一種鉆井井筒壓力校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉆井井筒壓力校正方法，該方法包括：利用井下壓力隨鉆測(cè)量工具測(cè)量井底壓力；計(jì)算預(yù)測(cè)的井底壓力；利用測(cè)量的井底壓力以及預(yù)測(cè)的井底壓力校正鉆井井筒壓力以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井。本發(fā)明彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中鉆井井筒壓力計(jì)算處理方法與井下實(shí)際壓力誤差較大的不足，并能夠更加快速精確地實(shí)時(shí)計(jì)算鉆井井筒壓力，從而實(shí)現(xiàn)在窄密度窗口地層井筒動(dòng)態(tài)壓力的準(zhǔn)確計(jì)算、實(shí)時(shí)校正與控制，達(dá)到良好的井底壓力控制要求，保障安全快速鉆井的需求。
【專利說明】一種鉆井井筒壓力校正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油鉆井工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種鉆井井筒壓力校正方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在石油、天然氣鉆進(jìn)的過程中，為了防止井漏、井涌、井壁失穩(wěn)、卡鉆等復(fù)雜事故，對(duì)井筒壓力的計(jì)算和控制變得非常重要。目前氣液兩相流理論是石油鉆井井筒氣液兩相流模擬計(jì)算的理論基礎(chǔ)之一，其通過劃分不同的流型來建立氣液兩相連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以模擬流動(dòng)狀態(tài)，但是不同的計(jì)算方法誤差較大，精度難以滿足壓力敏感地層精細(xì)控壓鉆井井筒動(dòng)態(tài)壓力計(jì)算的需求。
[0003]為了避免事故的發(fā)生，控壓鉆井的鉆井方法已經(jīng)在石油和天然氣鉆探領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用，但是目前尚無對(duì)控壓鉆井壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的技術(shù)方案，以滿足對(duì)石油、天然氣鉆井井筒動(dòng)態(tài)壓力快速和精確計(jì)算的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種鉆井井筒壓力校正方法，以更加快速精確地實(shí)時(shí)計(jì)算鉆井井筒壓力。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種鉆井井筒壓力校正方法，其特征在于，該方法包括:利用井下壓力隨鉆測(cè)量工具測(cè)量井底壓力；計(jì)算預(yù)測(cè)的井底壓力；利用測(cè)量的井底壓力以及預(yù)測(cè)的井底壓力校正鉆井井筒壓力以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井。
[0006]優(yōu)選地，按照下式計(jì)算預(yù)測(cè)的井底壓力:Pb(t) =Ph(t)+Pf(t)+Pw(t);其中Pb(t)為t時(shí)刻的井底壓力，Ph⑴為t時(shí)刻的靜液柱壓力，Pf⑴為t時(shí)刻的環(huán)空壓耗，Pw⑴為t時(shí)刻的井口回壓。


,、 m卩⑴+772/⑴
[0007]優(yōu)選地，Ph(t)= P mix(t)gH(t),其中 Pmix(X) =- 、，mg(t)為 t 時(shí)刻的鉆


vW
井井筒環(huán)空中氣體質(zhì)量，Hl1U)為t時(shí)刻的環(huán)空液體質(zhì)量，V(t)為t時(shí)刻的環(huán)空體積，g為重力加速度，H(t)為t時(shí)刻的實(shí)際鉆井深度。
[0008]優(yōu)選地，Pf⑴=fPmixCt)^t)v"ixCt),其中vmix(t) =Qfflix ⑴為 t 時(shí)刻的
ZJJaA
質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值，A為環(huán)空過流面積，Da為水力直徑，f為摩阻系數(shù)。
[0009]優(yōu)選地，Pw(t) = Pwtl-APh(t) +ΛPsafe，其中ΛPsafe為安全附加壓力值，Pwtl為未發(fā)生溢流時(shí)井口回壓，APh(t) ^ - ^PL~P3JV3(t)gH, P I為環(huán)空液體密度，Pg為平均壓力為[(Pb-Pw) /2，(Pb+Pw) /2])的情況下的氣體密度，V為發(fā)生溢流時(shí)環(huán)空體積，H為發(fā)生溢流時(shí)井深，^[(^) — J0 Qg(t) dt，qg(t)為t時(shí)刻的&流速度，Pb為控壓鉆井設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)設(shè)的井底壓力，PwS在控壓鉆井井口回壓安全范圍的壓力值，H為當(dāng)前井深，V為當(dāng)前井深對(duì)應(yīng)環(huán)空體積。
[0010]優(yōu)選地，利用測(cè)量的井底壓力以及預(yù)測(cè)的井底壓力校正鉆井井筒壓力以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井包括根據(jù)下式校核環(huán)空壓耗以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井:p/A - f' Pm?2mix(t);其中

