9 天然气工业 018 年 8 月井身结构不仅关系到钻井完井工程的整体效益, 也关系到生产层的保护和产能的维持, 直接影响到整个油气井的质量和使用寿命大位移水平井具有水平位移大, 水垂比高, 裸眼井段长的特点, 钻下部地层时上部裸眼井段容易被压裂 [1,] ; 压力衰竭地层易发生井漏井塌等井

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堂禹
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1 钻井工程 91 基于漏失压力极限法的压力衰竭气藏大位移水平井井身结构设计李忠慧 1 李中方满宗楼一珊 1 陈浩东刘杰 3 1. 油气钻井技术国家工程实验室长江大学石油工程学院. 中海石油 ( 中国 ) 有限公司湛江分公司 3. 中国石油吐哈油田公司吐鲁番采油厂摘要地层压力衰竭气藏在油气压力下降后, 岩石特性参数以及地应力会发生改变, 如果沿用压力未衰竭时的井身结构设计方案将会导致井身结构设计不合理, 易发生井漏井塌等井下复杂情况为此, 在分析压力衰竭地层大位移水平井钻井难点与对策的基础上, 将井筒最大液柱压力与漏失压力平衡作为初步确定套管下深的约束条件, 同时考虑循环当量密度的影响, 建立了压力衰竭气藏水平井井身结构设计方法, 并在莺歌海盆地东方 1-1 气田进行了现场应用研究结果表明 :1 井内压力平衡的上限取漏失压力, 其值等于水平最小主地应力 ; 水平最小主地应力将随着气藏开采地层流体压力的降低而减小 ;3 套管下入极限深度受到钻井液循环当量密度 (ECD) 的制约, 即随着水平段的延伸, 环空压耗将增加至压漏临界点深度 ;4 东方 1-1 气田主力储层地层压力衰竭严重, 井身结构优化后采用四开井身结构, 使得 3 个不同压力体系的储层不同存于一个裸眼井段, 有效地降低了井下复杂情况的发生概率结论认为, 该方法可为压力衰竭气藏的大位移水平井井身结构设计提供理论依据关键词压力衰竭气藏大位移水平井井身结构漏失压力循环当量密度东方 1-1 气田莺歌海盆地 DOI: /j.issn Structural design of extended reach horizontal wells in pressure depleted gas reservoirs based on the leakage pressure limit method Li Zhonghui 1, Li Zhong, Fang Manzong, Lou Yishan 1, Chen Haodong & Liu Jie 3 (1. National Engineering Laboratory for Oil and Gas Drilling Technology//School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan, Hubei , China;. CNOOC China Limited Zhanjiang Branch, Zhanjiang, Guangdong 54057, China; 3. Turpan Oil Production Plant, PetroChina Tuha Oilfield Company, Turpan, Xinjiang , China) NATUR. GAS IND. VOLUME 38, ISSUE 8, pp.91-95, 8/5/018. (ISSN ; In Chinese) Abstract: The rock characteristic parameters and earth stress of pressure depleted gas reservoirs are changed after the oil/gas pressure drops, so the casing program used for undepleted reservoirs is not suitable any longer and it tends to bring about complex downhole situations, e.g. circulation loss and well collapse. In this paper, the difficulties and countermeasures of extended reach horizontal wells in pressure depleted reservoirs were analyzed. Then, a method to design the casing program of horizontal well in pressure depleted reservoirs was developed with the balance between the maximum wellbore fluid column pressure and the leakage pressure as the constraint