考慮海底增壓的深水鉆井當量循環密度預測方法

羅洪斌　田　波　蔣世全　彭作如（.中海油研究總院，北京　0008；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067）

考慮海底增壓的深水鉆井當量循環密度預測方法

羅洪斌1田波2蔣世全1彭作如2
（1.中海油研究總院，北京100028；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

針對深水井筒ECD預測與控制方面存在的不足，建立了考慮溫度和巖屑影響及有海底增壓管線舉升系統情況下的深水鉆井ECD預測模型，以實例計算分析了深水鉆井中有海底增壓管線舉升系統情況下ECD變化。結果分析表明，鉆柱內的排量一定時，增注排量越大，ECD值越??；在有海底增壓管線舉升系統時，本計算條件下ECD值均未超過漏失壓力，因此該種參數工況下應該為安全狀況；在無海底增壓時，隨著排量的降低，環空ECD逐漸增加，且ECD增加值較大；當排量小于一定值時，ECD的增加會導致在鉆井過程中的地層漏失。因此在深水鉆井過程中應該特別注意在隔水管段的井眼清潔問題，除了控制機械鉆速、泵入清掃液等措施以外，還應適量采取增加排量來及時清除鉆屑，保持井眼清潔。最后對比分析了模型的有效性，在本計算條件下與PWD實測值偏差最大1.36%，對深水鉆井水力參數優化設計及井控具有一定的參考意義。

深水鉆井；當量循環密度；預測模型；海底增壓

近30 年來，由于海洋深水作業環境惡劣、地質情況復雜，且技術和裝備等方面的制約，深水鉆井面臨著壓力窗口窄、深水低溫、井控風險大、淺層地質災害等困難和挑戰。深水鉆井與陸地或淺水鉆井有著明顯的區別［1］。為了解決和突破深水鉆井的關鍵技術難題，國內外學者進行了大量的基礎理論和應用技術研究［2-4］，由于深水泥線以下和泥線以上溫度梯度相反，而非陸地鉆井中近似線性的溫度梯度，且溫度分布以及鉆進過程中的巖屑、熱傳導、鉆井液流變性等對鉆井液的當量循環密度（ECD）變化以及井筒內壓力分布有很大影響，所以常規的ECD預測分析方法無法適應深水鉆井中常采用的海底增壓管線舉升系統，因此，研究深水鉆井井筒中ECD預測很有必要。

影響當量循環密度的因素很多，主要由鉆井液靜液柱壓力和環空的循環壓耗決定，而深水井筒內溫差較大鉆井液，由此鉆井液密度也會有一定量的變化，即井筒中鉆井液密度與井口測量的密度不同。對于溫度和壓力對鉆井液密度的影響，已有一些文獻提出了表達公式或計算方法，并提供了相應的實測實驗數據［3］。管志川教授等［5］通過實驗測量數據建立了考慮溫度、壓力影響的油基鉆井液密度計算模型。筆者針對目前深水井筒ECD預測與控制方面存在的不足，建立了考慮溫度影響的深水鉆井ECD預測模型，并以實例計算進行深水鉆井中有海底增壓管線舉升系統情況下ECD預測分析。

1　深水鉆井當量循環密度（ECD）計算模型

通常，ECD可以定義為鉆井液的當量靜態密度（ESD）與鉆井液環空循環壓耗當量密度之和?？紤]環空巖屑等固相濃度的影響，當量循環密度表達式如下

式中，Dp為井深H處的環空壓耗，MPa。ECD計算的關鍵是求取ESD和環空壓耗Dp。下面分別介紹這2個參數的求取方法。

1.1考慮溫度分布的ESD計算模型

在深水鉆井中，井筒中溫度變化較大，且對鉆井液的密度影響較大，因此在計算ECD時需要考慮溫度和壓力對鉆井液的影響。下面描述了一種簡單的考慮溫度壓力影響的鉆井液密度計算方法。

假設在地面溫度T0和大氣壓力p0條件下，鉆井液在體積V下的質量為m，則地面鉆井液的密度ρ0為

在井筒中，經過一定的溫度變化DT和壓力變化Dp后，鉆井液的體積將發生變化。體積變化量DV可以用兩部分表示：一部分是由于溫度變化引起的增量DVT，另一部分是由于壓力變化引起的增量DVp。鉆井液彈性壓縮系數用Cp表示，熱膨脹系數用CT表示，則由于溫度和壓力變化所引起的體積改變可分別表示為