rfvLynew —2Da

f(t) = Pf(t)-AP(t), AP(t)
的環(huán)空壓耗，Ppwd (t)為測(cè)量的t時(shí)刻的井底壓力。
[0011]優(yōu)選地，利用測(cè)量的井底壓力以及預(yù)測(cè)的井底壓力校正鉆井井筒壓力以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井包括根據(jù)下式校核井口回壓以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井:P' w(t)=p' b(t)-ph(t)-pf(t);其中，
P' w(t)為校核的t時(shí)刻的井口回壓，OC =P' b(t) = aPb(t)。
[0012]優(yōu)選地，該方法還包括控制節(jié)流閥開度以使環(huán)空壓耗達(dá)到校核的環(huán)空壓耗或使井口回壓達(dá)到校核的井口回壓。
[0013]本發(fā)明彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中鉆井井筒壓力計(jì)算處理方法與井下實(shí)際壓力誤差較大的不足，并能夠更加快速精確地實(shí)時(shí)計(jì)算鉆井井筒壓力，從而實(shí)現(xiàn)在窄密度窗口地層井筒動(dòng)態(tài)壓力的準(zhǔn)確計(jì)算、實(shí)時(shí)校正與控制，達(dá)到良好的井底壓力控制要求，保障安全快速鉆井的需求。
[0014]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0016]圖1是鉆井井筒壓力分布示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明提供的井筒動(dòng)態(tài)壓力校正流程圖。
[0018]附圖標(biāo)記說明
[0019]10 泥漿泵12 節(jié)流閥
[0020]14 質(zhì)量流量計(jì)