to determine the casing running depth while considering the effect of equivalent circulation density (ECD). Finally, this design method was applied on site in the Dongfang 1-1 Gas Field, Yinggehai Basin. And the following research results were obtained. First, the leakage pressure is taken as the upper limit of borehole balance pressure, which is equal to the minimum horizontal major earth stress. Second, the minimum horizontal major earth stress decreases with the drop of the fluid pressure in the producing zones of gas reservoirs. Third, the casing running depth limit is controlled by the ECD of drilling fluid. That is to say the annulus pressure loss will increase to the depth of critical leakage point as the horizontal section extends. Fourth, the pressure of the principal reservoir in the Dongfang 1-1 Gas Field is depleted seriously. And its optimized casing program is four-spudding structure, in which the reservoirs of 3 different pressure systems are not arranged in the same open hole section and the occurrence probability of complex downhole situations is reduced effectively. In conclusion, this method provides a theoretical basis for the design of casing program of extended reach horizontal wells in pressure depleted reservoirs. Keywords: Pressure depletion; Gas reservoir; Extended reach well; Horizontal wells; Casing program; Leakage pressure; Equivalent circulation density; Dongfang 1-1 Gas Field; Yinggehai Basin 基金项目 : 国家自然科学基金项目深水高温高压环境下钻井全过程井壁稳定评价方法 ( 编号 : ) 作者简介 : 李忠慧,1977 年生, 副教授, 博士 ; 主要从事石油工程岩石力学与钻井完井等方面的科研与教学工作地址 :(430100) 湖北省武汉市蔡甸区大学路 111 号 ORCID: lizhonghui550@16.com 通信作者 : 李中,197 年生, 教授级高级工程师, 博士 ; 现任中国海洋石油南海西部石油管理局钻完井总工程师, 主要从事海洋钻完井工艺技术的研究与管理工作地址 :(54057) 广东省湛江市坡头区号信箱 lizhong@cnooc.com.cn

2 9 天然气工业 018 年 8 月井身结构不仅关系到钻井完井工程的整体效益, 也关系到生产层的保护和产能的维持, 直接影响到整个油气井的质量和使用寿命大位移水平井具有水平位移大, 水垂比高, 裸眼井段长的特点, 钻下部地层时上部裸眼井段容易被压裂 [1,] ; 压力衰竭地层易发生井漏井塌等井下复杂情况, 其主要原因是油气压力下降后岩石特性参数以及地应力发生改变, 表现在井眼坍塌压力破裂压力的变化当在压力衰竭地层进行大位移水平井钻进时, 由于地层坍塌压力破裂压力的改变, 常规的井身结构设计方法不能满足工程需要笔者针对压力衰竭地层大位移水平井钻井特点, 建立了适合于压力衰竭地层大位移水平井井身结构设计方法, 并将该方法应用于南海北部湾莺歌海盆地东方 1-1 气田, 取得了很好的应用效果, 研究结果为压力衰竭地层大位移水平井井身结构设计提供了一定的理论依据 1 衰竭储层井身结构优化难点和对策目前, 大位移水平井井身结构设计多参照直井和定向井井身结构设计方法, 