因此，總體積變化為

溫度和壓力變化后的鉆井液密度則為

由以上幾式可得

對不同基油組分，其熱彈性壓縮系數Cp和膨脹系數CT均采用如下表達式，其中a、b、k、n取值見表1。

表1 不同油基鉆井液的a、b、k、n的經驗值

a、b、k、n是回歸系數。這些回歸系數是通過實驗數據回歸分析得出的。文中對深水鉆井的ESD計算借鑒了這些系數。

1.2環空壓耗計算模型

在計算環空壓耗時要考慮不同流變模式、不同流態等因素對環空壓耗的影響，因此要選擇合適的流變模式并判斷鉆井液在環空中的流態，鉆井用鉆井液屬于非牛頓流體，對深水鉆井，主要采用冪律模式來計算各個井段的環空壓耗。

當流態為紊流時，環空井段的壓耗Dp為［6］

式中，Dp為環空壓耗，MPa；l為鉆桿長度，m；do為鉆柱的外徑，cm；d為井眼內徑，cm；vc為鉆井液環空返速，m/s；ρ為鉆井液密度，g/m3；f為摩阻系數，無因次。

在深水鉆井中井筒較大溫差和壓力變化，鉆井液的流變性能在整個井筒中有明顯變化，因此計算環空壓耗時需要考慮溫度和壓力對鉆井液表觀黏度、塑性黏度和動切力的影響，而不能直接采用地面測量的流變參數。

1.3使用海底增壓管線舉升系統時ECD計算模型

深水鉆井中考慮隔水管大直徑管道中巖屑問題，一般在?660.4 mm井段之后的井段使用海底增壓管線舉升系統，該系統的示意圖見圖1。

圖1　海底增壓管線舉升系統示意圖

分析圖1可知，此系統相當于1個三通，因此，Qm=Q1+Q2。假若海底增壓管線舉升系統中泵入的液體密度為ρ2，則混和后，隔水管段中鉆井液密度計算公式為

使用海底增壓管線舉升系統時，某一井深H處ECD的計算公式為

式中，ρESD為當量靜態密度，g/m3；Dp1為隔水管段的的環空壓耗，MPa；Dp2為泥面以下井段的環空壓耗，MPa；ρs為鉆屑密度，g/m3；Ca為鉆屑體積分數。

2　深水鉆井環空ECD計算

2.1深水鉆井的ESD預測曲線

某井水深2 500 m，設計井身結構為表2。ECD計算所使用的基本參數如表3所示，該井?914.4mm和?660.4 mm井段用海水鉆井，并排海，因此這兩井段不做ECD計算。

表2　某井井身結構

表3　某井ECD計算所使用的基本參數

從深水鉆井ESD預測曲線圖2可看出，ESD與水溫、地溫密切相關，對于深水鉆井，隨水深增加，ESD逐漸增加，在泥線附近ESD取得最大值。

圖2　深水鉆井ESD分布曲線（地面鉆井液密度1.055 g/cm3）

2.2ECD計算結果及分析

討論深水鉆井在三開（?660.4 mm井段之后）應用增壓管線助排的情況下，根據上述理論模型，可計算得到深水鉆井不同增壓排量下?311.2 mm 領眼（鉆井液密度1.09 g/cm3）在使用海底增壓管線舉升系統時的ECD預測結果，如圖3、圖4所示。預測時，所使用的基本參數同表3，增壓管線的鉆井液密度與鉆柱內的鉆井液密度相等。

圖3　不同增壓排量下ECD計算結果與漏失壓力

從圖3可知，鉆柱內的排量一定時，增注排量越大，ECD值越??；隨井深增加，ECD增加；在有海底增壓管線舉升系統時，本計算條件下ECD值均未超過漏失壓力，因此該種參數工況下應該為安全狀況。

從圖4可知，在無海底增壓時，隨著排量的降低，環空ECD逐漸增加，且ECD增加值較大；當排量小于33 L/s 時，ECD的增加會導致在鉆井過程中的地層漏失。因此在深水鉆井過程中除了控制機械鉆速、泵入清掃液等措施以外，還應適量采取增加排量來及時清除鉆屑，保持井眼清潔。將相同條件下所計算的ECD預測值與MI公司軟件預測值相比較，結果相近，與PWD實時測量值也相近，誤差最大為1.36%，可見所使用考慮溫度分布和巖屑對ECD值影響的預測模型計算的數值相對可信（表4）。

