李云賈江鴻.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司技術(shù)裝備處；.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

車(chē)66區(qū)塊鉆井過(guò)程井底壓力波動(dòng)及滲流規(guī)律

李云1賈江鴻2
1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司技術(shù)裝備處；2.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

針對(duì)車(chē)66區(qū)塊鉆井過(guò)程中易出現(xiàn)的阻塞、地層垮塌、井漏甚至井噴等問(wèn)題，基于環(huán)空流體力學(xué)并結(jié)合地層滲透性特征，分析了在起、下鉆及鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的抽汲壓力和激動(dòng)壓力的大小，以及鉆井液黏度、密度，井深和鉆井速率對(duì)其影響的規(guī)律；依據(jù)線(xiàn)性滲流定律，單向流體球面向心流和平面徑向流模型研究了井底負(fù)壓差下進(jìn)入、鉆過(guò)儲(chǔ)層的滲流規(guī)律變化及正壓差條件下鉆井液漏失情況，得出井底壓差越大、地層滲透率越高，地層流體滲流速度越高，鉆井液漏失量越大。該分析結(jié)果揭示了鉆井過(guò)程中井底壓力波動(dòng)和井下滲流規(guī)律及其相關(guān)影響因素，為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了必要依據(jù)。

鉆井；井底壓力；滲流規(guī)律；井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；車(chē)66區(qū)塊

在鉆井過(guò)程中井底壓力會(huì)隨著鉆井條件的改變而改變，且井底壓力改變的同時(shí)，儲(chǔ)層滲流規(guī)律也會(huì)產(chǎn)生一定的變化［1-2］。然而目前井底壓力和滲流的變化規(guī)律尚未明確，無(wú)法進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)并對(duì)鉆井過(guò)程給予指導(dǎo)。井底壓力和滲流變化規(guī)律與鉆進(jìn)地區(qū)的地層特征、井眼和鉆柱尺寸、鉆井液性能、鉆進(jìn)井深、鉆進(jìn)技術(shù)措施與操作等多種因素有關(guān)，其大小直接影響井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的抽汲壓力系數(shù)、激動(dòng)壓力系數(shù)等的取值，研究其變化規(guī)律能夠?yàn)榫斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。文中以勝利油田新近探明開(kāi)發(fā)的車(chē)66區(qū)塊為例，研究其鉆井過(guò)程中井底壓力和滲流變化規(guī)律。車(chē)66區(qū)塊屬套爾河西次洼陷，位于車(chē)鎮(zhèn)凹陷中部偏北，地質(zhì)條件惡劣、構(gòu)造復(fù)雜、儲(chǔ)層埋藏深及壓力層系多［3-4］。該區(qū)塊鉆井過(guò)程中需要鉆過(guò)多組壓力與巖性不同的地層，容易發(fā)生阻塞、地層垮塌、井漏甚至井噴等危險(xiǎn)事故。研究區(qū)塊鉆井過(guò)程井底壓力波動(dòng)和起、下鉆過(guò)程滲流規(guī)律，有助于井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障鉆井過(guò)程的順利進(jìn)行。

1 鉆井過(guò)程中井底壓力分析Analysis of bottom-hole pressure during drilling

鉆井過(guò)程中，井底壓力波動(dòng)較為頻繁，壓力大小與鉆井工作狀態(tài)、鉆井液性能等密切相關(guān)，通常在起鉆過(guò)程中，井底壓力最低；下鉆或鉆進(jìn)過(guò)程中，井底壓力相對(duì)較高。目前國(guó)內(nèi)油田鉆井工程設(shè)計(jì)和施工仍沿用Burkhardt的穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)模式［1］。

選取車(chē)66區(qū)塊一口目標(biāo)井，該井用?215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至井深4 500 m，?244.5 mm套管下深2 500 m（套管內(nèi)徑220 mm），鉆柱組合為?215.9 mm鉆頭+?177.8 mm鉆鋌（內(nèi)徑78 mm） 200 m+ ?127 mm鉆桿（內(nèi)徑108.6 mm）。鉆井液性能：ρm=1.5 g/ cm3，塑性黏度50 mPa·s。起鉆平均速度0.465 m/ s，下鉆平均速度0.93 m/s。對(duì)該井井底壓力波動(dòng)進(jìn)行研究。分析計(jì)算方法主要為Burkhardt試驗(yàn)井下鉆過(guò)程穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和實(shí)驗(yàn)研究波動(dòng)壓力對(duì)比分析，Mississppi試驗(yàn)井下鉆過(guò)程穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和實(shí)驗(yàn)研究波動(dòng)壓力對(duì)比分析，且采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型和過(guò)程隨時(shí)間點(diǎn)變化的動(dòng)態(tài)分析計(jì)算方法［6-7］。圖1為井底壓力波動(dòng)分析計(jì)算過(guò)程框圖。

