102 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ) 2012 年 p s 循环压耗,Pa; p b 钻头压降,Pa; p g 地面管汇压耗,Pa; p m 井下动力钻具压耗,Pa; L i 第 i 段井筒长度,m; dp pi dl i 第

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引充
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1 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ) 2012 年 12 月第 34 卷第 6 期 Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition) Vol. 34 No. 6 Dec 编辑部网址 : 文章编号 : (2012) DOI: /j. issn 中图分类号 :TE25 文献标识码 :A 摘深井水平井水平段水力延伸能力评价与分析 * 徐坤吉 1, 熊继有 1, 陈军 2, 秦大伟 1, 许红林 1 1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学, 四川成都中国石油塔里木油田公司塔中勘探开发项目经理部, 新疆库尔勒要 : 对影响水平井水平段延伸能力的因素进行了分析, 然后根据钻井液流体力学理论, 建立了水平井循环压耗计算模型, 分别对水平井总循环压耗和水平段环空压耗进行计算, 进而求出了水平井水平段极限延伸长度值 ; 对钻井液密度钻井泵额定压力岩屑床高度和钻井液排量对水平段水力延伸能力的影响进行了分析研究表明, 水平段水力延伸能力受钻井液密度钻井泵额定压力岩屑床高度和钻井液排量等多个因素共同影响为了提高深井水平井的延伸能力, 应使用较低密度的钻井液 ; 尽量保持较低的岩屑床高度 ; 钻井液排量应尽量小同时还认识到, 深井水平井水力延伸能力主要受到钻井泵额定压力的制约研发高额定压力的钻井泵, 是提高深井水平井水力延伸能力的主要措施关键词 : 水平井 ; 水力延伸能力 ; 水力参数计算 ; 循环压耗 ; 岩屑床网络出版地址 : 徐坤吉, 熊继有, 陈军, 等. 深井水平井水平段水力延伸能力评价与分析 [J]. 西南石油大学学报 : 自然科学版,2012,34(6): Xu Kunji, Xiong Jiyou, Chen Jun, et al.the Evaluation and Analysis of Hydraulic Extensions Ability of Horizontal Section in Deep Horizontal Wells[J]. Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition,2012,34(6): 引言油气井的产能, 降低油气开采综合成本等, 具有极其重要作用水平井作为一种提高油气产量和采收率的有效 [1 开采方法, 在油气开采中应用越来越广泛 2] 许多学者从水平井产能角度出发, 对水平段最优长度 [3 进行了大量的研究 6], 但是, 从钻井水力参数角度出发, 研究水平段延伸能力却很少因此, 本文从钻井水力参数角度出发, 对水平段延伸能力进行研究由于水平井水平段井斜角大 ( 理论上为 90 ) 水平井段长度大钻具管串偏心严重及钻杆接头等因素的影响, 岩屑极易在造斜井段和水平井段形成岩屑沉积床, 这就造成了一系列技术难题岩屑床的形成, 容易造成井漏卡钻和托压等井下复杂情况, 增加循环压力损耗, 影响水平段延伸能力因此, 从水力参数角度对水平井水平段延伸能力进行研究, 减少井下复杂情况 ; 保证安全钻井施工顺利进行和完井管柱顺利下入 ; 增加水平段长度, 提高 1 水平井水平段水力延伸计算模型水平井水平段钻进过程中, 钻井液从钻柱内流入, 经过钻头直井段套管鞋, 再从直井段环空返出影响水平井水力延伸能力的主要因素有地层因素泵压能力以及各种管线的承压能力等水平段延伸越长, 循环压耗越大, 在实际钻井过程中循环压耗要受到额定泵压和其他管线允许承压值限定, 存在一个极限值, 该极限值对应井身即为允许最大总压耗限制下的水力延伸极限依据钻井水力学原 [7] 理, 水平井水平段水力延伸极限计算模型为 p s = p b + p g + p m + n i=1 ( dppi dl i L i ) + n dpai L i (1) * 收稿日期 : 网络出版时间 :

