高温深井当量静态密度的计算

第２５卷第１期　２００８年１月　钻　井　液与　完　井　液　Ｖｏ１．２５　ＮＯ．１　ＤＲＩＬＬＩＮＧ　ＦＬＵＩＤ＆ＣｏＭＰＬＥＴＩｏＮ　ＦＬＵＩＤ　Ｊａｎｕ．２００８　文章编号：１００１—５６２０（２００８）０１　０００１—０２　高温深井当量静态密度的计算　王贵　蒲晓林　（西南石油大学石油工程学院，四川成都）　摘要　计算高温深井井底静压时必须考虑高温和高压对钻井液密度的影响。提出了一种新的钻井液密度一温　度一压力数学模型，据此阐述了高温高压深井井底静压的具体计算方法，编制了计算机应用程序。结果表明，考虑高　温高压影响时得到的深井井底静压值与常规计算方法的计算值相差较大，足以使钻井液安全密度窗口过窄的油气　井出现井下复杂事故；高温深井水基钻井液当量静态密度随着井深增加而直线降低；且不同地面密度的水基钻井　液密度降低的幅度相同。得出温度对高温高压钻井液静态当量密度的影响程度大于压力的影响程度，钻井液地面　密度对当量静态密度变化量的影响很小。　关键词　钻井液　高温深井　钻井液当量静态密度　井底静压　计算　中图分类号：ＴＥ２５４．１　文献标识码：Ａ　长期以来，人们通常采用公式Ｐ　一ｐｇｈ计算井　底静液柱压力，该式确实能够满足浅井工程的实践　型，主要有以Ｋｕｔａｓｏｖｅ为代表的钻井液密度经验模　型Ｉ１］，Ｅｉｒｉｋ　ｋａｒｓｔａｒｄ等用理论推导出的数学模　型　引，以Ｈｏｂｅｒｏｃｋ等人为代表的组分模型　，　需要，但在高温深井情况下，实际的井底静压值往往　与该式的计算值相差几兆帕。然而，准确计算钻井　Ｓｏｒｅｌｌｅ等提出了水的密度一温度一压力经验关系　式［４］。国内也有学者对高温高压下的钻井液密度进　行了研究［５］。但是这些模型在使用过程中往往存在　精度不够或是模型中系数无从获取的缺点。　液当量静态密度，使钻井液当量循环密度始终保持　在安全钻井液密度窗口以内，对保证高温高压深井　尤其是安全钻井液密度窗口过窄的深井的成功钻进　具有极大的工程意义。一般情况下，井越深，井眼温　度就越高，由于钻井液具有热膨胀性，钻井液当量静　态密度会随之变小；同时井越深，井底静液柱压力越　大，在高压作用下钻井液产生压缩，当量静态密度会　随之变大。因此高温深井钻井液当量静态密度的确　定需要考虑温度和压力的影响，依赖于井深的变化。　本文通过采用西南石油大学自主研制的高温高　压钻井液静态密度测试装置，测出钻井液在不同温　度和压力条件下的密度，利用多元线性回归的方法　回归出了钻井液密度与温度和压力之间的关系模型　为　引：　ｐ＝ｐｏｅｘｐ（ａＴｚ＋６丁＋ｃ　＋　丁＋Ｐ）　（２）　１　计算模型　１．１钻井液的当量静态密度（ｐ　。）　随着井深的变化，钻井液的当量静态密度已不　式中，ｌ０为高温高压条件下的钻井液密度；ｐｏ为常温　常压条件下的钻井液密度；ｎ、ｂ反映温度对钻井液　密度的影响；Ｃ反映压力对钻井液密度的影响；ｄ反　映高温和高压交互作用对钻井液密度的影响。　能再等同于常温常压下的初始密度ｐ０，必须采用下　面的公式进行计算：　１０　一Ｐ　／（ｇ・　）　（１）　１．３井底静液柱压力的计算　基本假设：①将钻柱内钻井液液柱分为　小段，　在各小段△　ｉ的端点ｈ　处，利用现场测试手段获取　沿垂直井深的钻井液的温度分布情况，即已知井深　式中：Ｐ　为井底静液柱压力，ＭＰａ；　为井深，ｍ。　１．