圖1　波動(dòng)壓力計(jì)算過(guò)程框圖Fig.1 Block chart for calculation of surge pressure

1.1起鉆過(guò)程井底壓力分析

Bottom-hole pressure during tripping out

起鉆過(guò)程中抽汲壓力可分為鉆井液靜切應(yīng)力引起的抽汲壓力、體積置換及鉆井液黏附作用引起的抽汲壓力和慣性力引起的抽汲壓力3種。井底壓力降低值的大小主要與3個(gè)方面因素相關(guān)：（1）鉆井液靜切應(yīng)力；（2）鉆柱上行速度；（3）環(huán)空間隙大小、鉆井液密度、黏度等［5］。起鉆過(guò)程中，由于不斷地從井眼中起出鉆具，鉆柱在井內(nèi)部分的體積不斷減少，井眼鉆井液液面不斷降低，引起井底壓力下降。

目標(biāo)井條件下，計(jì)算不同鉆井液黏度、密度，不同井深以及不同平均起鉆速度下，起出一柱鉆柱過(guò)程中抽汲壓力隨起鉆時(shí)間的變化規(guī)律，如圖2所示。由圖2（a）可知，在目標(biāo)井的相同條件下，所用鉆井液的黏度越高，井底抽汲壓力越大；由圖2（b）可知，所用鉆井液密度越大，井底抽汲壓力越大，鉆井液密度增加值相同情況下，抽汲壓力增大趨勢(shì)基本一致；由圖2（c）可知，井深越深，抽汲壓力也越大；圖2（d）說(shuō)明起鉆過(guò)程中，抽汲壓力分布與鉆柱上行速度密切相關(guān)。

1.2下鉆過(guò)程井底壓力分析

Analysis of bottom-hole pressure during tripping in

下鉆過(guò)程中容易產(chǎn)生激動(dòng)壓力，導(dǎo)致壓力升高，井底壓力增加值的大小主要與3個(gè)方面因素相關(guān)：（1）鉆井液靜切應(yīng)力；（2）鉆柱下行速度；（3）環(huán)空間隙大小、鉆井液密度、黏度等［5］。

目標(biāo)井條件下，計(jì)算不同鉆井液黏度、密度，不同井深以及不同平均下鉆速度下，下入一柱鉆柱過(guò)程中激動(dòng)壓力隨下鉆時(shí)間的變化規(guī)律，如圖3所示。

由圖3（a）可知，目標(biāo)井的相同條件下，所用鉆井液的黏度越高，井底激動(dòng)壓力越大；由圖3（b）可知，所用鉆井液密度越大，井底激動(dòng)壓力越大；由圖3（c）可知，井深越深，激動(dòng)壓力也越大；圖3（d）、說(shuō)明下鉆過(guò)程中，激動(dòng)壓力分布與過(guò)程中鉆柱下行速度密切相關(guān)。

1.3鉆井過(guò)程井底壓力分析

Bottom-hole pressure during drilling

目標(biāo)井條件下，分析計(jì)算該井在鉆進(jìn)→靜止→起鉆→靜止→下鉆→鉆進(jìn)全過(guò)程中的井底壓力變化規(guī)律，在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液排量26 L/s，鉆進(jìn)速度10 m/h。

由于巖屑進(jìn)入環(huán)空鉆井液，環(huán)空鉆井液密度增加了Δρm=3.9 kg/m3，環(huán)空鉆井液對(duì)井底作用的液柱壓力增加了Δpms=172 kPa；計(jì)算鉆進(jìn)循環(huán)的環(huán)空流動(dòng)壓耗為pa=2 497.2 kPa，井內(nèi)靜液柱壓力pm=66150kPa；起出5立柱，環(huán)空液面下降13.75 m，則井底壓力下降為202.1 kPa。

由圖4可知，在鉆進(jìn)→靜止→起鉆過(guò)程中，由于環(huán)空壓耗，井底壓力大于靜液柱壓力；停止鉆進(jìn)關(guān)泵準(zhǔn)備起鉆狀態(tài)下，井底壓力等于靜液柱壓力；在每次取出一根立柱過(guò)程中，由于抽汲壓力作用，井底壓力下降，一定條件下可能會(huì)引起溢流。在靜止→下鉆→鉆進(jìn)過(guò)程中，停止鉆進(jìn)關(guān)泵準(zhǔn)備下鉆狀態(tài)下，井底壓力等于靜液柱壓力；在每次下入一根立柱的過(guò)程中，由于激動(dòng)壓力作用，井底壓力增加，一定條件下可能會(huì)引起井漏；鉆進(jìn)時(shí)由于環(huán)空壓耗，井底壓力大于靜液柱壓力。

