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1、石油机械2011年第39卷第4期CHINAPETROLEUMMACHINERY27钻井新技术*控压钻井井底压力控制方案研究及其应用121沈海超胡晓庆王希玲(1中国石化集团国际石油勘探开发有限公司2中海石油研究总院)摘要窄钻井液密度窗口极易造成漏、喷、塌、卡等钻井复杂情况,尤其是当钻遇窄钻井液密度窗口泥页岩井段时,水化膨胀作用导致安全钻井问题变得更加复杂。安全钻井液密度窗口的准确建立以及井底压力的精确控制,是窄钻井液密度窗口地层安全、快速钻井的关键。为此,研究了一套窄钻井液密度窗口地层安全钻井井底压力精确控制方法。该方法以精
2、细地应力场及泥页岩水化特性研究为基础,通过安全钻井液密度窗口、泥页岩坍塌周期以及钻井液当量循环密度分析,优选合理的安全钻井井底压力;并针对砂岩、泥页岩地层的不同特性,分别制定相应的井底压力控制方案,实现安全钻进。研究成果可用于指导控制压力钻井井底压力控制方案的设计施工。关键词窄钻井液密度窗口地应力泥页岩水化特性井底压力控制方法行地应力测量,提高测量结果的准确性;建立研0引言究区三维地质模型,采用三维有限元约束优化反演[6-8]法建立研究区地应力场空间分布规律。该方法窄钻井液密度窗口极易造成漏、喷、塌、卡等弥补了以往数值模拟方法精度不足的缺陷,以测点钻井
3、复杂情况,尤其是当钻遇窄钻井液密度窗口泥计算值和实测值的差值绝对值为目标函数,引入数页岩井段时,水化膨胀作用导致泥页岩地层坍塌应学约束优化理论,通过优化使目标函数最小,以此力升高、破裂压力下降,安全钻井问题变得异常复来实现三维地应力场高精度优化反演;利用现场杂。安全钻井液密度窗口的建立以及井底压力的精确控制,是窄钻井液密度窗口地层安全、快速钻井地漏试验等资料验证三维地应力分布规律。的关键。近年来,控制压力钻井设备的出现为精确[1-5]控制井底压力提供了有力的硬件支撑。2泥页岩井壁力学模型及程序编制为此,笔者从精细地应力场及泥页岩水化特性研究出发,分析安全钻井液密度窗口
4、、泥页岩坍塌泥页岩水化后产生水化膨胀应力,岩石力学强周期及钻井液当量循环密度(ECD);在此基础上优度降低,井周围岩应力状态发生改变;水化作用具选安全钻井井底压力,建立一套系统的窄钻井液密有时间效应,随着时间的推移,会导致原本稳定的度窗口地层安全钻井井底压力精确控制方法,旨在井壁失稳。搞清地层含水量分布以及泥页岩水化特为控制压力钻井方案设计及施工提供参考依据。性是泥页岩井壁稳定性研究的关键。在广义平面应变条件下,泥页岩吸水后平衡方1精细地应力场研究方法的提出程柱坐标形式为:地应力场研究是安全钻井液密度窗口及泥页岩r1rr-++=0(1)坍塌周期研究的基础
5、。由于成岩作用及断层等地质rrr构造的扰动叠加,地应力状态较复杂。为此,笔者r12r++=0(2)提出一套精细地应力场研究方法,其基本原理为:rrr联合声发射法、差应变分析法等多种试验方法进几何方程为:*基金项目:中国石化集团国际石油勘探开发有限公司科研项目缅甸复杂地质条件下钻井技术应用研究(MPC030-2009)。28石油机械2011年第39卷第4期r=Ur/r(3)1UUr3窄钻井液密度窗口地层井底压力精=+(4)rr确控制方法z=Uz/z=0(5)U1UrU窄钻井液
6、密度窗口地层井底压力精确控制方法r=+-(6)rrr的基本原理如图2所示,可以概括为2个方面:泥页岩水化后,井周地层应变包括2部分:钻通过精细地应力场及泥页岩水化特性研究,建立4开地层后由于载荷不平衡引起的应变以及水化膨胀个压力剖面(孔隙压力、坍塌压力、漏失压力和[9-11]应变,本构方程如下:破裂压力)及泥页岩坍塌周期,据此分析安全钻1井液密度窗口;综合考虑钻井水力参数、钻井液r=r-(+z)+h(7)E流变参数、井身结构以及岩屑浓度的影响,分析钻1井液当量循环密度。在此基础上进行安全钻井井底=-(r+z)+h(8)E压力
7、(钻井液密度)以及泵排量优选。1z=z-(r+)+v(9)Er=2(1+)r/E(10)内边界条件:r
8、a=Pwf(11)r
9、a=0外边界条件:H1+H2H1-H2r=+cos222图2窄钻井液密度窗口地层井底压力精确控制方法(12)H2-H1恒定井底压力近平衡控制压力钻井时,需要根r=sin22据钻井液密度窗口及ECD设计井底压力值,通过式中r、、z井壁围岩的径向、切向和垂调整井口回压、钻井液密度及流变性来精确控制环向应力分量;空压力剖面,