圖4　不同排量下ECD值

表4　不同井段本論文ECD計算值與MI公司及PWD實測值對比分析

3　結論

（1）建立了深水鉆井ECD預測模型，以實例計算分析了深水鉆井中有海底增壓管線舉升系統情況下ECD變化。結果表明，鉆柱內的排量一定時，增注排量越大，ECD值越小。隨井深增加，ECD增加，增加值相對較??；本計算條件下ECD值均未超過漏失壓力，因此該種參數工況下應該為安全狀況。

（2）在有海底增壓管線舉升系統時，在無海底增壓時，隨著排量的降低，環空ECD逐漸增加，且ECD增加值較大；當排量小于一定值時，ECD的增加會導致在鉆井過程中的地層漏失。因此在深水鉆井過程中應該保持井眼清潔，避免井下安全事故。最后對比分析了模型的有效性，在本計算條件下與PWD實測值偏差最大1.36%，因此本論文模型預測數據相對可信。

（3）文中未涉及大環空攜巖、井控、抑制水合物形成等問題，有待進一步研究深水鉆井多相流動模型以增加計算精度，有待進一步深入研究深水水力學優化設計，相關計算軟件也有待完善開發。

［1］李清平.我國海洋深水油氣開發面臨的挑戰［J］.中國海上油氣，2006，18（2）：130-133.

［2］汪志明，郭曉東，張松杰，等.南海流花超大位移井井眼凈化技術［J］. 石油鉆采工藝，2006,28（1）：4-8.

［3］ROMERO J. Temperature prediction for deep-water wells: a field validatedmethodology［R］. SPE 49056, 1998.

［4］HOBEROCK L L, THOMAS D C, NICKENS H V. Bottom-hole mud pressure variations due to compressibility and thermal effects［C］. IADC Drilling Technology Conference, Houston, 1982.

［5］管志川.溫度和壓力對深水鉆井液液柱壓力的影響［J］.石油大學學報，2003，27（4）：48-51.

［6］劉希圣.環空水力學及攜巖理論基礎［D］.山東東營：華東石油學院，1983.

（修改稿收到日期2014-12-23）

〔編輯胡志強〕

Prediction method for equivalent circulating density of deepwater drilling when subsea pressurization is considered

LUO Hongbin1, TIAN Bo2, JIANG Shiquan1, PENG Zuoru2
（1.Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

Considering the shortcomings in ECD prediction and control of deepwater wellhole presently, the ECD prediction model of deepwater drilling has been established, with the temperature and rock debris effects are considered and the lift system of subsea pressurization pipeline is provided. The ECD changes are calculated and analyzed based on the living examples, when the lift system of subsea pressurization pipeline is provided in the deepwater drilling. According to the results, when the displacement in the drilling string is constant, the larger the augmented injection displacement, the smaller the ECD value; when the lift system of subsea pressurization pipeline is provided, the ECD value under such calculation conditions does not exceed the loss pressure, so it should be safe under such parameter conditions; when no subsea pressurization exists, as the displacement decreases, the annular ECD gradually increases, and the ECD added value is relatively greater; when the displacement is less than a constant value, the ECD increase will lead to the stratum loss during the drilling. Therefore, during the deepwater drilling, special attention should be paid to the borehole cleaning at the riser section. In addition to the control over mechanical drilling rate, pumping of cleaning fluid and other measures, the displacement should be appropriately increased to clear the drilling cuttings in time, which is in order to keep the borehole clean. Finally, the model validity has been compared and analyzed. Under such calculation conditions, the maximum deviation from actually-measured value of PWD is 1.36%. This method has certain reference significances for the optimization design of hydraulic parameter on deepwater drilling and well control.

deepwater drilling; equivalent circulating density; prediction model; subsea pressurization

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0072 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.018

“十二五”國家科技重大專項課題“深水鉆完井工程技術”資助（編號：2011ZX05026-001）；國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）。

羅洪斌，1980年生。畢業于中國石油大學，獲油氣井工程博士學位，從事深水鉆完井水力學、鉆井液、井控研究。電話：010-84526435。E-mail：luohb3@cnooc.com.cn。

引用格式：羅洪斌，田波，蔣世全，等.考慮海底增壓的深水鉆井當量循環密度預測方法［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：72-75.