圖3　不同井底條件下激動(dòng)壓力隨下鉆時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.3 Changes of surge pressure with drilling time under different bottom-hole conditions

圖4　下鉆-鉆進(jìn)-起鉆過(guò)程的井底動(dòng)壓力變化Fig.4 Changes in bottom-hole dynamic pressure during drillingtripping out and tripping-in-drilling

2 井底正、負(fù)壓差下滲流規(guī)律分析Seepage patterns under negative and positive bottom pressures

在起鉆過(guò)程中，井底壓力降低，可能出現(xiàn)井底壓力小于地層壓力，進(jìn)而導(dǎo)致地層流體侵入井筒的現(xiàn)象，在鉆井工程設(shè)計(jì)中這種情況通常是不允許發(fā)生的。對(duì)不同滲透率的儲(chǔ)層，起鉆抽汲壓力引起的負(fù)壓，會(huì)引起地層流體侵入井筒，其中儲(chǔ)層性質(zhì)和鉆開(kāi)厚度會(huì)影響滲流規(guī)律和模型的選擇。下鉆過(guò)程中，在激動(dòng)壓力作用下，井底壓力上升，可能導(dǎo)致鉆井液向地層中的漏失［1］。下鉆、起鉆過(guò)程中引起的井底正、負(fù)壓影響井底滲流規(guī)律，在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇中需要加以注意。

2.1井底負(fù)壓差下滲流分析

Seepage pattern under negative bottom-hole differential pressure

2.1.1進(jìn)入液體儲(chǔ)層過(guò)程滲流分析 起鉆過(guò)程中井底負(fù)壓差狀態(tài)下，液體儲(chǔ)層流體的滲流特征可以按服從線(xiàn)性滲流定律的單相液體球面向心滲流過(guò)程進(jìn)行分析［8］。球面向心滲流模型如圖5。

圖5　球面向心滲流模型Fig.5 Model for spherical centripetal seepage

由單相液體穩(wěn)定滲流的數(shù)學(xué)模型，描述球面向心穩(wěn)定滲流過(guò)程，根據(jù)達(dá)西定理得體積流量表達(dá)式

式中，rw為井眼半徑，m；Re為儲(chǔ)層供給半徑，m；pw為井內(nèi)壓力，Pa；pe為儲(chǔ)層供給壓力，Pa；μ為滲流流體黏度，Pa·s；k為滲透率，μm2。

按單相液體球面向心滲流過(guò)程，分析起鉆過(guò)程中的井底抽汲壓力對(duì)滲入流量的影響。假定在某地層鉆進(jìn)過(guò)程中，井眼直徑為215.9 mm，滲入流體黏度為10 mPa·s，分析不同滲透率地層和不同負(fù)壓差條件下井底液相滲流速度。如圖6、圖7，在相同條件下，一定的地層滲透率，隨著起鉆抽汲引起井底負(fù)壓差值增大，地層流體滲流進(jìn)入井筒的滲流速度會(huì)增大；在其他條件相同情況下，一定的井底壓差，對(duì)滲透率較大的地層，地層流體滲流進(jìn)入井筒的滲流速度會(huì)較大。

圖6　抽汲井底負(fù)壓差與滲流速度關(guān)系Fig.6Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs

圖7　地層滲透率與滲流速度關(guān)系Fig.7Correlation between formation permeability and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs

2.1.2進(jìn)入氣層過(guò)程滲流分析 起鉆過(guò)程井底負(fù)壓差狀態(tài)下，氣層儲(chǔ)層流體的滲流特征，可以按服從線(xiàn)性滲流定律的單相氣體球面向心滲流過(guò)程進(jìn)行分析。由于是氣體滲流，體積流量隨壓力會(huì)發(fā)生變化，在穩(wěn)定滲流情況下，質(zhì)量流量是常數(shù)［8-9］。

按單相液體球面向心滲流過(guò)程，分析起鉆過(guò)程中的井底抽汲壓力對(duì)滲入流量的影響。假定在某地層鉆進(jìn)過(guò)程中，井眼直徑為215.9 mm，滲入氣體黏度為0.010 5 mPa·s，設(shè)井內(nèi)鉆井液密度為1.5 g/cm3，井深4 500 m，地溫梯度為2.5℃/100 m。分析不同滲透率地層和不同負(fù)壓差條件下井底氣相滲流速度。如圖8、圖9，在相同條件下，一定的地層滲透率，隨著起鉆抽汲引起井底負(fù)壓差值的增大，地層氣相滲流進(jìn)入井筒的滲流速度會(huì)增大；在其他條件相同情況下，一定的井底壓差，對(duì)滲透率較大的地層，地層氣相滲流進(jìn)入井筒的滲流速度會(huì)較大。

