文摘
页岩钻井井筒不稳定是一个频繁的问题。准确计算surge-swab起下钻过程中压力对井筒压力管理保持井眼稳定至关重要。然而,减少插头形成页岩水平井没有被认为是在以前surge-swab压力模型。摘要surge-swab压力模型考虑削减插头的影响建立了开管柱和关闭管柱条件;在这个模型中,切割的渗透压塞进行了分析。削减堵塞孔隙度的减少由于页岩水化膨胀和分散,最终导致一个不透水插头。一个案例研究分析拭子进行压力脱开的过程。结果表明,在一个封闭的管道状况,减少插头显著增加下面的拭子压力,增加与减少切塞孔隙度和切塞长度的增加。给条件下,井底部的拭子压力从3.60 MPa提高到8.82 MPa由于切塞,增加了244.9%。在一个开放的管柱条件,减少堵塞影响管道中的流速和环,导致更高的拭子压力高于切塞而不得采伐塞环。 The difference increases with the decrease of the porosity and the increase of the length and the measured depth of the cutting plug. Consequently, the extra surge-swab pressures caused by cutting plugs could result in wellbore pressures out of safety mud density window, whereas are ignored by previous models. The model proposes a more accurate wellbore pressure prediction and guarantees the wellbore stability in shale drilling.
1。介绍
作为化石资源保存在富含有机物页岩纳米级孔隙中,页岩油是现在世界能源市场的一个重要组成部分1]。2018年,生产的页岩油 在美国,accounting for 64.7% of the total petroleum output [2]。2040年,生产率估计 。在中国,技术上可开采页岩油储量估计 ,占9.7%的技术上可开采页岩油资源在整个世界3),主要分布在吉林、大庆、和中国的西北4]。由于传统的石油和天然气资源的枯竭,页岩油被认为是未来最有希望的能源之一(4]。然而,随着页岩油的前景,重大挑战仍然存在。页岩地层中的水平井钻井是利用页岩油的内核技术。由于水平井的特殊轨迹和页岩形成的独特特点,井筒不稳定造成的问题经常在钻井工程。事故井眼坍塌、钻井液和管的损失导致巨大的非生产性时间,和巨大的经济损失。
井筒稳定性是安全、高效开采的核心。保证井筒稳定页岩地层、井筒压力应该保持在一个允许的范围(安全泥浆密度窗口)在钻探过程中(5]。一般来说,容许范围的上限是地层破裂压力。与井筒压力高于地层破裂压力,拉伸断裂发生在井筒岩(6),而钻井液流入形成通过这些骨折。这种有害的钻井液损失定义为井漏(7)需要各种问题(8)消费的巨大的钻井液,低效的削减运输和储层污染。特别是页岩气钻井流体损失加剧页岩形成的水合作用,进一步导致井筒不稳定问题。容许范围的下限是由之间的较大的地层坍塌压力和地层孔隙压力。与井筒压力低于地层坍塌压力、剪切破坏形式在井眼岩石和井筒发生崩溃6]。井筒破裂导致钻井管粘和钻孔扩张等问题。与井筒压力低于地层孔隙压力、地层流体流入井筒由于水力不平衡,定义为流体流入。流体流入可能诱发严重的钻井问题喜欢踢和爆裂。事故造成失败的井筒压力管理造成巨大的经济损失,非生产性时间,甚至人员伤亡(8,9]。
