柯　珂,管志川,王志遠,路保平

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101; 2.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

?

修正設(shè)計系數(shù)的套管層次與下入深度設(shè)計方法

柯珂1,管志川2,王志遠2,路保平1

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101; 2.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中用以確定安全鉆井液密度窗口所采用的各類設(shè)計系數(shù)均采用經(jīng)驗或統(tǒng)計估算的方法,且在全井段各設(shè)計系數(shù)取值相同。對原有安全鉆井液密度窗口確定準(zhǔn)則中的部分公式和系數(shù)進行改進和修正,并提出一種修正設(shè)計系數(shù)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,新方法中各類設(shè)計系數(shù)將根據(jù)實際井條件精細計算,避免過度浪費安全窗口空間,使井身結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果更為合理高效。以西非深水區(qū)塊B-1井為例進行實例計算。結(jié)果表明，不同井段、不同井眼尺寸對各類設(shè)計系數(shù)具有明顯影響,尺寸差距越大,設(shè)計系數(shù)的差異性也越大,其對井身結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的影響也越大。關(guān)鍵詞:深水鉆井; 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計; 設(shè)計系數(shù); 安全鉆井液密度窗口; 井涌允量

引用格式：柯珂，管志川，王志遠，等.修正設(shè)計系數(shù)的套管層次與下入深度設(shè)計方法.中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016,40(2):76-82.

KE Ke,GUAN Zhichuan,WANG Zhiyuan,et al.An improved casing design method and its application in deepwater drilling .Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(2):76-82.

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是鉆井工程設(shè)計的基礎(chǔ),是油氣鉆井安全高效施工的基本保證。針對不同勘探和開發(fā)階段的油氣井,目前形成了以地層巖性條件和地層壓力剖面為基礎(chǔ)資料的設(shè)計方法,包括“自上而下”(主要用于探井)、“自下而上”(主要用于開發(fā)井)以及“從中間向兩邊”(主要用于專封地層或井段)的設(shè)計方法[1-5]。管志川等[6-7]提出了考慮地層壓力信息不確定條件下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計及風(fēng)險評價方法,能夠?qū)斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果進行工程風(fēng)險評價,從而提高設(shè)計結(jié)果的可靠性。但目前應(yīng)用的各類井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中用于確定安全鉆井液密度窗口所采用的各類設(shè)計系數(shù)均采用經(jīng)驗或統(tǒng)計估算的方法,且各類設(shè)計系數(shù)在全井段設(shè)計過程中取值相同。隨著鉆井工程地質(zhì)條件逐漸復(fù)雜,尤其是深水井和高溫高壓井,安全鉆井液密度窗口更為狹窄,采用傳統(tǒng)方法,若各類設(shè)計系數(shù)估計值過小,會使井身結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果安全性大幅降低,引發(fā)井下復(fù)雜情況,若設(shè)計系數(shù)取值過高或過于保守,則會浪費本來較為有限的安全窗口空間,造成套管層次過多,增加作業(yè)成本。筆者針對這一問題對原有安全鉆井液密度窗口確定準(zhǔn)則中的部分公式和系數(shù)進行完善和修正,并提出一種修正設(shè)計系數(shù)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,建立改進后的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計流程。

1　改進的安全鉆井液密度窗口確定方法

在傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中,確定鉆井液安全密度窗口主要依賴于地層三壓力剖面和6個基礎(chǔ)設(shè)計系數(shù)(包括抽吸壓力系數(shù)Sb、激動壓力系數(shù)Sg、破裂壓力安全系數(shù)Sf、井涌允量Sk、壓差允值Δpn和Δpa)。以下主要論述改進方法與傳統(tǒng)方法設(shè)計系數(shù)計算和取值的區(qū)別。

1.1傳統(tǒng)鉆井液密度約束準(zhǔn)則

根據(jù)現(xiàn)有的壓力約束準(zhǔn)則[8-9],確定井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的安全鉆井液密度上下限。

防井涌鉆井液密度下限值ρk為

ρk=pp+Sb+Δρ.

(1)

防井壁坍塌鉆井液密度下限值ρc為

ρc=pc+Sb.

(2)

防壓差卡鉆鉆井液密度上限值ρsk為

(3)

防井漏鉆井液密度上限值ρL為

ρL=pf-Sg-Sf.