２钻井液密度一温度一压力模型　国外关于预测高温高压条件下钻井液密度的模　ｈ　处钻井液的温度丁　，Ａｈ　内钻井液的平均温度丁　为（Ｔｉ＋Ｔｉ＋　）／２；②由于液柱段长度较小，忽略液　基金项目：ＣＮＰＣ钻井液重点研究室科研项目（编号：部１８）。　第一作者简介：王贵，在读硕士研究生，１９８２年生，主要从事油气井工作液理论与应用方面研究。地址：四川省成都市西　南石油大学硕士Ｏ６级３班；邮政编码６１０５００；Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｇｕｉ＠１２６．ｃｏｒｎ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２　钻　井　液　与　完　井　液　２００８年１月　柱内钻井液密度ｐｆ的微量变化；③第一段液柱△　的钻井液密度为　；④Ａｈ　所承受压力Ｐ　为该段以　的差值分别高达４．６５　ＭＰａ、４．５７　ＭＰａ。这对于安　全密度窗口非常窄的井来说，这样的误差产生的后　上各液柱段产生压力之和。根据以上基本假设条　件，结合数值计算方法　，得出高温深井某井深ｈ　处静液柱压力的计算公式为：　ｒＰ　一Ｐ　１＋０．００９８ｐ　ｌ　Ａｈ　ｌ　Ｔ一（Ｔ　＋Ｔ　１）／２　—ＰＯ　ｅｘｐ（ａＴ　＋ｂＴ＋ｃｐ　＋ｄｐ　Ｔ＋ｅ）　Ｉ（　—ｌ，２，３，…，　—１）　｛户汁１一　＋０．Ｏ０９８ｐｉＡｈｉ＋ｌ　基于以上计算公式，运用Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ　６．０语言　编制了计算机应用程序。应用时只需导入现场井眼　温度测试数据，输入各基本参数，就可以计算出井深　ｈ　处的静液柱压力，从而实现了计算的自动化。　２　计算结果分析与讨论　假设钻井液温度沿着垂直井深呈线性分布，温　度梯度为３。Ｃ／１００　ＩＴＩ，钻井液地面温度为２５℃。　计算了地面密度分别为１．０５　ｇ／ｃｍ。、１．５４　ｇ／ｃｍ。、　１．７８　ｇ／ｃｍ。的聚磺钻井液在高温高压深井中的井　底静压及钻井液当量静态密度。　图ｌ为钻井液地面密度为１．０５　ｇ／ｃｍ。时，井底　静压随井深变化的规律。图ｌ表明，由常规计算方　法计算得的井底静液柱压力值大于本文计算方法的　计算值，并且随着井深的增加，这种差值增加，井深　６　０００　ｒｎ处的差值高达３．８　ＭＰａ。证明在高温深井　中，井越深，温度和压力对钻井液静液柱压力的影响　越明显。　＆／Ｍｅａ　图１钻井液密度为１．０５　ｇ／ｃｍ。时ｐ　与井深的关系　图２和图３是钻井液地面密度分别为１．５４ｇ／ｃｍ。　和１．７８　ｇ／ｃｍ。时，井底静压随井深变化的规律。同　样，从图２和图３可以看出，常规计算方法计算得的　井底静液柱压力值大于本文计算方法的计算值，并　且随着井深的增加，这种差值增加，井深６　０００　ｒｎ处　果将不堪设想。　ｐ＝／ＭＰａ　３００Ｏ　３５０ｏ　４００ｏ　善　５５０ｏ　６Ｏ００　６５０ｏ　图３钻井液密度为１．７８　ｇ／ｃｍ。时　与井深的关系　图４为３种不同密度的聚磺钻井液当量静态密　度随井深的变化情况。图４表明，钻井液当量静态　密度随着井深增加呈直线降低的趋势，说明温度对　水基钻井液密度的影响程度大于压力对其影响程　度；３条直线的斜率相同，当量静态密度的最大变化　值相近，证明钻井液地面密度对当量静态密度变化　量的影响很小。　＆Ｊ（ｒｄｃｍ￣）　０．９　ｌ、０　１．１　１．２　ｌ－３　１．４　１．５　１．６　１．７　１．８　３０００　３５００　４０００　姜逝４５００　５０００　５５００　６０００　６５００　图４不同密度钻井液的当量静态密度随井深的变化情况　３　结论　１．