大部分的井筒不稳定发生跳闸问题/流程,由于surge-swab压力由管柱运动引起的。根据定义,surge-swab压力轴向的运动所产生的附加压力钻井井筒中的字符串(10]。surge-swab压力的研究已经从早期开始时间。炮(11)进行了测试与井下压力计测量压力变化时撤回管道,关于管子取出需要减少井筒压力和可能导致爆裂事故。之后,更多的实验和野外数据调查是关于surge-swab压力(12- - - - - -16),主要用于验证和改进理论模型。除了实验工作,理论研究正在致力于建立的模型surge-swab压力,包括稳态模型和动态模型(或瞬态)。克拉克(17)提出了稳态半经验的公式的等效速度surge-swab压力计算。造成的压力流体加速度也认为他的工作。Burkhardt [18)建立了一个surge-swab压力模型和理论研究,提出泥浆执着不变的图像方便使用。Fontenot和克拉克(19)建立了一个综合稳定surge-swab压力模型考虑钻井液性能变化与深度。随后在稳态surge-swab工作压力一直致力于改善与不同的优化模型。王旭和刘刚(20.)建立了稳态surge-swab Robertson-Stiff模型流体的压力,这也是一种yield-pseudoplastic液体。在小王的工作等。21),管偏心的影响被认为是在牛顿钻井液。克雷斯波et al。22)建立了稳态模型考虑流体和地层压缩系数和管弹性屈服幂律流体(YPL)。在2013年晚些时候,进行了实验室实验和回归模型的surge-swab压力开发YPL流体(23]。唐et al。24)建立了稳态模型考虑钻具的影响速度边界条件。Ettehadi和阿尔金[25Hershel-Bulkley]建立了稳态模型(HB)流体流变测量和应用原位热修改钻井液的流变参数。克里希纳et al。26)提出明确的流速方程稳态surge-swab收益率幂律流体的压力模型,实现更方便计算。动态模型(或瞬态模型)是另一个路线处理问题的surge-swab压力(27- - - - - -31日]。不同于稳态模型、动态模型考虑管道的弹性和井筒钻井液的惯性和压缩性,和起下钻速度的变化10]。由于计算的复杂性,动态模型难以应用于钻井实践领域。
如上所述,许多研究已经开展了关于surge-swab压力钻井工程。然而,在页岩地层钻井的影响有影响力的现象在surge-swab压力并没有被认为是在现有的研究中:切割的影响插头。由于低渗透油藏,水平井在页岩油的发展至关重要。井筒水平井钻探的污秽是一个突出的问题。切割粒子很容易积累在水平井筒,和削减插头可能泵停止时形成和释放过程。不同于裁床、切塞充满环在一定长度32]。跳脱,脱开过程中流体流动的影响这一特定切割粒子的积累。过度削减插头条件下井筒压力不能被先前的预测模型,导致页岩钻井的井眼不稳定风险。在这篇文章中,一个surge-swab模型考虑的影响建立了切削塞开管柱和关闭管柱条件。页岩孔隙度不同的插头也被认为是。最后,一个案例研究进行更深层次的认识。
2。形成的插头
切割插头是切割粒子缸钻井字符串之间的环空井筒形成的三个条件(图1):(1)岩屑在borehole-enlarged积累部分滑下由于脱扣管柱的扰动,(2)岩屑在垂直和small-inclination部分和积累下来的大倾角和水平部分循环停止时,和(3)的较低的岩屑一边井筒裁床推和大直径工具重复积累的铰孔或跳闸过程就像推土机工作。
3所示。建立模型
3.1。假设
开发模型,假设是:(1)钻井流体是不可压缩的,(2)钻井液流变特性的准确描述和简单的表达式33),幂律流模式被认为是钻井液,(3)钻井液的流变学是假定常数,忽略温度和压力的影响,(4)钻井字符串和井筒是刚性的,(5)钻井井筒字符串是同心,和(6)削减的影响粒子的插头被忽视。