(4)

防井涌壓井時壓漏地層校核為

(5)

式中,Sb為抽汲壓力系數(shù),g/cm3;Sg為激動壓力系數(shù),g/cm3;Sf為地層破裂壓力安全增值,g/cm3;Sk為井涌允量,g/cm3;Δp為壓差卡鉆允值,MPa;Hpmax為裸眼井段最大地層孔隙壓力處的深度,m;H為計算處井深,m;ρm為此井段使用的鉆井液密度值,g/cm3;Δρ為異常高壓油氣層鉆井液密度安全增量,g/cm3;Hs為地層最為薄弱處深度，一般為上層套管鞋處深度,m。

研究表明[10],在鉆井過程中尤其是深水鉆井或高溫深井鉆井,井筒中的鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度(ESD)與井口測量得到的鉆井液密度值存在明顯差異,文獻[11]中計算分析得出深水井井筒中ESD值在一定井深條件下,隨水深的增加,由于受到高壓低溫環(huán)境的影響井下鉆井液當(dāng)量密度大于井口數(shù)值,若在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中不考慮此密度值的變化,可能導(dǎo)致實際井底鉆井液當(dāng)量密度值過大,造成壓漏地層復(fù)雜情況的發(fā)生;文獻[12]中對某高溫深井(地溫梯度0.04 ℃/m)井筒中鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度隨井深的變化情況進行了計算分析,結(jié)果表明井底鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度受高溫環(huán)境影響,井底鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度明顯小于井口值,若井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不考慮此變化,與深水相反,會導(dǎo)致實際井底鉆井液當(dāng)量密度小于設(shè)計值,易發(fā)生因井筒中鉆井液液柱壓力不足引發(fā)的井涌等復(fù)雜情況。

此外,原約束準(zhǔn)則中沒有考慮鉆井過程中循環(huán)壓耗對井底壓力的影響,尤其在較小尺寸井眼井段,循環(huán)壓耗會明顯增加井筒中鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度,使鉆井循環(huán)過程中鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度明顯大于當(dāng)量靜態(tài)密度。若在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中不考慮此因素的影響,可能導(dǎo)致實際鉆井過程中井底壓力大于設(shè)計值,造成壓漏地層的復(fù)雜情況發(fā)生。

綜上,傳統(tǒng)安全窗口約束準(zhǔn)則已不能滿足井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要,尤其是安全窗口較為狹窄的深水井、深井和超深井。需要在安全鉆井液密度窗口確定方法中考慮上述因素的影響,對原有準(zhǔn)則進行改進。

1.2改進后的約束準(zhǔn)則

防井涌鉆井液密度下限值ρk:

ρk=pp+Sb-Sm+Δρ.

(6)

式中,Sm為鉆井液密度變化系數(shù),g/cm3。由于鉆井液在一定溫度壓力條件下物理性質(zhì)發(fā)生變化,導(dǎo)致井下當(dāng)量鉆井液密度與井口存有差異。鉆井液密度值變化系數(shù)即表示井下計算深度處鉆井液靜態(tài)當(dāng)量密度與井口鉆井液密度的差值,井下鉆井液密度高于井口密度時此系數(shù)取正值(深水、超深水井),低于井口密度時取負值(深井、高溫井、地?zé)峋?。

防井壁坍塌鉆井液密度下限值ρc為

ρc=pc+Sb-Sm.

(7)

防壓差卡鉆鉆井液密度上限值ρsk為

(8)

防井漏鉆井液密度上限值ρL為

ρL=min{ρ1,ρ2},

(9)

(10)

其中

式中,Sc為鉆井液循環(huán)摩阻系數(shù),g/cm3;Δf為循環(huán)摩阻,MPa。

防井涌壓井時壓漏地層校核:

ρm≤pf-Sf-Sk.

(11)

式(11)中的井涌允量Sk表示發(fā)現(xiàn)井涌后壓井過程中地層最為薄弱處(一般為套管鞋處)最大鉆井液當(dāng)量密度與平衡地層所需的鉆井液密度的差值[13],與井控中的井涌允量不同,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的井涌允量只與鉆井時井涌監(jiān)測手段和及時程度有關(guān),井涌監(jiān)測越及時,發(fā)現(xiàn)井涌時侵入井筒的流體越少,井涌允量值越小,反之則越大。深水鉆井井涌允量的計算必須考慮較長節(jié)流管匯摩阻的影響。井涌允量的選取可用井筒多相流動模型計算。