提出了一种新的可实施的钻井液密度一温度一　压力数学模型，该模型具有较高计算精度。　２．介绍了计算高温深井井底静压的数值计算　方法，该方法具有较强的可操作性。　（下转第５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２５卷第１期　徐加放等：谈钻井液封堵特性在防止井壁坍塌中的作用　５　液的封堵防塌性，结果事故复杂损失率下降为０。　粒，地下岩石被钻开后，钻井液液柱压力替代了原来　一期和二期工程使用的钻井液基本配方如下，性能　平衡的地层应力，钻井液与地层的物理化学反应、起　如表１所示。　下钻的抽吸激动压力等，超出了岩石内裂缝扩展极　一期：（２．０　９／６～２．５　９／６）膨润土＋０．６　ＮＰＡＮ＋　限，造成裂缝扩张，使原本并不连通的裂纹连接，随　５　ＫＣｌ＋０．５　ＰＡＣ—ＬＶ＋０．１　９／６ＸＣ　之侵入的钻井液滤液与岩石之间的物理化学反应，　二期：（２．０　９／５～２．５　）膨润土＋０．５　ＰＡＣ－ＬＶ　加速了裂纹的扩展，同时使岩石强度降低，是引起井　＋ｌ　ＴＥＭＰ＋０．３％ＬＹｌ＋１．５　ＴＥＸＫ＋ｌ　ＷＬＤ　壁坍塌的主要原因。因此，使用封堵型钻井液，增强　＋５．２　ＫＣｌ＋０．２　ＸＣ　钻井液封堵性能，降低钻井液滤失量，对于防止裂缝　表１　涠洲油田一、二期钻井液性能对比　扩展，减少井下复杂事故有着重要的意义。　钻井实验　ＰＶ　ｙＰ　Ｇｅｌ　膨胀率回收率ＦＬ　ＦＬ　参考文献　液条件ｍＰａ・Ｓ　Ｐａ　Ｐａ／Ｐａ　ｍＬ　ｍＬ　Ｅｌｉ邱正松，徐加放，吕开河，等．“多元　同”井壁稳定新理　论．石油学报，２００７，２８（２）：１１７　１１９　［２］　邱正松，李健鹰，沈忠厚．泥页岩水敏性评价新方法一比　亲水量法研究．石油钻采工艺，１９９９，２１（２）：１　６　ｒ３］　Ｓａｎｔｏｓ　Ｈ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．Ｗｅｌｌｂｏｒｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ：ａ　ｎｅｗ　ｃｏｎｃｅｐｔｕ—　ａｌ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ．ＳＰＥ　４９２６４，１　９９８　注：老化条件为１２０℃、１６　ｈ；实验岩心取自该区块某井　［４］徐加放，邱正松，李云贵，等．井壁稳定新观点——能量　井深２　２１８．３４～２　２２０．３４　ｍ处；砂床的砂粒粒径为０．２８～　守恒．钻井液与完井液，２００７，２４（５）：１２—１４　０．４５　ｍｍ。　［５］李贺．岩石断裂力学．重庆：重庆大学出版社，１９８８　［６］丁遂栋．断裂力学．北京：机械工业出版社，１９９７　由表ｌ看出，一期和二期工程使用的钻井液流　［７３　张永兴．岩石力学．北京：中国建筑工业出版社，２００４　变性和抑制性相差不大，但二期工程使用的钻井液　［８］　汤连生，张鹏程，王思敬．水一岩化学作用之岩石断裂力　中增加了ＴＥＸＫ和ＷＬＤ等封堵性材料，钻井液滤　学效应的试验研究．岩石力学与工程学报，２００２，２１　失量降低，封堵效果增强，而且在现场实际应用中井　（６）：８２２—８２７　壁坍塌问题明显减少。由此可见，钻井液封堵特性　［９］徐加放，邱正松，吕开河．泥页岩水化一力学耦合模拟实　在防止井壁坍塌中起到的重要作用　。　