【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0022]本發(fā)明以井筒氣液兩相流動(dòng)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)質(zhì)量及壓力守恒基本原理來校正鉆井井筒壓力。
[0023]圖1示出鉆井井筒壓力分布示意圖。在該示意圖中，泥漿泵10將鉆井循環(huán)液泵入井中，環(huán)空中的循環(huán)液會(huì)通過節(jié)流閥12和質(zhì)量流量計(jì)14進(jìn)入泥漿罐?？紤]到地層是出水或液體的情況，與循環(huán)鉆井液密度相差不大，鉆井井筒壓力變化較為緩慢，控壓鉆井相對(duì)較為容易，所以不考慮出水或其它流體的情況，僅考慮地層是出氣的情況，進(jìn)行控壓鉆井的井筒壓力計(jì)算。
[0024]在進(jìn)行鉆井井筒壓力校正的過程中，可以針對(duì)不同的情況采用不同的校正方式，本發(fā)明主要采用兩種校正方式，一種方式是校核環(huán)空壓耗，另一種方式是校核井口回壓。下面詳細(xì)說明如何根據(jù)質(zhì)量及壓力守恒基本原理來進(jìn)行井筒壓力校正。
[0025]根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在一個(gè)穩(wěn)定的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、沒有流體輸入、也沒有流體輸出、也沒有額外的能量交換的情況下，可認(rèn)為質(zhì)量平衡。在質(zhì)量平衡的情況下，必然意味著能量平衡，也即壓力平衡。在質(zhì)量不平衡的情況下，能量就會(huì)失去平衡，從而壓力也不會(huì)平衡。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，總的鉆井液體積=鉆具水眼體積+井筒環(huán)空體積+泥漿罐體積=常量。鉆具在一定時(shí)間段內(nèi)可認(rèn)為保持不變，那么鉆具水眼體積相對(duì)不變，因此可以認(rèn)為:井筒環(huán)空體積+泥漿罐體積=常量。
[0026]在不考慮流體加速運(yùn)動(dòng)，則根據(jù)壓力守恒原理，井底壓力為:
[0027]Pb (t) = Ph(t)+Pf(t)+Pw(t) (I)
[0028]式中:
[0029]Pb(t):t時(shí)刻的井底壓力；
[0030]Ph(t):t時(shí)刻的靜液柱壓力；
[0031]Pf(t):t時(shí)刻的環(huán)空壓耗；
[0032]Pw(t):t時(shí)刻的井口回壓(即節(jié)流閥前壓力)。
[0033]需要注意的是，由于地層中氣體注入井底，然后沿環(huán)空上返，需要考慮氣體壓縮性。靜液柱壓力變化也是由于混合物密度的變化。Pb(t)可以通過模型計(jì)算、預(yù)測(cè)，Pw(t)可以通過壓力傳感器之類的設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量。
[0034]靜液柱壓力和環(huán)空壓耗計(jì)算如下:
[0035]Ph (t) = P mix(t)gH(t) (2)
[0036]Pmix ⑴= y(t)^(3)
[0037]式中，Pmix(t) ^ t時(shí)刻的井筒內(nèi)混合流體的密度；H(t)為t時(shí)刻的實(shí)際鉆井深度；mg(t)為t時(shí)刻的井筒環(huán)空中氣體質(zhì)量！Hi1U)為t時(shí)刻的環(huán)空液體質(zhì)量；V(t):t時(shí)刻的環(huán)空體積，可由井身結(jié)構(gòu)及裸眼段直徑及入井鉆柱體積求得。
[0038]mg(t) = PgVg，其中Pg:為平均壓力為[(Pb-Pw)/2，(Pb+Pw)/2])的情況下的氣體密度。此時(shí)Pb為控壓鉆井設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)設(shè)的井底壓力，Pw要求在控壓鉆井井口回壓安全范圍，例如規(guī)定為[0,5]MPa。Pg也可以認(rèn)為是常數(shù)。
[0039]Vg (t)為井下溢流量，可以按照下式計(jì)算:
[0040]Vg⑴= J0tQgWdt(4)
[0041]qg(t)為t時(shí)刻的溢流速度，可通過泥漿罐液面測(cè)量得到。
[0042]Hi1 = P ! (V (t) -Vg (t)) (5)
[0043]當(dāng)發(fā)生溢流或者漏失等特殊工況時(shí)，將不會(huì)繼續(xù)鉆進(jìn)，要求在當(dāng)前深度條件下處理完畢再繼續(xù)鉆進(jìn)，此時(shí)的V(t)和H(t)都是當(dāng)前井深對(duì)應(yīng)環(huán)空體積及井深V和H，其中Pi為鉆井液密度。公式(2)對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo):
[0044]dPhO 一 — (PrPg)Qg(A) gH(6)
dtV &
[0045]環(huán)空壓耗由下式計(jì)算:
[0046]Pf⑴=fpmixH(t)v^ix(t)(7)

