鉆井過程循環溫度敏感性因素分析與應用

羅 增曹 權沈欣宇郭建華陽 強

(1.中國石油西南油氣田分公司 工程技術研究院,成都 610000;2.四川頁巖氣勘探開發有限責任公司,成都 610000)

0 引言

油氣井鉆井過程中,影響鉆井液循環溫度的鉆井參數[1-3]因素復雜多樣。隨著儲氣庫、頁巖氣等技術的發展,井深不斷增加,井底循環溫度受鉆井參數的綜合影響越來越明顯,井下導向工具故障頻發,嚴重制約了鉆井進度。學者通過研究井下溫度分布規律[4-6],建立傳熱數值預測模型。Ramey等人建立了井筒溫度的半動態傳熱模型,但在地面鉆井液參數變化時,預測計算繁瑣[7-9]。上訴研究方法均未對不同參數的影響進行綜合模擬,且主要為理論分析,現場作業人員無法進行有效的應用。該文在前人研究基礎上,考慮鉆井參數的綜合影響,通過Land mark軟件對鉆井液體系、鉆井液密度、井口注入溫度、施工排量等參數進行模擬,得出了影響鉆井過程循環溫度敏感因素。并對頁巖氣、常規天然氣、儲氣庫等不同作業工況的井進行了分析,推薦出改變不同敏感參數以降低頁巖氣水平段循環溫度。

1 鉆井循環溫度的影響因素

四川盆地為多山地環境,為克服山地環境帶來的經常限制,在頁巖氣常規天然氣儲氣庫建設過程中多部署為定向井、水平井;當前主流的定向鉆進工具在垂深井深＞3 500 m、井底溫度＞135℃時井眼鉆進過程中故障頻繁。從SPE文獻[10]報道的北美Haynesville頁巖氣,到四川南部的深層頁巖氣田均發現在水平段鉆進過程中,由于井底高溫導致井下導向工具失效,水平段頻繁起下鉆,最高起下鉆達21次,見表1。

表1 四川盆地某氣田水平段鉆進情況統計表Table 1 Statistics of drilling in horizontal section of a gas field in Sichuan Basin

天然氣經濟高效開發亟待克服由于井底循環高溫帶來的時間及成本的增加,該研究通過對鉆井過程中對鉆井液循環過程中接觸的所有介質及參數進行一一分析,為四川盆地頁巖氣井/天然氣井/儲氣庫井鉆井降低鉆井液循環溫度提供參考。

現有學者對單一因素影響下的鉆井循環溫度進行了相關研究,易燦等[11]進行了超深井循環壓耗計算模型研究,建立了考慮溫度、壓力效應的超深井鉆井循環壓耗計算模型。王軻[12]考慮井筒流體與地層傳熱,根據熱力學定律和能量守恒定律,建立了鉆井液循環期間鉆柱內及環空流體瞬態溫度模型,分析了鉆井液排量和循環時間對環空溫度的影響。

楊雪山[13]等根據熱力學第一定律及傳熱學基本原理,推導出環空和鉆柱內溫度場微分模型,并對井筒溫度場的理論模型進行了求解,分別求解了鉆井液循環期間垂直段鉆柱內和環空內鉆井液溫度沿井深分布的預測模型,以及鉆井液循環期間水平段鉆柱內和環空內鉆井液溫度沿水平延伸方向分布的預測模型。

但鉆井過程接觸的介質及工況復雜,僅考慮單一影響因素無法有效指導現場鉆井作業,在石油天然氣鉆井過程中,鉆井循環溫度主要受以下因素影響:1)井筒條件,包括井眼尺寸、各層次套管下入深度、井斜角、水平段長;2)鉆具條件,包括鉆具尺寸、鉆具外徑、鉆具內徑;3)鉆井液條件,包括鉆井液體系、鉆井液密度、黏度、動切力;4)鉆井參數,包括轉盤鉆速、排量、機械鉆速;5)井筒介質的比熱容及熱傳導系數。

考慮1)～5)中涉及介質進行全過程綜合因素模擬,探索不同工況下鉆井過程循環溫度變化規律。

2 溫度敏感性因素分析

采用Land mark熱力學分析模塊對不同鉆井液體系、鉆井液密度、井口注入溫度、水平段長、施工排量,選取四川盆地某氣井YH2-8井Φ215.9 mm井眼鉆進過程為例進行分析,該井情況如下:

1)垂深4 073.99 m,水平段長1 941 m;

2)第三次開鉆以Φ311.2 mm 鉆頭,采用鉀聚合物鉆井液鉆至約3 460m,下入Φ244.5 mm 技術套管,固井水泥漿返至地面;

3)第四次開鉆以Φ215.9 mm PDC鉆頭進行造斜段+水平段鉆進;