验装置与压力传递实验新技术．石油学报，２００５，２６　（６）：１１５－１１８　３　结论与认识　［１Ｏ］岳前升，向兴金，李中，等．油基钻井液的封堵性能研究　岩石中存在着大量亚微观缺陷、微型裂纹、裂缝　与应用．钻井液与完井液，２００６，２３（５）：４０—４２　以及其它常规手段所无法发现的非常小的不均匀颗　（收稿日期２００７—０９—０２；ＨＧＦ一０８１Ｗ２；编辑　汪桂娟）　（上接第２更）　－１３］Ｈｏｂｅｒｏｅｋ　Ｌ　Ｌ，Ｔｈｏｍａｓ　Ｄ　ｃ，Ｎｉｃｋｅｎｓ　Ｈ　Ｖ．Ｈｅｒｅ’ｓ　３．计算高温深井钻井液的当量静态密度必须　ｈｏｗ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｆｆｅｃｔ　ｂｏｔｔｏｍ－　考虑高温和高压对钻井液密度的影响。　ｈｏｌｅ　ｍｕｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＣＫ；Ｊ，１９８２，８０（１２）：１５８～１５９１　４．温度对高温高压条件下水基钻井液当量静　［４３　Ｓｏｒｅｌｌｅ　Ｒ　Ｒ，Ｊ　ａｒｄｉｏｌｉｎ　Ｒ　Ａ，Ｂｕｃｋｌｅｙ　Ｐ，Ｂａｒｉｏｓ　Ｊ　Ｒ．　态密度的影响程度大于压力的影响程度，钻井液地　Ｍａｔ　ｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｆｉｅｌｄ　ｍｏｄｅｌ　ｐｒｅｄｉｃｔ　Ｓ　ｄｏｗｎｈｏｌｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　面密度对当量静态密度变化量的影响很小。　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｓｔａｔｉｃ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ．ＳＰＥ　１１１１８，１９８２１　［５３汪海阁，刘岩生，杨丽平．高温高压井中温度和压力对　参考文献　钻井液密度的影响．油田化学，２０００，２３（１）：５６—６０　１－１］Ｋｕｔａｓｏｖｅ　Ｉ　Ｍ．Ｅｍｐｉｉｒｃａｌ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｄｏｗｎ～　［６］　王贵，蒲晓林，等．高温高压水基钻井液静态密度研究．　ｈｏｌｅ　ｍｕｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ．Ｏ／ｌ＆Ｇａｓ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９８８，６１：６１—６３　西南石油大学学报，２００７，２９（５）　［２］Ｅｉｒｉｋ　ｋａｒｓｔａｒｄ，ｅｔ　ａｌ，Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｆｌｕ—　［７］李庆扬，王能超，易大义．数值分析．北京：清华大学出　ｉｄｓ　Ｄｕｒｉｎｇ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　版社，２００５　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ．ＳＰＥ　４７８０６，１９９８　（收稿日期２００７—０９～２４；ＨＧＦ＝０７６Ｗｌｌ；编辑　汪桂娟）