精细控压钻井控压响应时间浅析

第33卷第2期2011年3月石油钻采工艺OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYVol.33No.2Mar.2011文章编号：1000–7393（2011）02–0020–05精细控压钻井控压响应时间浅析余金海1，2　孙　宁2　刘　健1（1.西南石油大学，四川成都　610500；2.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京　100195）摘要：精细控压钻井通过PWD随钻测压、计算机控制、回压泵和节流阀等闭环调节井口回压，精细控制井底压力，以满足安全、快速钻井的需要。判断精细控压钻井系统性能高低的一个重要指标就是压力控制的响应时间。短的控压响应时间可以很快平衡井底压力变化，维持钻进在井底压力基本恒定下进行。以回压从井口传到井底的时间为研究对象，建立了回压在环空传播速度的计算模型，分析了影响回压传播速度的主要因素钻井液密度、气体含量和岩屑含量，并以控压钻井实例数据计算为例、分析了精细控压钻井的控压响应时间，为精细控压钻井提供理论支持。关键词：控压钻井；环空；压力波传播；响应时间中图分类号：TE242.4　　　文献标识码：AAnalysisonpressurecontrollingresponsetimeofdelicatecontrolledpressuredrillingYUJinhai1,2,SUNNing2,LIUJian1(1.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;2.DrillingResearchInstituteofCNPC,Beijing100195,China)Abstract:ThroughPWD,surfacecomputercontrolsystem,backpressurepumpandchokeetc.,delicatecontrolledpressuredrillingsystemcouldadjustthewellheadbackpressureanddelicatelycontrolsthebottomholepressuretomeettheneedsofsafeandfastdrill-ing.Theimportantindexreflectingtheperformancelevelofdelicatecontrolledpressuredrillingsystemistheresponsetime.Shorttimecanquicklybalanceoffbottomholepressurevariationandkeepdrillingbasicallyunderconstantbottom-holepressure.Thepressurecontrollingresponsetimeisconsistedofthreeparts:PWDsignaltransmissiontime,thetimefromanalyzingsignaltoadjustingwellheadbackpressurebysurfacecontrolsystemandthetimeofbackpressurepropagatingfromwellheadtobottom.Thispaperregardedthethirdpart—thetimeofbackpressurepropagatingfromwellheadtobottom,astheresearchobject.Thecomputationalmodeofbackpres-surepropagationvelocityinannularwasestablished,andthemainfactorsaffectingthevelocitywereanalyzed,whichweredrillingfluiddensity,gascontentandcuttingcontent.Fielddatawereusedtocalculateandanalyzethepressurecontrollingresponsetime.Finallytheoreticalsupportswereprovidedfordelicatecontrolledpressuredrilling.Keywords:MPD;annular;pressurewavepropagation;responsetime作者简介：余金海，1962年生。1984年毕业于西南石油学院钻井工程专业，1998年获石油勘探开发研究院油气井工程硕士学位，主要研究方向为复杂深井钻井技术，高级工程师。电话：[phone]。控压钻井技术（MPD）是近年迅速发展起来的一项解决复杂钻井问题的钻井新技术，其类型有多种，包括井底压力恒定钻井技术（CBHP）、泥浆帽钻井技术（MCD）、双梯度钻井技术（DGD）等［1-5］。精细控压钻井技术是井底压力恒定钻井技术的一个具体实施方式，将由井下PWD随钻测压设备测得的井底压力数据传输给控制计算机，计算机通过计算压力、控制模型，给节流阀和回压泵发指令，调节井口回压、精细控制井底钻井液当量密度，保持井底压力恒定。这项技术目前已在国内外成功应用［6］。要保持井底压力恒定，就需要精细控压钻井系统控压响应时间短，即从发现井底压力变化到平衡压力变化的时间要短。控压响应时间由三部分时间组成：（1）PWD随钻测压信号传输时间；（2）地面控制系统从分析信号到调节井口回压的时间；（3）回压从井口传送到井底的时间。第3部分是人为不可控21余金海等：精细控压钻井控压响应时间浅析的客观时间，控压响应时间至少要大于第3部分时间。第3部分时间大小，如何计算，受哪些因素的影响，是否可以忽略？这些问题需要进行研究才能回答。以第3部分时间——回压从井口传到井底的时间为研究对象，根据压力波传播理论建立计算模型，并研究其主要的影响因素。