2　修正設(shè)計系數(shù)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

修正設(shè)計系數(shù)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中全井段各類設(shè)計系數(shù)不再取某一固定數(shù)值,而是先根據(jù)經(jīng)驗估算值設(shè)計出初步的井身結(jié)構(gòu),依次(自上而下或自下而上)以此為基礎(chǔ)重新計算不同尺寸井段的各類設(shè)計系數(shù)。確定出新的安全鉆井液密度窗口剖面,以此為基礎(chǔ)設(shè)計出一套新的井身結(jié)構(gòu)方案。以自上而下設(shè)計方法為例,介紹修正設(shè)計系數(shù)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,其設(shè)計流程如圖1所示,自下而上設(shè)計方法與其類似。

圖1　修正設(shè)計系數(shù)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖Fig.1　Working flow of improved casing program design method

根據(jù)初步井身結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果,結(jié)合設(shè)計出鉆具組合及鉆井液性能參數(shù),從這一層技術(shù)套管井段開始,分別計算不同井深處的各類設(shè)計系數(shù)(鉆井液循環(huán)壓耗系數(shù)、鉆井液密度增量、抽汲激動壓力系數(shù)等)。具體流程為:

(1)依據(jù)所選取的鉆井液PVT模型[14]、井筒的溫度壓力場[15-16]計算出沿井眼的鉆井液密度值,然后計算鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度,鉆井液密度變化系數(shù)計算式為

Sm=ρESDH-ρm.

(12)

式中,ρESDH為計算深度處的當(dāng)量鉆井液靜態(tài)密度,g/cm3;ρm為設(shè)計采用的鉆井液密度值,g/cm3。

(2)依據(jù)初步設(shè)計的井眼尺寸、鉆具組合和鉆井液類型、水力參數(shù)方案,計算此井段鉆井循環(huán)壓耗隨井深的變化情況,從而計算出循環(huán)壓耗系數(shù),

Sc=ρECDH-ρESDH.

(13)

式中,ρECDH為計算深度處的當(dāng)量循環(huán)鉆井液密度,g/cm3。

(3)同樣根據(jù)第(2)步中的數(shù)據(jù),依據(jù)鉆井過程中可能采用的最大起下鉆速度計算激動和抽汲壓力值,計算激動和抽汲壓力系數(shù)[17]。

(4)依據(jù)預(yù)計的地層參數(shù)、地層壓力值、井涌監(jiān)測精度(發(fā)現(xiàn)井涌時侵入井筒的氣體體積)等參數(shù),選取常用的壓井方法和井筒多相流動模型[18],計算鉆至不同井深時發(fā)生井涌關(guān)井、壓井全過程中套管鞋處或地層薄弱處當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度的最大值,求取出不同井深位置時的井涌允量值Sk。若采用簡化的氣柱理論及司鉆法,也可快速計算Sk值[18]:

(14)

ps=0.009 8ρd(H-Hs)+pas+Δp,

(15)

(16)

式中,Δpg為溢流氣體上升到Hs處的過壓值,MPa;ps為Hs處壓力,MPa;pb為壓井過程中保持的井底壓力,MPa;Hg為當(dāng)量溢流高度,m;Z為Hs處壓力為ps時的天然氣壓縮因子;Zb為天然氣井底時的壓縮因子;T為Hs處的溫度,K;Tb為井底溫度,K。

通過式(14)、(15)迭代計算出Δpg,再由式(16)計算出Sk。

3　實例計算分析

以西非B-1深水探井為例進行計算分析(自上而下設(shè)計方法),本井水深1 655 m,補心海拔25 m,設(shè)計井深3 580 m(補心深度),地溫梯度為3 ℃/100 m,海水溫度場如圖2所示,預(yù)測的地層三壓力剖面如圖3所示。主要預(yù)測砂體層位8.2 Ma、10.5 Ma Low、12.5 Ma Low和18.8 Ma Low,整體深度分別為2 780～3 065、3 222～3 416和3 520～3 580 m。

圖2　海水及地層溫度場剖面Fig.2　Formation and seawater temperature profile

各類設(shè)計系數(shù)初步估計值:抽汲壓力系數(shù)Sb為0.036,地層破裂壓力安全增值Sf為0.03,鉆井液密度變化系數(shù)Sm為0.01,壓差卡鉆允值Δpn(正常壓力段)為13,激動壓力系數(shù)Sg為0.036,循環(huán)壓耗系數(shù)Sc為0.02,井涌允量Sk為0.045,壓差卡鉆允值Δpa(異常壓力段)為18。初步井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如表1所示。