2 102 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ) 2012 年 p s 循环压耗,Pa; p b 钻头压降,Pa; p g 地面管汇压耗,Pa; p m 井下动力钻具压耗,Pa; L i 第 i 段井筒长度,m; dp pi dl i 第 i 段井筒钻柱内压耗梯度 ;Pa/m ; dp ai dl i 第 i 段井筒环空压耗梯度,Pa/m; 根据不同的边界条件, 由式 (1) 可以得到不同水平段极限长度, 它们中的最小值即为该水平井水平段水力延伸极限长度 1.1 地层因素地层因素包括坍塌压力和破裂压力, 工程上习惯于用当量安全密度窗口表示如果钻井液密度等于地层坍塌压力当量钻井液密度, 也即是钻井液自身重力完全用来平衡地层坍塌压力, 则环空压耗的最大值等于地层破裂压力与地层坍塌压力的差值 ( 即安全钻井液密度窗口值 ), 有 n dpai L i = p af max (2) 从而可以得到最大延伸长度 L max 1 L max 1 = n L i (3) i=1 p af max 水平段允许的最大环空压耗,Pa; L max 1 地层因素制约下的最大延伸长度,m 1.2 钻井泵能力制约因素钻井泵具有额定泵压, 水平井总循环压耗必须小于额定泵压, 这也就决定了水平井不能无限制延伸, 即 p 额 p s max = n dppi L i + n dpai L i + p b + p g + p m (4) 从而可以得到泵压制约下的最大延伸长度 L max 2 = n L i (5) i=1 p 额额定泵压,Pa; p s max 最大循环压耗,Pa; L max 2 额定泵压制约下的最大延伸长度,m 1.3 其他影响因素水平井延伸能力还要受到诸如地面管汇水龙带方钻杆等各种管线最大承压能力的制约由此可以得到一系列水平段极限延伸长度, 记为 : L max 3,L max 4, 前述中所得水平段极限延伸长度中的最小值, 即为该水平井水平段水力延伸极限, 表示为 L max = min ( L max 1, L max 2, L max 3, L max 4, ) L max 水平段极限延伸长度,m 2 钻井液循环压耗计算 2.1 钻柱圆管内压耗计算方程为 (6) [7] 由流体力学基本原理可知, 圆管内压耗计算 p = 2 f ρlv2 d i (7) p 钻柱圆管内的压耗,Pa; f 摩阻系数, 无因次 ; ρ 钻井液密度,kg/m 3 ; L 钻柱长度,m; v 钻柱内钻井液流速,m/s; d i 钻柱内径,cm 摩阻系数 f 确定方法如下 : [8 12] 层流摩阻系数 f 16 = 1 Re + He 6Re + He2 (8) 2 3 f Re 8 紊流摩阻系数 f = (3.2 Re) 0.2 (9) He = ρτ 0d i 2 µ 2 He Hanks 准数, 无因次 ; Re 雷诺数, 无因次 ; τ 0 钻井液初始切应力,Pa; µ 钻井液塑性粘度,mPa s (10)

1 地层因素地层因素包括坍塌压力和破裂压力, 工程上习惯于用当量安全密度窗口表示如果钻井液密度等于地层坍塌压力当量钻井液密度, 也即是钻井液自身重力完全用来平衡地层坍塌压力, 则环空压耗的最大值等于地层破裂压力