3.2。关闭管柱
密切管柱底部封闭端,像有点堵塞喷嘴,钻杆与止回阀或套管浮箍。关闭管柱防止管道和环之间的流动。
两种类型的切割插头被认为是在模型中,即多孔塞和不透水cutting插头。多孔塞指的是一种累积渗透cutting批量(图2),使钻井流体渗流的形式。此外,由于页岩水化膨胀和分散切割粒子,减少插头的毛孔收缩,被细分散粒子。切塞的孔隙度降低,最后形成一个不透水切塞。因此,不透水切塞是指不透水削减批量(图3)。
3.2.1之上。多孔切塞
surge-swab压力高于多孔削减插头是类似于在没有切割的井筒堵塞,而surge-swab压力低于切塞等于两个压力损失之和:沿着环的摩擦压力损失和渗透压力损失多孔塞。在稳态摩擦压力损失的计算模型需要的有效速度钻井液,包含两个组件:代表流量的平均速度引起的钻井液和附着速度管柱轴向运动。
平均速度环空钻井液的可以获得10]: ,在环流量一个封闭的管道条件表示为字符串
速度从井底到地面摘要被认为是积极的。钻井液的执着速度在起下钻速度环取决于管道的字符串 : 在这,泥粘常数(10,18]。因此,钻井液的有效速度表示为
本文在环摩擦压力的计算方法,管道被扇的文学10和李et al。5]。环的摩擦压力损失与有效的获得速度(积极的或消极的摩擦压力损失的有效速度相同): ,摩擦的因素在环表示为
常数和取决于钻井液的流动模式。对他们表示为层流 对于湍流,
流的雷诺数环表示为
surge-swab压力结果的第二部分渗透压力损失的多孔塞,获得的流量通过它和它的物理性质如孔隙度和切塞长度(流向)。幂律流体,渗透压可以来源于表面速度(34,35通过一个多孔材料: 获得,毛细管半径与水力半径(36]: 获得和水力半径与孔隙度(37]:
因此,surge-swab压力在井筒多孔切塞摩擦压力损失之和,渗透压力损失:
井筒压力在任何位置环和下管柱可以获得:
3.2.2。不透水切塞
条件与一个不透水切塞和一个封闭的管柱对井筒稳定性是最危险的。显示为红色虚线包围的区域图3、不透水切塞、井筒、封闭的管柱形成一个封闭的空间。没有传质之间的封闭空间及其外,surge-swab压力不是控制的摩擦压力损失和渗透压力损失。考虑钻井液的假定的不可压缩性,附加轴向力封闭的底部的管柱在跳闸或脱开过程中用来直接平衡附加液压封闭空间:
3.3。开管柱
开放式管柱允许钻井液流动之间的环空和起下钻过程中管道通过访问结束时,喷嘴等。多孔切塞和不透水切开插头被认为与管柱。
3.3.1。多孔切塞
与多孔环切塞,钻井液仍允许流(图4)。因此,surge-swab上方和下方的压力减少插头由封闭管下的相同字符串条件,同时计算所需的流量和速度是不同的,由于质量交换的内部管道。
的条件一个多孔塞和开放的管柱,在环空流速和管道满足质量守恒定律10]:
类似于封闭管条件下,环的摩擦压力损失的计算需要有效的流体速度:
然后,在环摩擦压力损失可以获得。的渗透压也可以计算方法在封闭的管柱部分,而环的流量表示为
如上所示,有效流体速度和环的流量不能显式计算由于未知 。需要反复试验计算来确定和 。 调整以满足压力平等底部的管柱(10]: 这表明底部的井筒压力计算的流管道等于环空的流动。
底部的井筒压力计算的流管道,管道的摩擦压力损失是必要的(10,38]: ,钻井液在管道的有效速度的矢量和平均速度和起下钻速度: 在管道和钻井液的平均速度表示为
管流的摩擦系数是类似于环: 而层流的常数是不同的:
对于湍流,常数的计算和指的是方程(8)。在管道流动的雷诺数表示为
因此,surge-swab压力环可以计算。类似于封闭管柱条件、井筒压力在任何给定的位置获得:
3.3.2。不透水切塞