圖3　預(yù)測地層三壓力剖面Fig.3　Prediction of profile of formation pressure

井眼尺寸/mm套管尺寸/mm下入深度/m鉆井液類型鉆井液密度/(g·cm-3)762.01758海水1.03660.4508.02389海水1.03444.5339.72835SBM1.13311.2244.53385SBM1.22215.9203.23580SBM1.31

根據(jù)初步設(shè)計結(jié)果,首先重新計算第一層技術(shù)套管下入深度,此層井段初步確定的鉆具組合方案見表2。鉆井液方案:水基鉆井液密度為1.13 g/cm3,賓漢流體,塑性黏度為30 mPa·s,屈服強度為15 Pa,正常鉆進排量為50 L/s。依據(jù)這些參數(shù)計算各類設(shè)計系數(shù)。

表2　第一層技術(shù)套管層段鉆具組合尺寸

井涌允量計算時采用如下參數(shù):平臺泥漿池增量警報為2.0 m3,正常鉆進排量為50 L/s,發(fā)現(xiàn)溢流到實施關(guān)井作業(yè)時間設(shè)為1 min。氣侵速率為0.5 m3/min,節(jié)流管線長度為1 681 m,2根,管線內(nèi)徑為9.7 cm。深水鉆井壓井為防止井筒中形成天然氣水合物,一般以將地層流體循環(huán)出井筒為首要目標(biāo),普遍采用司鉆法[19]。

基于上述參數(shù),可以得出本井段各類井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)隨井深的變化,結(jié)果如圖4所示。依據(jù)新的各類設(shè)計系數(shù),即可得出本層次套管的新下入深度為3 015 m。

圖4　改進后的第一層技術(shù)套管的各類井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)Fig.4　Improved casing program design coefficientsvalues of the 1st technical casing

以此類推,以3 015 m為新的起點,按照上述方法計算下一井段的各類設(shè)計系數(shù)。計算結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5的設(shè)計系數(shù)按照約束準(zhǔn)則再次計算此井段的安全鉆井液密度窗口,設(shè)計本層次套管可直接下至設(shè)計井深3 580 m。

圖5　改進后的第二層技術(shù)套管的各類井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)Fig.5　Improved casing program design coefficientsvalues for the 2nd technical casing

改進后的設(shè)計結(jié)果如表3所示。

通過上述計算實例可以看出,井眼、鉆具尺寸的配合情況對各類設(shè)計系數(shù)影響明顯,在大尺寸井眼井段,抽汲與激動壓力系數(shù)、循環(huán)壓耗系數(shù)、井涌允量值均比初次經(jīng)驗預(yù)估值小,當(dāng)井眼尺寸變小時,前述4種設(shè)計系數(shù)都有明顯增長。鉆井液密度值變化系數(shù)在上部井段由于受到深水高壓低溫環(huán)境的影響,其值較大;而下部井段由于受到地層溫度逐漸增加的影響,降低了低溫對增加鉆井液密度的程度,鉆井液密度變化系數(shù)略微減小。本實例計算再次表明全井段各層次相應(yīng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)不同,設(shè)計時全井段按照相同的設(shè)計系數(shù)進行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計在上部大尺寸井段會浪費大量窗口空間,而在下部小尺寸井段可能會因為設(shè)計系數(shù)取值過小導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果安全可靠性降低。

表3　改進后的設(shè)計結(jié)果

按照傳統(tǒng)的約束準(zhǔn)則及自上而下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,設(shè)計出的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如表4所示。

表4　傳統(tǒng)方法設(shè)計結(jié)果

對比傳統(tǒng)方法和改進后新方法的設(shè)計結(jié)果,可知采用新的設(shè)計方法可以較大程度地利用安全鉆井液密度窗口空間,在不影響安全性的前提下,節(jié)約了套管層次與鉆井成本。其設(shè)計結(jié)果與本井實際井身結(jié)構(gòu)(表5)吻合度較好,且實際施工過程中未出現(xiàn)因井身結(jié)構(gòu)方案而引發(fā)的井下復(fù)雜情況,表明使用本方法進行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行合理的。同時也說明,對于安全鉆井液密度窗口較為狹窄的井,設(shè)計系數(shù)取值對設(shè)計結(jié)果有明顯影響,直至套管層次的變化。