未充分考虑水平段动态压力的影响, 导致在水平段钻井过程中容易发生漏失, 降低了钻井效率并增大了钻井成本覃成锦等 [3-10] 学者依据水平井钻井过程中水平段的井筒环空动态压力特点, 提出了一种压漏校核新方法, 该方法将环空动态压力计算纳入水平井井身结构设计中进行考虑, 逐段进行环空动态压力计算与校核, 通过寻找压漏临界点来确定套管下入深度, 并根据钻井实践经验优化水平井井身结构, 提高了水平井井身结构设计的科学性窦玉玲运用系统分析方法研究大位移井井身结构设计, 该方法增加了水力性能扭矩极限井眼稳定性套管下入可行性等相关评价, 利用实现井眼清洁对应的系统压耗钻井液当量循环密度钻进或下套管过程中可能产生的最大扭矩预计的最大井径扩大率以及套管下入过程中最小大钩载荷等参数作为校核参数, 对传统井身结构设计思路进行了完善, 并给出了相应的约束方程总体来说, 基本原理是根据裸眼井段内压力平衡关系确定每层套管的下深, 其基础数据包括地层三个压力剖面钻进环空流体动态的 6 个基础参数 [8] 其基本思路是根据压力平衡关系确定出井身结构方案, 即采用坍塌压力孔隙压力的最大值作为下限, 破裂压力的最小值作为上限, 针对常规地层, 此种方法能够实现优质安全钻井, 然而, 针对压力衰竭地层, 由于压力衰竭导致地层地应力发生变化, 沿用常规大位移水平井井身结构设计方法易出现卡钻坍塌漏失等复杂情况针对压力衰竭后坍塌压力漏失压力的变化, 笔者将井筒最大液柱压力与漏失压力平衡作为初步确定套管下深的约束条件, 同时考虑钻井液当量循环密度 (ECD) 的影响, 对储层段压力衰竭的大位移水平井井身结构进行了优化设计衰竭储层井身结构优化过程方法针对压力衰竭地层, 井身结构设计原则是在裸眼段钻进中及井涌压井时不发生井漏, 并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故.1 压力衰竭后地层漏失压力计算模型的建立储层在压力衰竭过程中有体积收缩的趋势, 但在围岩的影响下, 产层的横向变形受到限制, 体积收缩的趋势转化为应力减小, 最终结果是导致水平向地应力发生改变, 储层压力衰减后, 假设流体压力的改变只引起地层垂向变形, 在水平面内的变形为零, 且认为压力衰减过程中上覆主应力保持恒定, 根据广义胡克定律, 可求得地层压力降低 Δp 后的地应力计算模型如式 (1) 所示其中 [13-14] : (1) 式中 σ H σ h σ v 表示原始最大最小水平垂直地应力, MPa ; 如果储层流体压力降低, 为负号, 表示地应力减小, 如果储层流体压力升高, 为正号, 表示地应力增加 ;μ 表示泊松比, 无量纲 ;α 表示有效应力贡献系数, 无量纲 ;Δp p 表示地层压力变化量,MPa ; ω 1,ω 为构造应力系数钻井中发生井漏的原因除地层被压裂之外, 还有由于压差较大在高渗透率储层断层及不整合面等情况, 或者由于邻近断层附近的地层自身存在裂缝裂缝重张和延伸造成井漏, 此时认为漏失压力等于水平最小主地应力, 其数值的大小可通过建立地应力计算模型获得 [15] 在压力衰竭地层中钻进时,

3 钻井工程 93 很容易出现漏失等复杂情况 [16-17], 因此本研究取漏失压力作为井内压力平衡的上限, 其值等于水平最小主地应力. 当量循环密度的确定钻井液当量循环密度为钻井液的当量静态密度与钻井液流动造成的环空压力损失之和 [11] () 式中 ECD 表示当量循环钻井液密度,g/cm 3 ;ESD 表示当量静态密度,g/cm 3 ;p apl 表示井深 H 处环空压耗, MPa ;H 表示垂深,m 根据式 (), 在确定了 ESD 之后, 还需建立钻井循环期间环空压力损耗的计算模型水平井的环空动态压耗大小受钻井液密度黏度排量井眼尺寸与钻柱尺寸等影响论文采用幂律模式, 在工程精度允许的范围内对循环系统的流动问题进行适当简化当流态为层流时, 环空井段的压耗为 : 降低值,MPa ;ρ m ρ p Δρ m 分别表示钻井液密度地层孔隙压力当量密度钻井液密度附加值,g/cm 3 ) 计算井底的环空压耗 (Δp b ) 根据调整后的钻井液密度与性能参数, 按不同的流态选择式 (3) 或式 (4) 计算井底的环空压耗 Δp b, 再与式 (6) 计算的井涌最大允许压力降低值结果进行比较, 如果 Δp m 大于等于 Δp b, 表明由调整钻井液的技术措施减小的井底压力可以抵消钻井液循环引起的环空压耗, 能够满足安全钻到井底的要求 ; 如果计算结果仍不能满足, 则采用套管封隔技术方案.3.3 计算压漏临界点深度随着水平段的延伸, 其水平段中必然存在某一点处的环空压耗 (Δp b ) 增大至由调整钻井液的技术措施而降低的静液压力 (Δp m ), 该点即为压漏临界点深度 [18], 即套管下入深度由于计算复杂, 该点深度需进行计算机迭代计算当流态为紊流时, 环空井段的压耗为 :.3 井身结构设计过程 (3) (4).3.4 增加套管层次的压漏校核经计算压漏临界点深度不能钻达设计深度, 需要增加套管层次, 则需要按照上述步骤对新设计的环空进行压漏校核, 直至压耗计算结果满足要求为止 3 实例分析.3.1 水平段钻进发生压漏的计算判断井底不被压漏的最大允许压力增量为 : (5) 把式 (5) 计算结果与式 (3) 或式 (4) 计算的井底环空压耗进行比较, 即可判断是否会发生压漏.3. 