的条件开管柱和不透水切割插头,钻井液分为两个空格(图5):(a)的空间上面的环不透水切塞;(b)的空间由不透水下的环切塞,下面的井筒,在管道的一个字符串。井筒压力(环空压力)在这两个空间应分开计算。
由于不透水切塞的存在,没有流量的环形空间。因此,surge-swab压力轮是只有坚持速度引起的:
上面的环空井筒压力的不透水切割插头可以计算surge-swab压力与静水压力和往常一样,而下面的环切塞的计算更加复杂。井筒压力底部的管柱,等于管道压力 ,边界条件是必需的。计算的静水压力和管道内的摩擦压力损失、流量的吗是
因此,上面的井筒压力减少插头 之间的井筒压力削减插头和管柱的结束 井筒压力低于管字符串的结束
4所示。结果与讨论
水平井(39- - - - - -41)采用进行案例研究,组成的一个垂直部分,增加部分,和一个水平部分。轨迹数据和模型计算的输入数据是分别在表1和2。假设水平截面的长度为1500米。假设中间套管的套管鞋的积累为简化部分(2394.3米)。拭子进行案例研究的压力,而冲击压力是完全相同的大小与一个相反的迹象。拭子压力都与井筒底部的一些计算(3894.3米)。切塞的长度计算中只考虑渗透压力损失和忽略井筒压力分布的计算。
4.1。关闭管柱
封闭的管柱,擦洗脱开过程中压力分布和没有削减插头比较图6以及削减塞长度的影响。拭子压力计算的1到5米的长度,分别。结果表明,在给定的条件下,上述拭子压力的测量深度削减塞(2500)相应相同,而低于切割插头、拭子压力都比那些没有切割的井筒插头。拭子压力低于切塞增加与切塞长度的增加,由于更大的渗透压力损失引起的再切塞。底部的井筒,拭子压力为8.82 MPa 5米切塞,增加244.9%的拭子压力没有减少插头(3.60 MPa)。
孔隙度的影响减少插头的拭子压力调查,如图7。拭子压力计算的0.24,0.3,0.36,0.42,和0.48孔隙度分别。相似的趋势不同切割塞长度,结果表明,孔隙度较低会导致更大的渗透压力损失,导致更大的拭子压力低于测量切削深度插头。在井筒底部,拭子压力0.24 7.18 MPa,孔隙度,增加了199.0%的拭子压力没有减少插头。
因此,减少之间的井筒压力不同插头上面的条件。切塞长度的影响在井筒压力如图8。上面的井筒压力的测量深度削减塞(2500)相应的是相同的。那些切塞下减少切塞长度的增加,由于拭子的压力就越大。在井底,静水压力为32.86 MPa,井筒压力没有减少插头是29.25 MPa,和井筒压力5米切塞24.03 MPa, 5.22 MPa条件低于没有插头。孔隙度的影响在井筒压力如图9。切塞下面的井筒压力减少的减少切削填补孔隙度。在井底,井筒压力减少插头以孔隙度0.24 25.68 MPa, 3.57 MPa条件低于没有插头。
如上分析,过高的井筒压力将先前no-cutting-plug模型生成的条件与插头。过高的估计更大的长或低孔切塞的存在,导致更大的风险在井筒稳定性。
4.2。开管柱
拭子压力也与不同的切割计算出一个开放的管柱塞长度,如图10。切塞上方的拭子压力测量深度大于那些没有插头,而下面的拭子压力较低。增加长度和最大的区别在削减插头。因此,拭子压力的曲线较短切塞更接近的曲线没有插头。在数量方面,测量2500米,深度的棉签压no-cutting-plug条件1.05 MPa,虽然1.11 MPa的5米切塞状态。在2520米的测量深度,擦洗no-cutting-plug条件为1.06 MPa的压力,虽然是0.97 MPa的5米切塞状态。
类似的趋势中存在的不同疏切塞,如图11。孔隙度较低,切割插头上面的拭子压力更高和更低的。不透水的孔隙度减少插头可以被视为最低为0。甚至不透水的计算切削插头不同多孔,结果仍然满足的倾向。条件的数量、不透水的棉签压切塞条件1.14 MPa的测量深度2500米和0.92 MPa,海拔2520米。