1　回压传播速度计算模型精细控压钻井通过井下PWD随钻测压设备测得井底压力数据，假设通过控制软件计算发现需要向井底施加一个回压，这时控制计算机给节流阀和回压泵发出控制指令，在井口施加一定的回压，见图1。回压以压力波的形式沿环空向井底传播，传播速度为a，根据压力波在流场中传递的波动理论，可以得到回压传播速度计算公式［7］aK=e（1）式中，a为回压在流体中的传播速度；Ke为系统表观体积弹性系数（系统包括流体和容纳流体的环境）；为流体的密度。图1　井口回压传播示意图组成井眼环空中的流体，液相有钻井液、地层水等，固相有加重材料、岩屑等，气相有空气、天然气等（气体钻井、地层天然气等），是一个气、液、固三相混合流体。假设井眼环空流体中的固相颗粒是充分悬浮的，上下均匀分布；气体以游离状的气泡均匀分布在流体中。则环空中三相混合流体的体积和密度计算公式如下［8］VVVV=++=--++ìíïïîïïmgsgsmggss()1（2）式中，V、分别为环空三相混合流体的体积和密度；Vm、m分别为钻井液（包括加重材料等固相）的体积和密度；Vg、g、g分别为气相的体积、密度和气相所占的体积分数；Vs、s、s分别为岩屑的体积、密度和岩屑所占的体积分数。为了研究系统的表观体积弹性系数，从井眼环空中取一微元段dy进行分析，放大如图2所示。图2　环空混合流体微元示意图在回压Dp的作用下，环空三相混合流体中钻井液被压缩−DVm（体积压缩量用正值表示），气体被压缩−DVg，岩屑被压缩−DVs，而容纳环空流体的环境在压力作用下膨胀，膨胀的体积记为−DVc。则整个系统体积变化为DVt=−DVm−DVg−DVs+DVc（3）钻井液、气体、岩屑和容纳环境的体积弹性系数分别为［7,8］KpVVKpVVKpVVKpVVmmmgggssctc=-=-=-=ìíïïïïïïïïïïïïïDDDDDDDDsîîïïïïïïïïïïïïï（4）因此，系统的表观体积弹性系数Ke可定义为［7］KpVVett=DD（5）将式（3）、（4）代入式（5）可得1111111KKKKKKKecggmssm=+æèççççöø÷÷÷÷+-æèççççöø÷÷÷÷÷+-æèmçççççöø÷÷÷÷（6）上式计算的系统表观体积弹性系数是在井口加一个正回压的条件下得到的。当井口需要减一个回压时，就可以视为井口加了一个负的回压−Dp。这时图2微元中的钻井液要膨胀DVm，气体膨胀DVg，岩屑膨胀DVs，容纳环空流体的环境在内压减小的情况下要收缩，收缩的体积记为−DVc。则整个系统体积变化为DVt=DVm+DVg+DVs−DVc（7）容纳环空流体的环境是井眼环空，钻杆外壁和井壁之间的空间。钻杆和井壁的弹性模量要比流体的弹性模量大得多，因此可以认为在环空压力变化下，钻杆和井壁的体积变化量相比环空中流体体积变化量小得多。所以，上式中整个系统体积变化量22石油钻采工艺　2011年3月（第33卷）第2期DVt为正值。因此，在负回压−Dp下，系统的表观体积弹性系数可定义为KpVVet-=-DDDpt（8）在井口加一负回压下，经过正负符号变化，可以发现钻井液、气体、岩屑和容纳环境的体积弹性系数与式（4）相同。将式（4）、（7）代入式（8）可得负回压下系统表观体积弹性系数为1111111KKKKKKKe-=+æèççççöø÷÷÷÷+-æèççççöø÷÷÷÷÷+-Dpcmgmssgmmæèççççöø÷÷÷÷（9）对比式（6）、（9），可知不论井口施加是正回压还是负回压，系统表观体积弹性系数是相同的。忽略压力变化对环空流体密度的影响，从式（1）可知不论井口施加是正回压还是负回压，井口回压沿环空向井底传播的速度不变。为了讨论方便，文中只考虑井口施加的回压为正回压的情况，简称回压。图3　井眼环空示意图容纳环空流体的环境如图3（a）所示，是钻杆和地层所围成的井眼环空。在回压压力波沿井口向井底传播过程中，压力波每到一处都会引起环空的变化，如图3（b）所示，钻杆被向内压缩，井壁被向外压缩。钻杆和井壁的体积弹性系数之和就是环空的体积弹性系数，也就是系统的表观体积弹性系数。井壁的位移［9］uErp22221=+D（10）式中，u2为在压力Dp下井壁向外的位移；2为地层泊松比；E2为地层弹性模量；r2为井眼半径。井壁的体积变化DDVruyrEpy2222222221==+dd()（11）钻杆外壁的位移［9］urtEp11211=D（12）式中，u1为钻杆外壁径向位移；r1为钻杆外壁半径；t1为钻杆壁厚；E1为钻杆的弹性模量。钻杆外壁被径向压缩所产生的体积变化DDVrurtEpy111131122==d（13）环空的体积变化DVc=DV1+DV2（14）系统表观体积弹性系数DDDDDpVKVVprryKrtEpyrEtccdd=+-=++12221213112222221()()DDpyKrrrtErEcd121221213112222=-++()éëêêêùûúúúìíïïïïïïïïïïîîïïïïïïïïïï（15）将（15）式代入式（6）得1211221213112222KrrrtErEKem=-++()éëêêêùûúúú+ìíïïîïïüýïïþïïï+-æèççççöø÷÷÷÷÷+-æèççççöø÷÷÷÷ggmssm1111KKKK（16）回压在环空中的传播速度aKK==×ee11（17）对式（1）、（2）、（16）、进行分析，可以发现影响回压在环空中传播速度的主要因素是钻井液的密度、气体含量和岩屑含量。2　回压传播速度影响因素分析以下面数据为分析的基础数据［8］：钻头直径Ø215.9mm；钻杆外径127mm，壁厚为9.2mm，钻杆弹性模量2.1×105MPa；地层岩石弹性模量7500MPa，泊松比0.3；水的体积弹性系数为2040MPa（文中主要考虑水基钻井液，取钻井液的体积弹性系数为水的体积弹性系数）；岩屑的体积弹性系数为1.618×104MPa，岩屑密度2660kg/m3。假设环空的平均压力为