压漏情况下是否采用套管封隔的判断如果水平段钻进经初步校核 p apl 大于等于 Δp z, 水平井眼会被压漏, 是否采取套管封隔方案, 主要从以下两个方面做出综合评估判断 :1 考虑目前的钻井技术水平及处理压漏复杂情况的技术措施等对钻井液密度与性能进行调整, 以减小环空压耗来避免或减轻压漏经上述评估后仍然不能避免压漏情况, 那么只能增加一层套管, 计算步骤如下 : 1) 井底不发生井涌的最大允许压力降低值计算为 : (6) 式中 Δp m 表示保证井底不发生井涌的最大允许压力东方 1-1 气田位于南海北部莺歌海海域, 区域构造位置为莺歌海盆地中央泥底辟构造带北部随着油气田持续采出地层流体 ( 油气水等 ), 地层压力出现大幅度衰竭, 根据气田生产中实测数据, 至 014 年,Ⅲ 上气组部署井段地层压力系数已由原始的 1.03 下降至 0.95,Ⅱ 下气组部署井段地层压力系数下降至 0.46,Ⅰ 气组部署井段压力系数下降至井身结构设计系数确定井身结构设计的合理与否, 其中一个重要的决定因素是设计中所用到的抽汲压力系数激动压力系数破裂压力安全系数井涌允量和压差卡钻允值这些基础系数是否合理通过分析处理东方 1-1 气田已钻井 (9 口井 ) 的录井井史地质等资料, 根据计算模型, 确定了压力衰竭后的井身结构设计系数如表 1 所示 3. 压力衰竭后地层坍塌压力漏失压力破裂压力分布规律根据定向井井壁稳定分析计算模型, 考虑压力

4 94 天然气工业 018 年 8 月表 1 东方 1-1 气田已钻井抽吸压力系数激动压力系数取值表裸眼直径 /mm 套管直径 /mm 76.0 ( 导管 ) ( 筛管 ) 钻具组合 Ø8.6 mm 钻铤 +Ø17 mm 加重钻杆 +Ø17 mm 钻杆 Ø03 mm 钻铤 +Ø17 mm 加重钻杆 +Ø17 mm 钻杆 Ø17 mm 加重钻杆 +Ø 17 mm 钻杆抽吸压力系数 ~ ~ ~ ~ 激动压力系数 0.01 ~ ~ ~ ~ 井身结构设计方法的计算结果, 融入自上而下井身结构设计方法的设计思想, 对东方 1-1 气田拟钻井套管层次以及下深进行优化设计, 设计结果见表 3 开钻顺序表 3 东方 1-1 气田拟钻井井身结构设计方案表井段 / m 井眼直径 / mm 套管直径 / mm 套管下深 / m 一开二开三开四开 ~ 3 8 ( 筛管 ) 表东方 1-1 气田已钻井破裂压力安全系数井涌允量和压差卡钻允值取值范围表井涌允量 / (g cm -3 ) 破裂压力增值 / (g cm -3 ) 压差卡钻允值 /MPa 正常异常 0.04 ~ ~ ~ ~ 17 衰竭对地应力, 破裂压力, 坍塌压力的影响, 应用东方 1-1 气田实际钻井资料及测井资料, 得到大位移井压力衰竭后的井眼地层 4 个压力剖面, 如图 1 所示从表 3 中可以看出, 根据力学平衡原理优化设计的井身结构能够满足压力衰竭地层大位移井的安全钻井, 但 Ø339.7 mm 套管下深较大, 在实际工程过程中要考虑下套管的摩阻问题卡钻漏失校核结果如表 4 所示, 从中可以看出, 采用优化的井身结构设计方案, 不会发生卡钻漏失等问题表 4 拟钻井井身结构条件下卡钻漏失校核结果表钻井液密度 / 压差卡钻极大值 / ECD/ 最小漏失序号 (g cm -3 ) MPa (g cm -3 ) 压力系数一开 1.08 / / 二开三开四开结论与建议图 1 大位移井压力衰竭后井眼地层 4 个压力剖面图 3.3 井身结构设计结果根据对东方 1-1 气田已完钻井使用井身结构适用性分析, 相对现今存在压力衰竭多套压力系统的地层, 传统的井身结构设计存在一定的缺陷, 尤其在压力衰竭地层中容易出现卡钻漏失等复杂情况这些复杂地层必须及时地进行封隔, 即必须确定必封点的位置, 寻求一种更为有效地井身结构设计方法结合井身结构优化技术, 利用传统的自下而上 1) 压力衰竭地层钻井复杂事故以井漏为主, 在进行井身结构设计过程中应以漏失压力作为主要考虑因素, 因此提高地层压力预测精度显得尤为重要 ) 在大位移水平井地层进行井身结构设计, 考虑到裸眼井段长, 水垂比大的特点, 应当计算钻井液循环当量密度 3) 对该地区地层情况进行综合研究, 得出了压力衰竭地层合理的井身结构, 优化了套管程序, 降低了钻井成本, 并减少了钻井过程中漏喷塌卡等复杂情况的发生, 研究结果为压力衰竭地层大位移水平井井身结构设计提供了科学的理论依据

