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1、保护油气层钻井完井技术井内波动压力 汪海阁中国石油勘探开发研究院 钻井所2002年7月 井内波动压力 一 井内波动压力研究状况 二 稳态波动压力研究 三 瞬态波动压力研究 四 管柱许用起下速度 概述 管柱 钻柱 套管 油管等 在充有流体的井内运动 可能引起井内压力系统失去平衡而造成井下复杂情况和工程事故 人们对井内波动压力根据刚性管 不可压缩流体理论建立了计算井内波动压力的稳态预测模式和计算方法 随着近20年来管道动态分析和数值流体力学的进展 井内波动压力从过去的稳态分析发展到目前的以弹性管 可压缩流体理论为基础的瞬态分析 井内波动压力的深入研究为井内压力系统控制 井控技术 平衡压力钻井技术
2、井身结构设计 水力参数优选等现代钻井工艺技术提供了可靠的理论依据 井内复杂流道动态分析是工程流体力学的一个重要实用领域 波动压力的概念及研究意义 概念管柱在充有流体的井内运动会产生附加压力 下放管柱产生的附加压力主要是激动压力 surgepressure 上起管柱产生的附加压力主要是抽吸压力 swabpressure 这两个压力统称为管柱在充有流体的井内运动时产生的波动压力 井内波动压力可能使井内压力系统失去平衡而引起众多井下复杂情况和工程事故 油田资料统计表明25 的井喷直接由于起钻速度过高产生抽吸压力而引起 过高的下钻速度产生压力激动 压漏地层引起井塌 卡钻等恶性事故 由于抽吸压力使地层流
3、体进入井内而污染泥浆 激动压力及在环空中引起的高返速是损害油气层的两个重要因素 波动压力的概念及研究意义 因此控制井内波动压力值是防正井下复杂情况和工程事故 保护产层的重要措施 在平衡压力钻井技术中 井身结构设计 合理泥浆密度的确定都与井内波动压力有关 困此井内波动压力是钻井工程设计和施工中重要的基础参数 国外研究状况 1934年Cannon注意到正常压力或井内泥浆静液住压力大于地层压力许多时 起钻过程中仍然发生井喷 为了研究这个问题 他测定了起钻中产生的抽吸压力 指出抽吸压力很大 足以使地层流体进入井内导致井喷 1951年Goins测出了下钻中产生的激动压力 这个压力将可能引起井漏 1953
4、年Cardwell第一次发表了定量预测井内波动压力变化规律的理论方法和计算图表 由于当时对泥浆流变性认识不足 使之失去实用意义 国外研究状况 1954年Ormsby对井内波动压力理论作了进一步推进 他描述了层流 紊流流态井内波动压力计算的数学模式 方法严格 计算结果较准确 但只限于流动泥浆粘滞阻力产生的井内波动压力 1956年Clark发表了理想化的井内波动压力图表并提出了预测井内波动压力的理论公式 在他的理论中不但考虑了泥浆粘滞阻力产生的波动压力 还考虑了由于惯性力引起的波动压力 他的理论比Ormsby和Cardwell的更完善 公式也相对简单 国外研究状况 1960年Burkhardt在现
5、场实测了井内压力波动变化规律 在假设和简化条件下提出了一套石油矿场沿用至今的计算方法 这套理论计算模式计算的井内波动压力值与伯克哈特 Burkhardt 实验井实测的井内波动压力值较为吻合 伯克哈特模式在油田应用上有了实用价值 1964年Surch在Burkhardt模式的基础上推导出了寨律流体井内激动压力计算方法 国外研究状况 1977年美国AMOCO公司学者Lubinski提出了井内波动压力的动态分析站 并指出井内波动压力稳态分析的局限性 并以弹性管可压缩流体理论为基础 推导出了考虑井内流体的压缩性和流道管壁弹性的计算井内激动压力的动态分析偏微分方程 国外研究状况 1983年美国AMOCO
6、公司的Lar修正了Lubinski瞬态井内波动压力数学模型中的许多不足 求得了容律流体井内瞬态波动压力的数值解 为了验证其瞬态模型的正确性 用伯克哈特实验井原始数据 分别以稳态 瞬态分析模式进行了计算 结果表明 在伯克哈特实验井条件下 稳态 瞬态理论计算值与实测井内波动压力值基本一致 随后 Lar又用Clark和Fontfenot在Mississppi和Utah两口4000米以上深井实测井内波动压力原始数据分别进行了稳态 瞬态理论计算 结果表明 瞬态模式理论计算值与实测井内波动压力值吻合 而稳态模式理论计算值比实测井内波动压力值大50 100 国外研究状况 1960年美国人Burkhardt在