2Da
[0047]Vmix(t)=￥(8)
[0048]Qmix (t):t時(shí)刻的質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值(體積流量)
[0049]A:環(huán)空過流面積
[0050]Da:水力直徑，Da =
[0051]f:摩阻系數(shù)，可由下式計(jì)算:
[0052]7f^_1-81ogl0 [S+(?τ)丨(9)
[0053]e /Da為相對(duì)粗糙度
[0054]Re = pmixVmix(t)Da(10)
μ
[0055]式中，μ為鉆井液粘度，D。是井筒直徑，Di井筒內(nèi)鉆具外徑。
[0056]可以根據(jù)公式(6)判斷鉆井過程中靜液柱壓力變化。
[0057]井口回壓計(jì)算如下:
[0058]Pw (t) = Pw0-Δ Ph (t) +APsafe (11)
[0059]APh(t) 二 -([[pVggH(12)
[0060]式中:
[0061]Δ Psafe為安全附加壓力值；
[0062]Pwtl:未發(fā)生溢流時(shí)井口回壓。
[0063]為了防止事故發(fā)生，可以通過PWD井下壓力隨鉆測(cè)量工具采集的環(huán)空壓力數(shù)據(jù)對(duì)如公式(I)-(1)所示水力計(jì)算模型進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，從而大幅度優(yōu)化提高井筒動(dòng)態(tài)壓力計(jì)算模型的精度，優(yōu)化后的水力計(jì)算模型可用于各種工況下的控壓鉆井井筒動(dòng)態(tài)的水力參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算。
[0064]如上所述，進(jìn)行校核時(shí)可以采用環(huán)空壓耗校核，也可以采用井口回壓校核。一般來說，在可以得到PWD的信號(hào)時(shí)，采用環(huán)空壓耗校核；在無法得到PWD信號(hào)時(shí)，采用井口回壓校核。
[0065]環(huán)空壓耗可以根據(jù)下式進(jìn)行校核:
[0066]校核的環(huán)空壓耗為:pf?new= r pmi?ix(t)
[0067]式中:
[0068]Λ P (t) = Pb (t) -Ppwd (t) (13)
[0069]P' f (t) = Pf (t)-AP(t) (14)
[0070]則環(huán)空摩阻系數(shù)校核系數(shù)為:
[0071]f' - ' f(15)