3 第 6 期徐坤吉, 等 : 深井水平井水平段水力延伸能力评价与分析环空压耗计算水平井段无岩屑床环空压耗计算无岩屑床同心环空压降的计算采用宾汉流体模式, 应用基于水力学伯努利方程推导出来的范宁达西公式 [11] 层流压耗 (Re < 2 300) µ LQ a p a = (d ao d ai ) 3 (d ao + d ai ) τ 0 L d ao d ai (11) 紊流压耗 (Re 2 300) µ 0.2 ρ LQ a p a = (12) (d ao d ai ) 3 (d ao + d ai ) 1.8 p a 环空压耗,Pa; d ao d ai 井径钻杆外径,cm; Q a 环空钻井液流量,L/s 水平井段有岩屑床环空压耗计算水平井段环空压耗的影响因素很多, 例如岩屑床环空结构钻井液性能钻柱与井眼偏心度钻井液返速与流态钻具旋转速度等岩屑床对环空压耗的影响主要表现为增加环空泥浆中固相含量, 减小了环空间隙, 容易引起憋泵, 使钻具下部的扶正器产生相当大扭矩或造成扶正器泥包, 从而导致憋钻岩屑床不但会严重影响钻井安全和钻进效果, 还会使环空流道的有效面积减小, 严重影响环空压耗在考虑了环空岩屑颗粒同时存在悬移质和推移质的情况下, 利用能量平衡方程建立了环空压耗经验模式设计中利用该经验模式研究了岩屑床等因素对环空压耗的影响 [11 14] 环空压耗经验模式 [ p = 0.026H p a0 f 如下 V a 2 g (d o d i ) (S 1),H = 100h/d o, 岩屑床高度,%; ] ( H) p a0 (13) f = 64/Re( 层流 ) 或 f = 0.316/Re 0.25 ( 紊流 ), 环空摩阻系数, 无因次 ; Va = 10 Q s + Q l, 混合物环空平均流速,m/s; A p a0 无固相时环空压耗,Pa; d i d o 环空内径外径,cm; h 实际岩屑床高度,cm; A 环空过水断面面积,cm 2 ; Q l Q s 环空液相固相体积流量,L/s; g 重力加速度,m/s 2 ; S 岩屑密度与钻井液密度之比, 无因次 3 实例计算及分析中国石油某油田某井井身结构如图 1 所示, 该井钻进至水平段的钻具组合为 :6 in(15.24 cm) 钻头弯螺杆 + 转换接头 ( )+ 浮阀 + 转换接头 ( )+MWD 悬挂短节 + 无磁承压钻杆 1 根 in(8.89 cm) 钻杆 30 根 in(8.89 cm) 加重钻杆 45 根 in(8.89 cm) 钻杆 + 浮阀 in(8.89 cm) 钻杆安全密度窗口为 g/cm 3, 钻井泵型号为 F-1600, 水平段钻进时钻井泵排量为 12 L/s 图 1 某井井身结构示意图 Fig. 1 Hole geometry of the horizontal well [15] 由文献可得到, 螺杆钻具压降值为 4.1MPa 时, 钻井泵的额定压力跟钻进时所选用缸套直径和钻井泵泵冲有关,F-1600 钻井泵具有 22.70,25.50, 28.80, 和 MPa 等 4 个额定压力可供选择本文选择额定压力等于 MPa 进行计算 3.1 钻井液密度对水平段环空压耗梯度的影响经计算, 水平段环空压耗梯度与钻井密度的关系如图 2 所示从图中可以看出, 水平井水平段环空压耗梯度随着钻井液密度增大而增大由此可以得到, 为了使所求水平段水力延伸极限更为安全, 应取安全密度窗口上限密度进行计算 3.2 水平井总循环压耗与水平段长度的关系对水平段底部存在不同岩屑床高度的总循环压耗进行计算, 计算结果如图 3 所示从图中可以看出, 水平段越长, 总循环压耗越大 ; 相同水平段长度处, 岩屑床高度越大, 水平井总循环压耗越大

1155 (d ao d ai ) 3 (d ao + d ai ) + 6 10 3 τ 0 L d ao d ai (11) 紊流压耗 (Re 2 300) µ 0.2 ρ 0.8 1.8 LQ a p a = 5.7503 (12) (d ao d ai ) 3 (d ao + d ai ) 1.

4 104 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ) 2012 年定的水平段极限长度要小 ; 随着岩屑床高度增大, 水平段水力延伸极限长度减少幅度变小 3.4 钻井液排量对水平段水力延伸极限的影响随着钻井液排量增加, 水平井总循环压耗和水平段循环压耗也要随之迅速增加然而, 对于已经选定的钻井泵, 额定泵压为恒定值, 也即是总循环压耗不能超过钻井泵所能承受的最大循环压耗水平段环空循环压耗也不能无限增加, 它必须小于图 2 Fig. 2 水平段环空压耗梯度与钻井液密度关系图 Rating curve of pressure loss in annulus space of the horizontal well 安全密度窗口值经计算, 可以得到两条由水平井总循环压耗和水平段环空压耗决定的水平段水力延伸极限长度与钻井液排量的关系曲线, 如图 5 所示可以看出, 水平井水平段水力延伸极限长度受到钻井排量的影响很大水平段水力延伸极限长度随着钻井液排量增加而迅速减小 ; 水平段水力延伸极限长度由水平井总循环压耗 ( 即钻井泵额定压力 ) 限制图 3 水平井总循环压耗与水平段长度的关系曲线图 Fig. 3 Rating curve of total pressure loss in horizontal well vs horizontal hydraulic extensions length 3.3 岩屑床高度与水平段水力延伸极限的关系取钻井液密度为 1.20 g/cm 3, 计算水平段不同岩屑床高度时水平井总循环压耗和水平段环空压耗, 进而可以分别得到两条水平段水力延伸极限, 其结果如图 4 所示图 5 Fig. 5 4 结论水平段水力延伸极限与钻井液排量的关系图 Rating curve of horizontal hydraulic extensions ability vs drilling fluid delivery rate (1) 钻井液密度影响着水平井循环压耗, 进而影响水平段延伸能力钻井液密度越大, 水平井总循环压耗和水平段环空压耗越大因此, 在钻井施工中, 在保证钻井施工安全的同时, 应该使用密度较小的钻井液 (2) 水平段水力延伸长度受岩屑床高度影响岩屑床高越大, 水平段水力延伸极限长度越小因图 4 Fig. 4 水平段水力延伸极限与岩屑床高度的关系 Rating curve of horizontal hydraulic extensions ability vs debris bed height 由图 4 可以看出, 由总循环压耗限制所得到的水平段水力延伸极限长度比由水平段环空压耗所决此, 在钻井施工中, 应该注意钻井液携岩性能, 保持水平段井筒清洁 (3) 水平井水平段水力延伸长度受到钻井排量的影响很大钻井液排量为 Q = 12 L/s 时, 水力延伸极限长度约为 m, 但是当钻井液排量 Q =