表5　井身結(jié)構(gòu)最終設(shè)計結(jié)果與實際井身結(jié)構(gòu)對比

4　結(jié)　論

(1)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計須考慮井筒溫度壓力環(huán)境對井下鉆井液密度及當(dāng)量靜態(tài)鉆井液密度的影響,須考慮鉆井過程中循環(huán)壓耗對井底壓力的影響。引進鉆井液密度變化系數(shù)和循環(huán)壓耗系數(shù)使安全鉆井液密度窗口約束準(zhǔn)則更為精細準(zhǔn)確。循環(huán)壓耗系數(shù)除了受溫度壓力場、鉆井液性能影響外,主要受井眼尺寸影響較大,在上部大尺寸井眼井段,其系數(shù)值較小;而在下部井眼尺寸較小井段,循環(huán)壓耗系數(shù)值增加明顯。

(2)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中井涌允量的含義與井控過程中常采用的井涌允量的概念有所差別。在相同井涌監(jiān)測精度條件下,井涌允量受到環(huán)空尺寸影響明顯,在上部大尺寸井段,井涌允量值明顯小于常規(guī)設(shè)計采用的0.04～0.045 g/cm3,而在下部井段,井涌允量值迅速增加,預(yù)計在215.9 mm甚至更小井眼井段其值將明顯大于常規(guī)經(jīng)驗取值。

(3)各類設(shè)計系數(shù)沿井深及井眼尺寸的變化不同,并且變化明顯,按照全井段設(shè)計系數(shù)取相同數(shù)值的方法會給設(shè)計結(jié)果帶來誤差,上部大尺寸井段會額外減小安全窗口空間,若采用自上而下設(shè)計方法,會額外減少套管下入深度,甚至增加套管層次;而在下部小井眼層段,則會額外擴大安全窗口空間,使設(shè)計結(jié)果風(fēng)險增加,安全性能降低。對于安全窗口較為狹窄的井,設(shè)計系數(shù)的少量變化也會對設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生明顯影響,甚至改變套管層次。采用修正設(shè)計系數(shù)的套管層次與下入深度設(shè)計方法,能夠更合理地確定安全窗口并有效利用,提高設(shè)計結(jié)果的可靠性。

(4)可根據(jù)不同尺寸配合和主要的鉆井液類型制定相應(yīng)的設(shè)計系數(shù)圖版,這樣采用本方法可以更加快捷,節(jié)省大量計算工作量。

致謝感謝中國石化集團國際石油勘探開發(fā)公司工程部、尼日利亞分公司提供本井相關(guān)數(shù)據(jù),并允許此文發(fā)表。

[1]管志川,李春山,周廣陳,等.深井超深井鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,25(6):42-44.

GUAN Zhichuan,LI Chunshan,ZHOU Guangchen,et al.A method for designing casing program in deep and super-deep wells [J].Journal of the University of Petroleum,China(Edition of Natural Science),2001,25(6):42-44.

[2]侯喜茹,柳貢慧,仲文旭,等.井身結(jié)構(gòu)設(shè)計必封點綜合確定方法[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,29(4):52-55.

HOU Xiru,LIU Gonghui,ZHONG Wenxu,et al.Comprehensive determination method of setting position for casing program design[J].Journal of the University of Petroleum,China(Edition of Natural Science),2005,29(4):52-55.

[3]劉繪新,張鵬,熊友明.合理井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的新方法研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報,2004,26(1):19-22.

LIU Huixin,ZHANG Peng,XIONG Youming.A new method of well structure design by salt rock creep pressure profile[J].Journal of Southwest Petroleum Institute,2004,26(1):19-22.

[4]PHILIPPE J.Innovative design method for deepwater surface casings[R].SPE 77357,2002.

[5]BAKER J W.Wellbore design with reduced clearance between casing strings[R].SPE/IADC 37615,1997.

[6]管志川,柯珂,路保平.壓力不確定條件下套管層次及下深確定方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,33(4):71-75.

GUAN Zhichuan,KE Ke,LU Baoping.An approach to casing program design with formation pressure uncertainties[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2009,33(4):71-75.

[7]LIANG Q J.Application of quantitative risk analysis to pore pressure and fracture gradient predict ion[R].SPE 77354,2002.

[8]管志川,陳廷根.鉆井工程基礎(chǔ)理論與技術(shù)[M].東營:石油大學(xué)出版社,2000:251-254.

[9]柯珂.深水鉆井套管層次與下入深度確定方法[D].青島:中國石油大學(xué),2010:110-111.

KE Ke.Casing program design method for deepwater drilling[D].Qingdao:China University of Petroleum,2010:110-111.

[10]趙勝英,鄢捷年,舒勇,等.油基鉆井液高溫高壓流變參數(shù)預(yù)測模型[J].石油學(xué)報,2009,30(4):603-606.