4)地面溫度15℃,在井深6 222 m 處測得井底溫度148.25℃,后續井段儀器故障,溫度未知。

采用實鉆過程參數模擬第四次開鉆Φ215.9 mm井眼影響鉆井液循環過程溫度,實鉆過程鉆井機械鉆速8 m/h,轉盤轉速60～80 r/min,鉆頭噴嘴組合14.3 mm×3+11.1 mm×2,參數見表2。井眼軌跡為“直-增-穩-降-穩-增-平”雙二維軌跡,最高造斜率6.65°/30 m,參數見表3。

表2 鉆井參數Table 2 Drilling parameters

表3 井眼軌跡參數Table 3 Well trajectory parameters

2.1 鉆井液體系影響分析

鉆井循環過程中的溫度變化關鍵在于鉆井液,當前四川盆地常規天然氣井、儲氣庫井主要采用水基鉆井液體系;頁巖氣井在儲層段采用油基鉆井液進行鉆進。根據傳熱學的基本原理[14],考慮了鉆井液傳熱受流動影響,且由于相同密度條件下水基鉆井液與油基鉆井液比熱容和熱傳導系數顯著不同,必將影響鉆井液循環溫度,因此從不同鉆井液體系角度對鉆井液影響因素進行分析。鉆井液體系:1)水基鉆井液,密度2.16 g/cm3,比熱容1 563.819 J/kg·℃,熱傳導系數1.76 W/m·℃,動切力10 Pa,塑性黏度0.05 Pa·s,注入溫度70℃;2)油基鉆井液,密度2.16 g/c m3,比熱容1 056.072 J/kg·℃,熱傳導系數1.18 W/m·℃,動切力12 Pa,塑性黏度0.07 Pa·s,注入溫度70℃。參數見表4。

表4 水基/油基鉆井液體系參數Table 4 Parameters of water-based/oil-based drilling fluid system

采用表4中鉆井液參數,模擬從井口到井底鉆井循環溫度,如圖1所示。

圖1 油基/水基鉆井液條件下井筒循環溫度曲線Fig.1 Temperature curve of wellbore circulation under the condition of oil-based/water-based drilling fluid

由圖1可知,原始地層溫度在井底水平段4 331～6 272 m保持穩定不變;同樣施工模擬條件下,鉆井液循環溫度不斷增加,但采用水基鉆井液較油基鉆井液循環溫度較低,降低約5.866℃,在水平段末端溫度相差越來越大。因此使用水基鉆井液比油基鉆井液具有更好的降低井底循環溫度效果。

2.2 鉆井液密度影響分析

在現場鉆井過程中,由于井底溢流或地層壓力系數增加,需要加重增加鉆井液密度,則需考慮鉆井液密度變化對井底循環溫度影響。張輝[15]通過實驗測量鉆井液在不同溫度下的潤滑系數和泥餅黏滯系數,擬合出其隨溫度變化關系,由于不同密度條件下鉆井液比熱容和熱傳導系數顯著不同,必將影響鉆井液循環溫度,因此從不同鉆井液密度角度對鉆井液影響因素進行分析,實際使用3種鉆井液體系:1)密度2.16 g/cm3,比熱容1 056.072 J/kg·℃,熱傳導系數1.18 W/m·℃;2)密度2.26 g/cm3,比熱容1 001.77 J/kg·℃,熱傳導系數1.27 W/m·℃;3)密度2.36 g/cm3,比熱容952.071J/kg·℃,熱傳導系數1.35 W/m·℃。動切力均為10 Pa,塑性黏度均為0.07 Pa·s,注入溫度均為70℃。參數見表5。

表5 鉆井液密度參數Table 5 Density parameters of drilling fluid

采用表5中鉆井液參數,模擬從井口到井底鉆井循環溫度,如圖2所示。

圖2 不同鉆井液密度條件下井筒循環溫度曲線Fig.2 Temperature curve of wellbore circulation under different drilling fluid density

通過圖2可知,鉆井液循密度在現有2.16 g/cm3基礎上,增加0.1 g/c m3,則循環溫度增加1.944℃,增加0.2 g/c m3,則循環溫度增加4.154℃。故在保證井控安全的前提下可通過降低鉆井液密度降低循環溫度。

2.3 注入溫度影響分析

由于受季節溫度變化影響,井場鉆井液罐中鉆井液溫度存在季節差異,鉆井液與水泥漿在不同井深位置所受到的作用溫度是不同的[16-18]。在深井情況下,地層高溫對鉆井液流體流變性能的影響更加明顯。考慮采用地面降溫方法調節鉆井液溫度,特模擬經設備降溫后不同溫度鉆井液從井口注入后,整個循環過程溫度變化規律。鉆井液注入溫度參數為密度2.16 g/cm3,比熱容1 056.072 J/kg·℃,熱傳導系數1.18 W/m·℃,見表6。