第6期徐坤吉等深井水平井水平段水力延伸能力评价与分析 15 L/s 时水平段极限延伸长度却只有 500 米左右钻井液排量要受到水平段环空临界流速影响本文不做讨论 4 提高水平段水力极限延伸能力主要措施是采用具有大额定压力的钻井泵采用最优钻具组合和合理的钻井参数减小水平井总循环压耗参考文献 [1] 聂延波李晓平宋代诗雨. 水平井段优化设计方法综述[J].

5 第6期徐坤吉等深井水平井水平段水力延伸能力评价与分析 15 L/s 时水平段极限延伸长度却只有 500 米左右钻井液排量要受到水平段环空临界流速影响本文不做讨论 4 提高水平段水力极限延伸能力主要措施是采用具有大额定压力的钻井泵采用最优钻具组合和合理的钻井参数减小水平井总循环压耗参考文献 [1] 聂延波李晓平宋代诗雨. 水平井段优化设计方法综述[J]. 西部探矿工程 Nie Yanbo Li Xiaoping Songdai Shiyu. The review of optional design motheds of horizontal section in horizontal well[j]. West-China Exploration Engineering [2] 刘长生. 钻水平井是国外石油工业重大的发展战略[J]. 天然气工业 Liu Changsheng. Horizontal Drilling is the important strategy for developing petroleum Industry in foreign countries[j]. Natural Gas Industry [3] 范子菲方宏长俞国凡. 水平井水平段最优长度设计方法研究[J]. 石油学报 Fan Zifei Fang Hongchang Yu Guofan. A study on design methed of optimal horizontal wellbore length[j]. Acta Petrolei Sinica [4] 范子菲李云娟纪淑红. 气藏水平井长度优化设计方法[J]. 大庆石油地质与开发 [10] Hanks R W. A theory of laminar flow stability[j]. AICHE [11] 汪明志. 油气井流体力学与工程[M]. 北京石油工业出版社 [12] 马明芳. 水平井的环空压耗及井眼净化[J]. 西部探矿工程 Ma Mingfang. Pressure loss in the annulus space & hole cleaning efficiency of the horizontal well[j]. West-China Exploration Engineering [13] 汪海阁刘希圣丁岗等. 水平井水平井段环空压耗模式的建立[J]. 石油大学学报自然科学版 Wang Haige Liu Xisheng Ding Gang et a1 Development of model for pressure drop in annular space of horizontal well[j]. Journal of the University of Petroleum Science & Technology Edition [14] 汪海阁刘希圣. 水平井段环空压耗研究[J]. 西部探矿工程 Wang Haige Liu Xisheng. Study on the Pressure Loss in Annular Space of Horizontal Well Section[J]. West-China Exploration Engineering [15] 赵金洲张桂林. 钻井工程技术手册[M]. 第二版. 北京中国石化出版社作者简介 Fan Zifei Li Yunjuan Ji Shuhong. A method of optimized design of horizontal well length in gas reservoirs[j]. [5] [6] [7] Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing 徐坤吉 1980 年生男汉族贵州 Penmatcha V R Arbabi Sepehr Aziz Kalid. Effects 从事复杂结构井型钻完井工艺研 of pressure drop in and optimum well horizontal wells length[c]. SPE 究 xukunji@126.com 织金人讲师博士研究生主要陈明沈燕来. 水平井段合理长度的确定方法研究[J]. 中国海上油气地质熊继有 1951 年生汉族湖北 Chen Ming Shen Yanlai. A method to determine the optimum length of lateral segment in horizontal well[j]. 仙桃人教授博士生导师主要 China Offshore Oil and Gas Geology 汪志明郭晓乐. 大位移井水力延伸极限研究[J]. 钻采高压水射流理论与应用技术工艺从事油气井工程钻头水力学钻井岩石力学智能钻井等方面的研究和教学工作 Hb728@swpu.edu.cn Wang Zhiming Guo Xiaole. Hydraulic extended limitation of extended-reach well[j]. Drilling & Production [8] [9] Technology 陈军 1973 年生男汉族甘陈庭根管志川. 钻井工程理论与技术[M]. 东营石油人学出版社肃天水人硕士主要从事钻完 Hanks R W Ricks B L. Laminar-turbulent transition for fluids with a yields stress[j]. AICHE tlm@petrochina.com.cn 井地质工程研究 chengj-