ZHAO Shengying,YAN Jienian,SHU Yong,et al.Prediction model for rheological parameters of oil based drilling fluids at high temperature and high pressure[J].Acta Petrolei Sinica,2009,30(4):603-606.

[11]管志川.溫度和壓力對深水鉆井油基鉆井液液柱壓力的影響[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,27(4):48-52.

GUAN Zhichuan.Effect of temperature and pressure on fluid column pressure of wellbore drilling fluid in deep water drilling with oil based drilling fluid[J].Journal of the University of Petroleum,China(Edition of Natural Science),2003,27(4):48-52.

[12]趙勝英.高溫高壓條件下鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度預(yù)測新方法[D].北京:中國石油大學(xué),2009:53-55.

ZHAO Shengying.Investigation of a novel method for predicting equivalent circulating density of drilling fluids at high temperature and high pressure[D].Beijing:China University of Petroleum,2009:53-55.

[13]郝俊芳.如何計算井涌允量[J].西南石油學(xué)院學(xué)報,1983,5(3):45-50.

HAO Junfang.How to calculate kick tolerance[J].Journal of Southwest Petroleum Institute,1983,5(3):45-50.

[14]Jr MCMORDIE W E,BLAND R G,HAUSER J M.Effect of temperature and pressure on the density of drilling fluids[R].SPE 11114,1986.

[15]HASAN A R,KABIR C S.Fluid flow and heat transfer in wellbore[M].Richardson,Texas:Society of Petroleum Engineering,Inc,2002:7-11.

[16]高永海,孫寶江,王志遠,等.深水鉆探井井筒溫度場的計算與分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,32(2):58-62.

GAO Yonghai,SUN Baojiang,WANG Zhiyuan,et al.Calculation and analysis of wellbore temperature field in deepwater drilling[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2008,32(2):58-62.

[17]樊洪海.起下鉆時井眼內(nèi)動態(tài)波動壓力的預(yù)測[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1995,19(5):36-41.

FAN Honghai.Prediction for wellbore dynamic surge pressure while tripping a drill pipe[J].Journal of the University of Petroleum,China(Edition of Natural Science),1995,19(5):36-41.

[18]孫寶江.石油天然氣工程多相流動[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2013:162-164,309.

[19]王志遠,孫寶江,高永海,等.深水司鉆法壓井模擬計算[J].石油學(xué)報,2008,29(5):786-790.

WANG Zhiyuan,SUN Baojiang,GAO Yonghai,et al.Simulation computation of well killing with deepwater drillers method[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(5):786-790.

(編輯李志芬)

An improved casing design method and its application in deepwater drilling

KE Ke1,GUAN Zhichuan2,WANG Zhiyuan2,LU Baoping1

(1.Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC,Beijing 100101,China；2.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580,China)

In conventional casing designs for oil and gas well drilling,all the design coefficients used for the determination of safe drilling fluid density window are defined by empirical evaluation or statistical methods,and a consistent value of each coefficient is taken for all well sections.For drilling under complicated conditions,especially in deepwater drilling and at high temperature and high pressure (HTHP) conditions or for ultra-deep wells,the safe drilling fluid density window required is much narrower,and the conventional casing design method is not appropriate.When the values of the design coefficients are taken too low,it may lead to less safe drilling conditions,but when they are too high,it can waste some safe drilling fluid window space,resulting unnecessary casing and drilling cost.In this paper,an improved casing design method was proposed,in which each design coefficient needed to be calculated and determined based on the well structure in order to optimize the safe drilling fluid density window.The new method has been applied for a case study of a deepwater well in west of Africa,and the results show that the wellbore size,depth and the drilling string size have significant influence on the determination of the design coefficientsvalues.

deepwater drilling; casing design; design coefficient; safe drilling fluid density window; well kick tolerance

2015-04-25

國家“973”課題(2010CB226706);“十二五”國家重大專項(2011ZX05021-001);國家自然科學(xué)基金項目(51104113);中國石化集團公司科技攻關(guān)課題(P13010)

柯珂(1982-),男,高級工程師,博士,研究方向為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、深水鉆井關(guān)鍵技術(shù)。E-mail:keke.sripe@sinopec.com。

管志川(1959-),男,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向為油氣井力學(xué)、井下測控技術(shù)、深井超深井鉆井和深水鉆井。E-mail:guanzhch@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)02-0076-07doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2016.02.009

TE 21

A