5 钻井工程 95 参考文献 [ 1 ] 李剑波, 郑华. 大位移井钻井技术 [J]. 断块油气田, 1997, 4(5): Li Jianbo & Zheng Hua. Drilling technology of large displacement well[j]. Fault-Block Oil and Gas Field, 1997, 4(5): [ ] 宋玉玲, 董丽娟, 李占武. 国外大位移井钻井技术发展现状 [J]. 钻采工艺, 1998, 1(5): Song Yuling, Dong Lijuan & Li Zhanwu. Development status of drilling technology for foreign large displacement wells[j]. Drilling & Production Technology, 1998, 1(5): [ 3 ] 覃成锦, 高德利, 唐海雄, 魏宏安. 南海流花超大位移井井身结构设计方法 [J]. 石油钻采工艺, 006, 8(1): Qin Chengjin, Gao Deli, Tang Haixiong & Wei Hong an. Design method of well structure for super-large displacement wells in South China Sea Liuhua[J]. Oil Drilling & Production Technology, 006, 8(1): [ 4 ] 窦玉玲. 大位移井井身结构设计探讨 [J]. 特种油气藏, 013, 0(5): Dou Yuling. Discussion on well structure design of large displacement well[j]. Special Oil & Gas Reservoirs, 013, 0(5): [ 5 ] 魏宏安, 张武辇, 唐海雄. 超大水垂比大位移井钻井技术 [J]. 石油钻采工艺, 005, 7(1): 1-5. Wei Hong'an, Zhang Wunian & Tang Haixiong. Drilling technology of extended-reach well with ultra-high horizontal displacementto vertical depth ratio[j]. Oil Drilling & Production Technology, 005, 7(1): 1-5. [ 6 ] 郑双进, 贾世文, 张文敏, 余勤. 水平井井身结构设计之压漏校核新方法 [J]. 石油钻采工艺, 013, 35(3): Zheng Shuangjin, Jia Shiwen, Zhang Wenmin & Yu Qin. Leakage check method of casing program design for horizontal wells[j]. Oil Drilling & Production Technology, 013, 35(3): [ 7 ] 葛洪魁. 水平井井身结构设计探讨 [J]. 石油钻探技术, 1994, (): 1-4. Ge Hongkui. Discussion on well structure design of horizontal well[j]. Petroleum Drilling Techniques, 1994, (): 1-4. [ 8 ] 韩超, 陶丽杰, 朱健军. 考虑漏失因素的水平井井身结构设计 [J]. 内蒙古石油化工, 014(7): Han Chao, Tao Lijie & Zhu Jianjun. Design of horizontal well structure considering leakage factors[j]. Inner Mongolia Petrochemical Industry, 014(7): [ 9 ] 徐小峰, 孙五苓, 白亮清, 邢韦亮, 张功智, 韩连胜. 冀东油田水平井井身结构优化设计 [J]. 石油钻采工艺, 007, 9( 增刊 1): Xu Xiaofeng, Sun Wuling, Bai Liangqing, Xing Weiliang, Zhang Gongzhi & Han Liansheng. Technology of casing programming for horizontal well in Jidong Oilfield[J]. Oil Drilling & Production Technology, 007, 9(S1): [10] 王勇茗, 周文军, 王彦博, 杨琼警, 高云文. 致密油 m 长水平段水平井井身结构优化设计 [J]. 钻采工艺, 013, 36(6): 0-3. Wang Yongming, Zhou Wenjun, Wang Yanbo, Yang Qiongjing & Gao Yunwen. Optimization design of well structure with m horizontal segment in the tight reservoir[j]. Drilling & Production Technology, 013, 36(6): 0-3. [11] 王鄂川, 樊洪海, 党杨斌, 王义顷, 罗立新, 高文强. 环空附加当量循环密度的计算方法 [J]. 