圖8　抽汲井底負(fù)壓差與滲流速度的關(guān)系Fig.8Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during initial penetration of gas reservoirs

圖9　地層滲透率與滲流速度關(guān)系Fig.9Correlation between formation permeability and seepage velocity during initial penetration of fluid reservoirs

2.1.3鉆過(guò)液體儲(chǔ)層過(guò)程滲流分析 起鉆過(guò)程井底負(fù)壓差狀態(tài)下的鉆過(guò)液體儲(chǔ)層的滲流特征，可以按服從線(xiàn)性滲流定律的單相液體平面徑向穩(wěn)定滲流過(guò)程進(jìn)行分析［8］。平面徑向滲流模型如圖10。

由單相液體穩(wěn)定滲流的數(shù)學(xué)模型，描述平面徑向穩(wěn)定滲流過(guò)程，由達(dá)西定理，分離變量積分得該平面徑向流井筒入流體積流量表達(dá)式

按平面徑向流滲流過(guò)程，分析起鉆過(guò)程中的井底抽汲壓力對(duì)滲入流量的影響。假定在某地層鉆進(jìn)過(guò)程中，井眼直徑為215.9 mm，滲入流體黏度為10 mPa·s，Re=1 000 m，h=10 m，分析不同滲透率地層和不同負(fù)壓差條件下的液相滲流速度。如圖11、圖12，在相同條件下，一定的地層滲透率，隨起鉆抽汲引起井底負(fù)壓差值的增大，地層流體滲流進(jìn)入井筒的滲流速度會(huì)增大；在其他條件相同情況下，一定的井底壓差，對(duì)滲透率較大的地層，地層流體滲流進(jìn)入井筒的滲流速度會(huì)較大。

圖11　抽汲井底負(fù)壓差與滲流速度的關(guān)系Fig.11Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during drilling of fluid reservoirs

圖12　地層滲透率與滲流速度關(guān)系Fig.12Correlation between formation permeability and seepage velocity during drilling of fluid reservoirs

2.1.4鉆過(guò)氣層過(guò)程滲流分析 按服從線(xiàn)性滲流定律的單相氣體平面徑向滲流過(guò)程，分析起鉆過(guò)程井底負(fù)壓差狀態(tài)下的滲流。由于是氣體滲流，體積流量隨壓力會(huì)發(fā)生變化，在穩(wěn)定滲流情況下，質(zhì)量流量是常數(shù)［9］。

按平面徑向流滲流過(guò)程，分析起鉆過(guò)程中的井底抽汲壓力對(duì)滲入流量的影響。假定在某地層鉆進(jìn)過(guò)程中，井眼直徑為215.9 mm，滲入氣體黏度為0.010 5 mPa·s，Re=1 000 m，h=10 m，設(shè)井內(nèi)鉆井液密度為1.5 g/cm3，井深4 500 m，地溫梯度為2.5℃/100 m。分析不同滲透率地層和不同負(fù)壓差條件下的井底氣相滲流速度。圖13、圖14，在相同條件下，一定的地層滲透率，隨起鉆抽汲引起井底負(fù)壓差值的增大，地層氣相滲流進(jìn)入井筒的流量速度會(huì)增大；在其他條件相同情況下，一定的井底壓差，對(duì)滲透率較大的地層，地層氣相滲流進(jìn)入井筒的流量速度會(huì)較大。

圖13　抽汲井底負(fù)壓差與滲流速度的關(guān)系Fig.13 Correlation between negative bottom-hole swabbing pressure and seepage velocity during drilling of gas reservoirs

圖14　地層滲透率與滲流速度關(guān)系Fig.14 Correlation between formation permeability and seepage velocity during drilling of gas reservoirs

2.2井底正壓差下滲流分析

Seepage pattern under positive bottom-hole differential pressures

下鉆過(guò)程中，井內(nèi)壓力較大，激動(dòng)壓力引起的井內(nèi)正壓差作用會(huì)使鉆井液向地層中漏失［10］。井底的鉆井液漏失過(guò)程，按服從線(xiàn)性滲流定律的單相液體球面向心滲流逆過(guò)程分析，分析下鉆過(guò)程井底正壓差狀態(tài)下的滲流特征，（pe-pw）＜0，由（1）式計(jì)算得體積流量為負(fù)值。