表6 鉆井液溫度參數Table 6 Temperature parameters of drilling fluid

采用油基鉆井液,通過不同注入溫度進行模擬,如圖3所示。

圖3 不同井口溫度條件下井筒循環溫度曲線Fig.3 Temperature curve of wellbore circulation under different wellhead temperature conditions

由圖3 可知,通過降溫設備由70℃降低至40℃,回注鉆井液降低幅度30℃,循環到井3 750～6 272 m循環降低約7.432℃。相比調節鉆井液體系、鉆井液密度,井口注入溫度對井底循環溫度更加敏感。故可采用地面降溫方法降低鉆井液注入溫度,達到降低水平段循環溫度的目的。

2.4 排量影響分析

水平段Φ215.9 mm 井眼主要采用的鉆井液排量約在30 L/s,考慮到鉆進過程強化水力參數,需不斷提高鉆井液排量至35 L/s。高溫、高壓環境下的超深井鉆井,溫度和壓力對鉆井液密度和流變特性的影響已不能忽略[19-21]。循環溫度模擬需考慮壓力效應,壓力效應主要受排量影響。特模擬不同鉆井液排量條件下,整個循環過程溫度變化規律,鉆井液排量依次采用25 L/s,30 L/s,35 L/s,40 L/s,參數見表7。

表7 排量參數Table 7 Displacement parameters

以YH2-8井為例,通過不同鉆井液排量進行模擬,如圖4所示。

圖4 不同排量條件下井筒循環溫度曲線Fig.4 Temperature curve of wellbore circulation under different displacement conditions

通過不同排量模擬表明,排量對循環溫度的影響較為明顯。從井深約750 m 開始,鉆井液循環溫度隨排量增加而增加,在水平段末端6 200 m處采用30 L/s排量比35 L/s排量降低循環溫度5.866℃。故在滿足井底攜巖安全及水力破巖基礎上,可以通過適當降低鉆井液排量來達到降低水平段循環溫度。

該研究通過鉆井液體系、鉆井液密度、井口注入溫度、鉆井泵排量等參數變化規律,模擬鉆井過程對循環溫度的影響情況。

1)鉆井液體系、鉆井液密度、井口注入溫度、鉆井泵排量均為循環溫度的敏感因素,調整不同幅度可以降低鉆井過程中循環溫度;

2)調整鉆井液參數可能會增加井底循環溫度,如“采用40 L/s排量”、增加鉆井液密度都會增加井底循環溫度;

3)敏感因素的影響程度依次為:井口注入溫度＞鉆井排量＞鉆井液體系＞鉆井液密度;影響因素最明顯的是注入溫度,可比原始地層溫度降低7.432℃。

鉆井過程循環溫度敏感性因素如表8所示。

表8 鉆井過程循環溫度敏感性因素總結Table 8 Summary of circulating temperature sensitive factors during drilling

要降低鉆井過程循環溫度,可通過改變鉆井液體系、密度、注入溫度、水平段長及排量實現,還可以根據氣藏或儲層特征選擇匹配方式。不同的改變條件可能并考慮作業成本、實施難易程度進行優選。

3 應用實例

四川盆地某頁巖氣平臺部署4口井,水平段入靶A點垂深范圍3 827～3 874 m,水平段長1 550～2 300 m,平臺4口井采用相同鉆井液體系、密度、鉆井液排量。其中A-1井未采用地面降溫方法,井底最低循環溫度130℃,最高循環溫度151℃;A-2,A-3,A-4井采用地面降溫方法,井底最低循環溫度為125℃,最高循環溫度為138℃;入口溫度由64.8℃降低至45.6℃,井底最低降溫效果幅度5℃,滿足2.3節模擬的最高降溫7.432℃,與模擬結論相匹配。現場應用情況對比見表9。

表9 現場應用情況對比Table 9 Comparison of practical application

4 結論

1)系統模擬了各敏感因素對鉆井過程循環溫度的影響程度,改變不同的鉆井敏感性因素將影響鉆井循環溫度,可能導致鉆井循環溫度增大或減小。

2)適當的調整井筒條件及鉆井參數可以實現降低鉆井過程循環溫度,在前人研究基礎上結合不同敏感因素的影響程度對頁巖氣常規天然氣儲氣庫不同氣藏條件進行了適應范圍推薦。

3)降低鉆井過程中循環溫度對改善井下工具服役條件,提高水平井一趟鉆作業時間從而實現鉆井成本的降低具有積極意義。

4)在鉆井液中添加吸熱反應材料,來實現鉆井過程中循環溫度的降低是后續研究的一個思路及攻關方向。