7、一口已下9 5 8英寸套管 井深640米的井内实测了井内波动压力 1974年美国人Clark和Forder1ot分别在密西西比 Mississppi 和犹它 Utah 两口深井实测了井内波动压力 Burkhardt试验井稳态 瞬态和实测波动压力对比 Mississippi试验井稳态 瞬态和实测波动压力曲线 国内研究状况 西南石油学院郝俊芳教授石油大学刘希圣教授中国石油勘探开发研究院汪海阁 井内波动压力 一 井内波动压力研究状况 二 稳态波动压力研究 三 瞬态波动压力研究 四 管柱许用起下速度 稳态波动压力 泥浆流变模式优选 环空流动物理模型 稳态波动压力计算结果 对幂律流体而言 随环空内外管径
8、比 值增加 波动压力增大 当环空内外管径比 值较小时 波动压力其值影响较小 而当环空内外管径比 值较大时 则环空内外管径比 值对波动压力系数影响很大 随流性指数增加 波动压力增大 对宾汉流体而言 随环空内外管径比 值增加 波动压力增加 随泥浆塑性粘度增加 波动压力增大 随起下钻速度增加 波动压力梯度增加 同心环空起下钻时幂律流体速度分布 同心环空起下钻时宾汉流体速度分布 同心环空起下钻时H B流体速度分布 同心环空起下钻时卡森流体速度分布 同心环空起下钻时R S流体速度分布 稳态波动压力及泥浆附加密度计算值 偏心环空起下钻时幂律流体速度分布 井内波动压力 一 井内波动压力研究状况 二 稳态波动
9、压力研究 三 瞬态波动压力研究 四 管柱许用起下速度 瞬态波动压力 实际钻井作业过程中 当管柱在充满流体的井内运动时 由于钻井液的压缩性与惯性 以及管柱与地层的弹性 钻井液的流动处于瞬变状态 管柱的扰动无疑会引起钻头处流体速度突然变化 由动量原理知 流道内压力也会突然变化 若钻井液和流道为刚性 则整个流道内流体的流速 压力即发生相同的变化 但由于钻井液的可压缩性与流道的膨胀性 靠近钻头处的流体首先被压缩 远处仍保持原来的运动状态 因此 压力以波的形式传播 当压力波传到某处时 某处流体才受压力波动的影响 此波为纵波 因此 井内任一处的压力均为时间的函数 为了更准确 更全面地揭示处于瞬变状态的泥浆
10、流动 应使用弹性管 可压缩流体理论对井内水力系统进行分析 瞬态波动压力形成 当管柱在某一井深位置以速度VP t 运动时 在每一瞬时都会在管柱底部产生压力脉动 由此而产生的压力波分别在三个流道内传播 并分别在井口和井底边界而发生反射 同时能量发生消耗 这些在井口和井底反射回井内的压力波在传播到管柱底部端面后 又分别向C流道和A B流道传播 并在管柱底部端面处发生部分反射 能量又发生部分消耗 由于管柱的运动是一个速度连续变化的过程 若把这一过程看成是一系列微小时段内运动的综合 则每一微小时段内的运动都会产生一相应的压力波 这样管柱在整个运动时间内就会产生一系列压力波 这些发生在不同时间内的压力波在
11、三个流道内传播 反射 并嗷 樱 虼巳 鞯廊我欢厦嬖谌我皇笨痰牟 沽 凳欠 诟檬笨痰囊幌盗醒沽 诟玫阆嗷 拥慕峁 捎谧枇 沿程阻力 局部阻力 环空弯曲等 的存在 压力波将在传播 反射过程中不断消耗自身的能量 在管柱停止运动一段时间后 管柱内 环空中和空井眼三流道内的泥浆流动将趋于静止 波动压力也恢复为零 瞬态波动压力控制方程 1 不考虑管柱不规则运动时引起的钻井液周向及径向方向的流动 即把泥浆的运动视为一维轴向运动 2 稳定流动时的摩阻系数公式同样也适用于瞬变流 3 流道为线弹性 即应力与应变成正比 4 不考虑已下套管周围水泥和地层对套管弹性的影响 下套管速度对动态波动压力影响 管柱下放示意图
12、实例中定向井井身结构图 管柱最大运行速度对瞬态波动压力的影响 管柱运动加速度对瞬态波动压力的影响 流性指数对瞬态波动压力的影响 泥浆稠度系数对瞬态波动压力的影响 宾汉流体屈服值对瞬态波动压力的影响 宾汉塑性粘度对瞬态波动压力的影响 泥浆密度对瞬态波动压力的影响 井眼膨胀性对瞬态波动压力的影响 管柱运动深度对瞬态波动压力的影响 裸眼井段井径对瞬态波动压力的影响 管柱运行速度对泥浆附加密度的影响 井眼倾角对泥浆附加密度的影响 偏心环空中井底瞬态波动压力变化规律 偏心环空中管柱运行速度对井底瞬态波动压力的影响 偏心环空中管柱运动速度对泥浆附加密度的影响 偏心度对泥浆附加密度的影响 偏心环空中井眼倾角对泥浆附加密度的影响 偏心环空中管柱运动对泥浆附加密度的影响 井内波动压力 一 井内波动压力研究状况 二 稳态波动压力研究 三 瞬态波动压力研究 四 管柱许用起下速度 许可波动压力梯度对最大下放速度的影响 屈服值对最大下放速度的影响 塑性粘度对最大下放速度的影响 环空内外管径比对最大下放速度的影响 起下钻 下套管 动态波动压力软件 起下钻 下套管 过程中瞬态波动压力计算 包括波动压力随井深和时间的变化规律 在常规起下钻速度的条件下 泥浆附加密度设计 软件考虑了目前钻进中常用的井身结构和钻柱结构 谢谢大家