断块油气田, 014, 1(5): Wang Echuan, Fan Honghai, Dang Yangbin, Wang Yiqing, Luo Lixin & Gao Wenqiang. Calculation method of additional equivalent circulating density[j]. Fault-Block Oil and Gas Field, 014, 1(5): [1] 楼一珊, 李琪. 钻井工程 [M]. 北京 : 石油工业出版社, 013. Lou Yishan & Li Qi. Drilling project[m]. Beijing: Petroleum Industry Press, 013. [13] 闫传梁, 邓金根, 蔚宝华, 谭强, 邓福成, 胡连波. 压力衰竭储层井壁稳定性变化规律研究 [J]. 石油钻采工艺, 013, 35(3): 5-8. Yan Chuanliang, Deng Jingen, Yu Baohua, Tan Qiang, Deng Fucheng & Hu Lianbo. Research on wellbore stability of pressure depleted reservoirs[j]. Oil Drilling & Production Technology, 013, 35(3): 5-8. [14] 谭强, 何辉, 陈永浩, 卢望红, 段芳. 压力衰竭储层中定向井井壁稳定性分析 [J]. 石油天然气学报, 010, 3(): Tan Qiang, He Hui, Chen Yonghao, Lu Wanghong & Duan Fang. Stability analysis of directional wellbore in pressure-depleted reservoir[j]. Journal of Oil and Gas Technology, 010, 3(): [15] Morita N, Black AD & Fuh GF. Theory of lost circulation pressure[c]//spe Annual Technical Conference and Exhibition, 3-6 September 1990, New Orleans, Louisiana, USA. DOI: doi.org/10.118/0409-ms. [16] Adachi J, Bailey L, Houwen OH, Meeten GH, Way PW, Growcock FB, et al. Depleted zone drilling: reducing mud losses into fractures[c]//iadc/spe Drilling Conference, -4 March 004, Dallas, Texas, USA. DOI: [17] Khaksar A, Rahman K, Ghani J & Mangor, H. Integrated geomechanical study for hole stability, sanding potential and completion selection: A case study from South East Asia[C]// SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 1-4 September 004, Denver, Colorado, USA. DOI: MS. [18] 李鑫, 高德利, 刁斌斌, 周英操. 基于赫巴流体的页岩气大位移水平井裸眼延伸极限分析 [J]. 天然气工业, 016, 36(10): Li Xin, Gao Deli, Diao Binbin & Zhou Yingcao. Analysis on the open-hole extension limit of a shale-gas extended-reach horizontal well based on Hershel Bulkley fluids[j]. Natural Gas Industry, 016, 36(10): ( 修改回稿日期编辑凌忠 )

* CUSUM EWMA PCA TS79 A DOI /j. issn X Incipient Fault Detection in Papermaking Wa

* CUSUM EWMA PCA TS79 A DOI /j. issn X Incipient Fault Detection in Papermaking Wa 2 *. 20037 2. 50640 CUSUM EWMA PCA TS79 A DOI 0. 980 /j. issn. 0254-508X. 207. 08. 004 Incipient Fault Detection in Papermaking Wastewater Treatment Processes WANG Ling-song MA Pu-fan YE Feng-ying XIONG