸压力系数等相关系数取值

12、

13、s3、确定井深h处的设计钻井液密度：依据起钻工况下井筒压力不低于安全钻井液密度窗口下限来确定设计钻井液密度，确定安全钻井液密度下限为 ρ1，h，以替换步骤s2确认的井深h处的初步安全钻井液密度窗口的下限 ρ下( h)，得到最终的安全钻井液密度窗口；

14、由于步骤s2确认的井深h处的初步安全钻井液密度窗口的下限 ρ下( h)为静态钻井液密度，但是开钻后，动态钻井液密度会减小，因此在本步骤中对动态状态下钻井液的最小密度进行重新限定，保证钻井液密度下限处于安全范围内；

15、设计钻井液密度是指钻井工程设计方案中推荐使用的钻井液密度，钻井施工中将据此配置不同密度的钻井液；不同工况（停钻、起钻和下钻）条件下井筒压力不同，其中起钻条件下压力最小，所以需依据起钻工况下井筒压力不低于安全钻井液密度窗口下限来确定设计钻井液密度；

16、s4、基于钻前施工预演的ecd矩阵计算技术套管的下入深度：从步骤s3确定的安全钻井液密度窗口中选取各井段的钻井液密度，依次计算全井段各开次不同工况下的裸眼环空ecd，对各开次裸眼环空ecd进行横向取最值，从而得到全井段裸眼环空ecd最大值矩阵与全井段裸眼环空ecd最小值矩阵，即得出钻井施工中各深度所产生的实时最小ecd值和最大ecd值；

17、将上述ecd矩阵与步骤s2确认的初步安全钻井液密度窗口的上、下限进行比较，判断井深h处所取钻井液密度是否合理，若不合理，则对各井段钻井液密度进行修改后对不同工况的井筒ecd剖面重新计算，直到ecd矩阵位于步骤s2确认的初步安全钻井液密度窗口内；

18、由于相同井段的上部实际钻井液密度会随着下部实际钻井液密度的变化而变化，随着钻井深度的增加，从步骤s3确定的安全钻井液密度窗口中选取最深钻井深度对应的实际钻井液密度，使最深钻井深度所对应的各工况ecd值位于ecd矩阵内，同时保证相同井段其他各深度所对应的ecd值同样位于ecd矩阵内；需要说明的是，当相同井段的上部实际钻井液密度会随着下部实际钻井液密度的变化而变化时，上部实际钻井液密度与下部实际钻井液密度并不必然相同，但是变化趋势相同，即上部实际钻井液密度会随着下部实际钻井液密度的增大而增大；

19、直至进一步增加钻井深度，无法从步骤s3确定的安全钻井液密度窗口中选取出最深钻井深度对应的实际钻井液密度以保证相同井段各深度的ecd值同时位于ecd矩阵内时，则说明该井段达到了最大下深深度，将最后满足相同井段各深度的ecd值同时位于ecd矩阵内的深度值作为技术套管下入最大深度d。

20、同一井段，ecd计算是从上往下计算，然后不断更新，井段上部分计算时可能是安全，但是随着深度增加，越往下，所使用的钻井液密度会越大，井段上部分的ecd会不断变大，一般情况下达到该开次的极限不是井段下部分到达极限，而是井段上部分到达极限。

21、ecd矩阵的计算本身是一个动态的过程，随着深度的增加，钻井液密度的变化，之前计算过的上部安全井段会由于钻井液密度变化变的不安全（达到安全钻井液密度上限），这时就意味着该开次达到了最大下深，即ecd矩阵发生突变处。

22、本发明的技术方案还有：步骤s3中求取安全钻井液密度下限 ρ1，h的具体方法为：

23、以δ ρn作为步长，利用现有软件计算起钻工况下的井筒压力当量密度 ρqz，h，直到 ρqz，h= ρ0，h为止，以初步构建的安全钻井液密度窗口中的安全地层孔隙压力为 ρ0，上述 ρ0，h为安全钻井液密度窗口中h处的安全地层孔隙压力即安全钻井液密度窗口中的安全地层孔隙压力 ρ0在h处的取值；

24、则 ρ0，h+nδ ρ为最终确定的静态钻井液密度 ρ1，h，上述n为上述计算的步数。附加密度是根据地质资料所取的定值，步长≤0.01g/cm3，为了提高计算效率同时保证精度，优选以0.01g/cm3为步长（结合相关经验，至多不超过10步即可完成计算），以达到适合设计的值。

25、本发明的技术方案还有：步骤s4中计算各开次不同工况下裸眼环空ecd的具体方法为：

26、计算不同工况下的井筒ecd剖面，不同工况下的井筒ecd是与井深h相关的函数：

27、ecd(h)j=f(ki，h)

28、其中，ecd(h)j为某特定工况j下的井筒ecd，ki为钻井液密度，ki从步骤s3确定的安全钻井液密度窗口中取值。

29、本发明的技术方案还有：步骤s4中，全井段裸眼环空ecd最大值矩阵与全井段裸眼环空ecd最小值矩阵的公式如下：

30、

31、

32、式中，hn代表不同深度， ρdmaxn是hn深度处各工况里最大的那一个当量密度， ρdminn是hn深度处各工况里最小的那一个当量密度， ρdmax为全井段裸眼环空ecd最大值矩阵即全井段不同深度处各工况最大ecd值的集合， ρdmin为全井段裸眼环空ecd最小值矩阵即全井段不同深度处各工况最小ecd值的集合。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的方法，通过在钻前预演钻井施工过程中不同工况下的井筒压力，精细化预测裸眼井段不同深度处的井筒压力变化情况，用“井筒压力矩阵”替代“静态钻井液密度+各种经验性系数”，弥补了现有方法和技术仅关注“安全压力窗口”上下限中地层压力的预测精度、而忽略实际钻井过程中井筒压力状况的问题，可显著提高深层钻井井身结构优化设计的科学性及可靠性，从钻前设计层面最大限度降低钻井工程方案的潜在风险。对于深层复杂地层钻井，可拓宽安全压力窗口、上部套管层次下入更深，有利于提高井身结构方案对深部地层潜在风险的应对能力，甚至减少套管层次，达到降低成本提高钻井效率的效果。