钻水平井是国外石油工业重大的发展战略[J]. 天然气工业 1991 11 5 50 55. Liu Changsheng. Horizontal Drilling is the important strategy for developing petroleum Industry in foreign countries[j].

106 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ) 2012 年秦大伟,1987 年生, 男, 汉族, 河南南阳人, 硕士研究生, 主要从事钻井参数优选及井下工具研究 E-mail:Qindw_sw@163.

6 106 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ) 2012 年秦大伟,1987 年生, 男, 汉族, 河南南阳人, 硕士研究生, 主要从事钻井参数优选及井下工具研究 Qindw_sw@163.com 许红林,1986 年生, 男, 汉族, 四川南充人, 硕士研究生, 主要从事提高采收率的钻完井技术及井下工具方面的研究 Xuhl1986_sr@163.com The Evaluation and Analysis of Hydraulic Extensions Ability of Horizontal Section in Deep Horizontal Wells Xu Kunji 1, Xiong Jiyou 1, Chen Jun 2, Qin Dawei 1, Xu Honglin 1 1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan ,China 2. Tazhong Exploration & Development Project Management Department of PetroChina,Tarim Oilfield Company,Korla,Xinjiang ,China Abstract:On the basis of the theory of drilling fluid hydrodynamics,we analyzed the stress situation of horizontal section in the horizontal well,and find that the pressure loss in the annulus space of the horizontal well and the total circulating pressure loss are of the two main factors that restricted horizontal section extension ability. In this paper,pressure loss in the annulus space of the horizontal well and the total circulating pressure loss in the whole borehole are calculated,and the horizontal hydraulic extensions ability value was obtained,and then the drilling fluid density,debris bed height,pump pressure and drilling fluid delivery rate and the effect on the horizontal section extension ability was analyzed. In order to enhance the horizontal hydraulic extensions ability,we can use low mud density and the lower height of cutting bed is kept. We can draw a conclusion that we can enhance the horizontal hydraulic extensions ability by choosing drilling pump with higher rated pump pressure. Key words:horizontal well;hydraulic extensions ability;hydraulic parameter calculation;circulation pressure loss;cutting bed 编辑 : 牛静静 ; 编辑部网址 :

com The Evaluation and Analysis of Hydraulic Extensions Ability of Horizontal Section in Deep Horizontal Wells Xu Kunji 1, Xiong Jiyou 1, Chen Jun 2, Qin Dawei 1, Xu Honglin 1 1.

龚亚夫在重新思考基础教育英语教学的理念一文中援引的观点认为当跳出本族语主义的思维定式后需要重新思考许多相连带的问题比如许多发音的细微区别并不影响理解和

龚亚夫在重新思考基础教育英语教学的理念一文中援引的观点认为当跳出本族语主义的思维定式后需要重新思考许多相连带的问题比如许多发音的细微区别并不影响理解和语音语篇语感语域林大津毛浩然改革开放以来的英语热引发了大中小学英语教育整体规划问题在充分考虑地区学校和个体差异以及各家观点的基础上遵循实事求是逐级定位逐层分流因材施教的原则本研究所倡导的语音语篇语感语域

102 西 南 石 油 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2012 年 p s 循 环 压 耗,Pa; p b 钻 头 压 降,Pa; p g 地 面 管 汇 压 耗,Pa; p m 井 下 动 力 钻 具 压 耗,Pa; L i 第 i 段 井 筒 长 度,m; dp pi dl i 第

102 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ) 2012 年 p s 循环压耗,Pa; p b 钻头压降,Pa; p g 地面管汇压耗,Pa; p m 井下动力钻具压耗,Pa; L i 第 i 段井筒长度,m; dp pi dl i 第