按單相液體球面向心滲流過(guò)程的逆過(guò)程，分析下鉆過(guò)程中的井底激動(dòng)壓力對(duì)鉆井液流入地層的影響。假定在某地層鉆進(jìn)過(guò)程中，井眼直徑為215.9 mm，鉆井液黏度為20 mPa·s，分析不同滲透率地層和不同正壓差條件下的液相滲流速度。結(jié)果表明，激動(dòng)壓力引起井底正差壓，導(dǎo)致鉆井液漏失進(jìn)入地層，一定的地層滲透率，鉆井液漏失進(jìn)入地層的速度隨井底正壓差的增大而增大。

3 結(jié)論Conclusions

（1）抽汲壓力和激動(dòng)壓力隨著鉆井液密度、黏度以及井深的增大而增大；在起、下鉆過(guò)程中，抽汲壓力和激動(dòng)壓力與鉆柱上、下行速度密切相關(guān)；同時(shí)，揭示了在鉆井的鉆進(jìn)→靜止→起鉆過(guò)程和靜止→下鉆→鉆進(jìn)過(guò)程中井底壓力的變化規(guī)律。

（2）鉆過(guò)儲(chǔ)層鉆進(jìn)過(guò)程，基于單相介質(zhì)平面徑向穩(wěn)定滲流定律分析表明：相同條件下，一定的地層滲透率，隨起鉆抽汲引起的井底負(fù)壓差值增大，地層流體滲流入井的流量、速度增大；其他條件相同情況下，一定的井底壓差下，地層流體進(jìn)入井眼內(nèi)的滲流速度隨著地層滲透率的增大而增大。

（3）激動(dòng)壓力引起井底正壓差，井內(nèi)壓力較大時(shí)，井內(nèi)正壓差作用會(huì)引起鉆井液向地層中漏失。地層滲透率一定時(shí)，鉆井液漏失進(jìn)入地層的滲流速度隨著井底正壓差增大而增大。

（4）在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以井段鉆進(jìn)設(shè)計(jì)最大鉆井液密度作為井內(nèi)液柱壓力計(jì)算的基礎(chǔ)，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際井內(nèi)壓力狀況。同時(shí)考慮地層的滲透性特征，在下一井段鉆進(jìn)過(guò)程中套管鞋處的地層不引起井漏條件下，可適當(dāng)降低激動(dòng)壓力系數(shù)、破裂壓力安全系數(shù)的取值，從而修正各層套管的允許下入深度，進(jìn)一步優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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（修改稿收到日期 2016-02-27）

〔編輯 薛改珍〕

Bottom-hole pressure fluctuation and seepage pattern during well drilling in Che-66 Block

LI Yun1， JIA Jianghong2
1. Technology and Equipment Department， SINOPEC Shengli Oilfield Service Corporation， Dongying， Shandong 257000， China；2. Drilling Technology Research Institute， SINOPEC Shengli Oilfield Service Corporation， Dongying， Shandong 257000， China

Drilling operations in the Che-66 Block are susceptible to blocking， formation collapsing， lost circulation， blowout and other complexities. Based on fluid dynamics in annulus and with consideration to formation permeability features， magnitudes of swabbing pressure and surge pressure produced during tripping and drilling operations were analyzed， together with effects of drilling fluid viscosities， densities， well depths and ROPs. In accordance with linear seepage theory， models for unidirectional fluid spherical centripetal flow and plane radial flow were deployed to determine seepage patterns and lost circulation of drilling fluids during penetration of reservoir formations under negative pressure. Research results show that higher bottom-hole differential pressure and formation permeability may lead to higher speed in seepage of formation fluids and higher volume of drilling fluids lost. The conclusions highlighted fluctuation in bottom-hole pressure during drilling， together with seepage pattern and relevant influencing factors. The research results can provide necessary foundation for optimization of borehole structural design.

drilling； bottom-hole pressure； seepage law； borehole structural design； Che-66 Block

LI Yun， JIA Jianghong. Bottom-hole pressure fluctuation and seepage pattern during well drilling in Che-66 Block［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 144-149， 154.

TE254

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0138-06

10.13639/j.odpt.2016.02.002

李云（1964-），1985年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）鉆井工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井工藝方面的研究與管理工作。通訊地址：（25700）山東東營(yíng)中國(guó)石化勝利油田工程有限公司技術(shù)裝備處。電話(huà)：13854619359。E-mail：jiajianghong79@163.com

引用格式：李云，賈江鴻.車(chē)66區(qū)塊鉆井過(guò)程井底壓力波動(dòng)及滲流規(guī)律［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：138-143，155.