切塞长度的影响在井筒压力如图12。拭子所引起的压力分布,而条件没有切塞,切塞上方的井筒压力更低,和那些低于切塞更高。井筒压力为31.80 MPa no-cutting-plug井筒,海拔2500米,虽然31.75 MPa以上5米切塞在同一测量深度。井筒压力为31.79 MPa no-cutting-plug井筒,海拔2520米,虽然31.88 MPa低于5米切塞在同一测量深度。
切塞孔隙度的影响对井筒压力与切塞长度也有类似的趋势,如图13。切割塞孔隙度较低导致井筒压力更大的差异从那些没有插头。因此,不透水切塞影响力最大。在数量方面,井筒压力在2500米不透水切塞31.71 MPa和下面31.93 MPa,海拔2520米。
井筒压力分布的差异之间的开放管和封闭管道条件结果他们的环空流速之间的区别。封闭条件下管柱,环流量是独立的长度和孔隙度减少插头,而在开放的条件下管柱,流量减少长度的增加和减少的孔隙度减少插头来满足共同的压力平衡环和管道内部。
的影响的位置切割的拭子压力了。拭子压力与不透水切塞在2500米,2800米,3100米,3400米,3700米计算,如图14。除了上述结果,棉签压差随切塞的位置。拭子压力以上的区别之间的切塞条件和没有切割插头随切割插头测量深度,这意味着错误之前的拭子模型应用于cutting-plug条件更大的压力。条件的数量、拭子压力高于2500米切塞是1.14 MPa和1.05 MPa没有削减插头,导致差异为0.09 MPa,尽管拭子压力高于3700米切塞是1.80 MPa和1.65 MPa没有削减插头,导致差异为0.15 MPa。相应地,不同的井筒压力高于切塞测量深度的增加,如图15。因此,井筒不稳定应用程序之前的拭子压力模型的风险削减塞条件更高更深层次的减少插头。
5。结论
(1)surge-swab压力模型,建立了考虑削减插头的影响,不考虑现有surge-swab压力模型。开管柱和管柱条件被认为是关闭。削减可能发展从多孔插入一个不透水粘土水化和页岩分散,导致压力计算的差别(2)减少代入封闭管柱surge-swab压力条件具有重要的影响。surge-swab压力高于切塞测量深度是相同的那些没有一个插头,而下面的surge-swab压力增加切塞长度的增加和减少切削填补孔隙度。形特征,在井筒底部,拭子压力为8.82 MPa 5米切塞( )0.24和7.18 MPa,孔隙度( ),分别有244.9%和199.0%的拭子压力没有减少插头(3.60 MPa)。因此,前面的模型高估了井筒压力为5.22 MPa, 5米切塞0.24和3.57 MPa,孔隙度减少插头,导致井筒压力不适当的风险管理(3)切开代入管条件对surge-swab压力带来更复杂的影响。条件没有削减塞相比,上述surge-swab压力较高切削插头测量深度和较低的下面。增加而减少的差异减少堵塞孔隙度和的距离减少插头和切割的长度的增加。减少插头上面的差异随切割的深度测量插头。形特征,测量2500米,深度的棉签压no-cutting-plug条件1.05 MPa,虽然1.11 MPa的5米塞条件和1.14 MPa的不透水cutting塞状态。相比减少插头,海拔2500米,拭子压力高于3700的削减插头是1.80 MPa和1.65 MPa的no-cutting-plug条件(4)模型提出了工作揭示了额外surge-swab压力和危险的井筒压力的影响下减少插头被先前的模型,忽略先前模型的检测潜在的井筒不稳定风险。模型可以应用于野外实习指导跳闸的优化参数和保证页岩钻井的井眼稳定性
附录
模型的计算程序对所有四个病例3(模型)的建立是为方便读者和用户系统化。有关引用都用部分表示3。