Pf(t)
[0072]式中:
[0073]Ppwd(t):t時(shí)刻PWD隨鉆壓力測(cè)量工具測(cè)得的井底壓力值；
[0074]AP(t):計(jì)算的井底壓力與PWD實(shí)測(cè)值的差值。
[0075]Pmix(t) = mg(::(t); H (t)為 t 時(shí)刻的實(shí)際鉆井深度；Vmix(t)=?:(<:);
Qfflix(t)為t時(shí)刻的質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值(體積流量);A為環(huán)空過流面積；Da為水力直徑。
[0076]井口回壓可以根據(jù)下式進(jìn)行校核:
[0077]校核的井底壓力:P'b(t) = aPb(t) (16)
[0078]校核的井口回壓為:P'w(t)=P' b(t)-Ph(t)-Pf(t) (17)
[0079]式中:
Ppwd (Q,10、
[0080]a —V18)
[0081]a:為PffD實(shí)測(cè)壓力值與t時(shí)刻的井底壓力計(jì)算值的比值；可以根據(jù)井口壓力對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行控制。
[0082]圖2示出了本發(fā)明提供的井筒動(dòng)態(tài)壓力校正的一種實(shí)施方式。在該實(shí)施例中，為了便于理解，增加了現(xiàn)有技術(shù)中存在的前三個(gè)步驟。如圖2所示，在校正過程中，先獲取鉆井井筒壓力計(jì)算的基本參數(shù)，例如包括已知井身結(jié)構(gòu)，鉆具組合及尺寸，鉆井液密度、性能等非實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)，以及井底壓力、井口回壓、鉆井液流量、鉆井液循環(huán)罐體積變化等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取的測(cè)量參數(shù)。然后可以確定控壓鉆井的邊界條件，例如邊界條件根據(jù)控壓鉆井應(yīng)急工藝要求可以為井口回壓上限5-7MPa、硫化氫小于20ppm并且溢流量不超過lm3，然后可以根據(jù)井筒動(dòng)態(tài)流動(dòng)方程(即水力計(jì)算模型)，計(jì)算井底壓力和環(huán)空壓耗。接著可以根據(jù)本發(fā)明提供的技術(shù)方案來校核環(huán)空壓耗或者井口壓力，并利用校核的環(huán)空壓耗或者井口壓力來修正井筒動(dòng)態(tài)壓力計(jì)算模型，根據(jù)該模型進(jìn)行控壓鉆井，即以校核的環(huán)空壓耗或者井口壓力為目標(biāo)值，通過井口節(jié)流管匯系統(tǒng)控制節(jié)流閥開度，調(diào)整井口回壓，精確控制井底壓力。還可以根據(jù)計(jì)算出的井底壓力和實(shí)測(cè)井底壓力進(jìn)行誤差比對(duì)，進(jìn)而調(diào)整水力計(jì)算模型中的環(huán)空校核系數(shù)。
[0083]以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0084]另外需要說明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說明。
[0085]此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種鉆井井筒壓力校正方法，其特征在于，該方法包括: 利用井下壓力隨鉆測(cè)量工具測(cè)量井底壓力； 計(jì)算預(yù)測(cè)的井底壓力； 利用測(cè)量的井底壓力以及預(yù)測(cè)的井底壓力校正鉆井井筒壓力以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，按照下式計(jì)算預(yù)測(cè)的井底壓力:
Pb (t) = Ph(t)+Pf (t)+Pw(t)； 其中pb(t)為t時(shí)刻的井底壓力，Ph (t)為t時(shí)刻的靜液柱壓力，Pf⑴為t時(shí)刻的環(huán)空壓耗，Pw (t)為t時(shí)刻的井口回壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，Ph(t)= Pmix(t)gH(t)，其中.、 mg(t)+m；Ct)PmixOO = ^-，mg(t)為t時(shí)刻的鉆井井筒環(huán)空中氣體質(zhì)量，Hi1U)為t時(shí)刻的環(huán)空液體質(zhì)量，V (t)為t時(shí)刻的環(huán)空體積，g為重力加速度，H(t)為t時(shí)刻的實(shí)際鉆井深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，Pf(t)= fPmix(t)^t)V"ix(t),其中'Vmix(t) =Qfflix (t)為t時(shí)刻的質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值，A為環(huán)空過流面積，DaS水力直徑，f為摩阻系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，Pw(t)= Pwtl-APh⑴+ΛPsafe，其中APsafe為安全附加壓力值，Pwtl為未發(fā)生溢流時(shí)井口回壓，ΔΡ“?) = -，P1為環(huán)空液體密度，Pg為平均壓力為[(Pb-Pw)/2，(Pb+Pw)/2])的情況下的氣體密度，V為發(fā)生溢流時(shí)環(huán)空體積，H為發(fā)生溢流時(shí)井深，Vg(t) = S^qgit) dt, qg(t)為t時(shí)刻的溢流速度，Pb為控壓鉆井設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)設(shè)的井底壓力，PwS在控壓鉆井井口回壓安全范圍的壓力值，H為當(dāng)前井深，V為當(dāng)前井深對(duì)應(yīng)環(huán)空體積。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，利用測(cè)量的井底壓力以及預(yù)測(cè)的井底壓力校正鉆井井筒壓力以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井包括根據(jù)下式校核環(huán)空壓耗以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井:
?,如、—4:f PmixCt)H(t)vr2nix(t)
)new — /2Da，

Y>f (f\f(t) = Pf(t)-AP(t), AP(t) = Pb(t)_Ppwd(t)，Pf(t)new 為校核的t時(shí)刻的環(huán)空壓耗，Ppwd(t)為t時(shí)刻測(cè)量的井底壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，利用測(cè)量的井底壓力以及預(yù)測(cè)的井底壓力校正鉆井井筒壓力以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井包括根據(jù)下式校核井口回壓以實(shí)現(xiàn)控壓鉆井:
P' w(t) =P' b(t)-ph(t)-pf(t)； 其中，P' w(t)為校核的t時(shí)刻的井口回壓，α =P' b(t) = apb(t)。



pb(t)
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，該方法還包括控制節(jié)流閥開度以使環(huán)空壓耗達(dá)到校核的環(huán)空壓耗或使井口回壓達(dá)到校核的井口回壓。
【文檔編號(hào)】E21B47/06GK104213906SQ201410370007
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】劉偉, 石林, 王凱, 方世良, 郭慶豐, 翟小強(qiáng), 朱衛(wèi)新 申請(qǐng)人:中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院