. 1。关闭管柱与多孔塞
计算环空流速 :
计算平均速度环空钻井液的:
计算的速度环空钻井液的:
结合情商。a .和情商。a .),计算有效的速度环空钻井液的:
流的雷诺数计算环:
为层流,常量和是:
对于湍流,常量和是
计算出环的摩擦因素 :
计算水力半径 :
计算毛细管半径 :
计算渗透压 :
结合(A.9)和(A.12),计算surge-swab压力 :
计算井筒压力 :
由信用证。关闭管柱不透水切塞
计算井筒压力 :
出具。在一个多孔塞开管柱
试错需要计算有效流体速度和流率在环由于未知 。
假设一个初始 ,计算的有效速度环空钻井液的:
计算摩擦压力损失情商。A.9)。
计算环空流速 :
计算渗透压情商。A.12)。
计算surge-swab压力情商。A.13)。
计算井筒压力底部的管柱与情商。A.14),即 :
钻井液在管道的计算速度 :
在管道计算钻井液的有效速度:
计算雷诺数流动的管道:
为层流,常量和是
对于湍流,常量和指的是情商。A.7)。
计算管道的摩擦系数 :
计算管道的摩擦压力损失 :
计算井筒压力底部的管柱,即 :
情商。A.19和情商。A.25),调整直到压力平等底部的管柱满足:
与确定 ,所有的计算参数情商。A.14)。
各。开管柱不透水切塞
计算的有效速度环空钻井液的:
计算环的摩擦压力损失情商。A.9)。
计算surge-swab压力 :
计算管道的流量 :
情商。A.26),计算井筒压力底部的管柱,即 。
计算井筒压力高于切塞:
计算井筒压力之间的削减插头和管柱的结束:
计算井筒压力低于管柱的结束
命名法
| : | 常数计算的摩擦系数,无量纲 |
| : | 常数计算的摩擦系数,无量纲 |
| : | 泥粘常数,无量纲 |
| : | 直径,m |
| : | 切割粒径、m |
| : | 井筒直径,m |
| : | 管柱的外径,m |
| : | 管道的内径字符串,m |
| : | 环的摩擦因素,无量纲 |
| : | 管道的摩擦因素,无量纲 |
| : | 一致性系数,Pa·mn |
| : | 流道长度,m |
| : | 的长度切割插头,m |
| : | 流动行为指数,无量纲 |
| : | 井筒压力在地面,Pa |
| : | 环空压力管道底部的字符串,Pa |
| : | 底部管压力管道的字符串,Pa |
| : | 井筒压力,爸爸 |
| : | 环空流速,m3/秒 |
| : | 在管道流量,m3/秒 |
| : | 毛细管半径的多孔塞,m |
| : | 水力半径的多孔塞,m |
| : | 雷诺数,无量纲 |
| : | 平均速度环的钻井液,m / s |
| : | 有效的速度环空钻井液,m / s |
| : | 平均速度的钻井液管道、m / s |
| : | 钻井液的有效速度管道、m / s |
| : | 执着的速度钻井液,m / s |
| : | 起下钻速度管柱,m / s |
| : | 管柱轴向力应用于,N |
| : | 在环摩擦压力损失,Pa |
| : | 不同的液压应用,Pa |
| : | 静水压力,爸爸 |
| : | 渗透压力损失,Pa |
| : | 在管道摩擦压力损失,Pa |
| : | Surge-swab压力,爸爸 |
| : | 钻井液密度,公斤/米3 |
| : | 孔隙度的多孔塞,无量纲 |
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者欣然承认中国的国家自然科学基金的支持(U19B6003;51734010)和中国石油天然气集团公司的战略合作技术项目和CUPB (ZLZX2020-01)。