影響井底溫度及關井壓力的敏感因素分析

趙建，苗典遠，劉英偉，羅源，方世祥

影響井底溫度及關井壓力的敏感因素分析

趙建，苗典遠，劉英偉，羅源，方世祥

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

利用專業井控模擬分析軟件，對影響井底溫度及關井壓力的關鍵因素進行了模擬分析。通過研究發現：鉆井液入口溫度、鉆井液循環排量、鉆井液的熱力學性能、地層溫度等對井底溫度及關井壓力有較大的影響。因此，準確掌握各敏感因素的影響規律、做好現場各參數的監測和記錄、開展井控模擬工作，對于有效識別鉆井過程中真假溢流工況、降低井控作業風險、保障鉆井作業安全有著重要的作用。

井底溫度；關井壓力；影響因素；敏感性分析

海洋石油鉆井過程中，井筒內的溫度變化對井底壓力和關井壓力有重要影響，尤其是鉆遇高溫高壓層段時，在高溫作用下鉆井液體積會發生膨脹，導致井口返出增多，現場停泵關井觀察期間，也可能會產生一定的井口套壓，造成一種“假溢流”現象。深入研究并掌握鉆井過程中井內溫度及井口壓力的變化規律，是鉆井作業安全的重要保障。

由于影響井內溫度及關井壓力的因素較多[1]，井下傳熱過程復雜，因此很難用實驗的方法對這些因素進行研究。因此，本文利用國際公認的動態多相流模擬分析軟件Drillbench，分別選取了地層溫度、鉆井液循環排量、出入口溫度、鉆井液比熱等參數作為研究對象，對幾個影響因素進行了較為系統的規律分析。模擬研究了不同變量下的井底溫度變化，以及不同變量對關井壓力的影響規律。

1 海上預探井井況

本文所用案例模型為渤海油田某異常高壓預探井，井深4 952 m，裸眼段長度為1 054 m，地溫梯度0.03 ℃·m-1，預測地層孔隙壓力為1.52 g·cm-3。該井身結構為30〞導管×120 m+ 20〞套管×498 m + 13-3/8〞套管×1 998 m + 9-5/8〞套管×3 898 m。鉆具組合為8-1/2〞PDC鉆頭 + 6-1/2〞鉆 鋌×179 m+5〞加重鉆桿×140 m + 5〞鉆桿×800 m + 5-1/2〞鉆桿×3 833 m，井身結構如圖1所示。

設計鉆井液密度1.62 g·cm-3，推薦流變模型為Robertson-Stiff模型，塑性黏度24 mPa·s，屈服值 8 Pa，鉆井液比熱容2.20 kJ·kg-1·℃-1，導熱系數 1.20 W·m-1·K-1。

圖1 預探井井身結構示意圖

2 軟件可靠性分析

Drillbench是斯倫貝謝研發的、業界最為領先的動態井控模擬分析軟件，也是業界唯一的基于OLGA動態多相模擬引擎的井控動態模擬軟件，自從在1985年被開發出來后，被成功地應用于大量了井涌及井噴施工的控制及事后分析工作。近年來，隨著軟件技術及多相流動態模擬技術的發展，目前已擁有國際最領先的多相流模擬技術，并且經過了大量的全尺寸實驗驗證和工業試驗驗證。在BP的深水地平線井噴事故的調查報告中，該軟件作為井噴事故分析的關鍵動態模擬工具，提供了重要的計算支撐。

3 井底溫度及關井壓力模擬分析

3.1 地層溫度影響規律

圖2為相同排量（2 200 L·min-1）、不同地溫梯度（0.030、0.035、0.040 ℃·m-1）對應的井底溫度變化曲線。由圖2可知，地溫梯度越高，井底循環時的溫度也越高，關井后井底溫度增加值越大（分別增加45、53.5、61 ℃）。

圖2 地溫梯度對井底溫度的影響

圖3為關井后由于鉆井液受熱膨脹引起的關井壓力變化曲線。地溫增加33%，井口壓力增加了61%。由此可知，地層溫度越高時，關井后由于鉆井液受熱膨脹產生的井口回壓越大。

圖3 地溫梯度對關井壓力的影響

3.2 鉆井液排量影響規律

圖4為不同排量（1 600～2 400 L·min-1）的井底溫度變化曲線。由圖4可知，當排量低于 2 000 L·min-1時，井底溫度隨排量的增加而降低，停泵后溫度變化值Δ增加；當排量大于 2 000 L·min-1時，井底溫度隨排量的增加而增加，停泵后溫度變化值Δ減小。究其原因，當鉆井液排量小于某一臨界值時，井內對流散熱作用明顯，對井底溫度的降低起主要作用，此時井底鉆井液溫度隨排量的增加而降低；當鉆井液排量大于某一臨界值時，鉆井液在井內的循環損耗生熱和鉆頭壓降生熱作用影響較大，因此井底溫度隨排量的增加而增加[2-4]。

圖4 鉆井液排量對井底溫度的影響

圖5為不同鉆井液排量的關井壓力變化曲線。當鉆井液排量低于2 000 L·min-1時，隨著排量的增加，關井壓力增大，排量增加25%，關井壓力增加了37%。當鉆井液排量高于2 000 L·min-1時，隨著排量的增加，關井壓力降低，排量增加20%，關井壓力降低了81%。因此，選擇合適的鉆井液排量能在一定程度上避免停泵關井后產生過高的井口回壓。

圖5 鉆井液排量對關井壓力的影響

3.3 鉆井液入口溫度影響規律

圖6為相同排量（2 200 L·min-1）、不同鉆井液入口溫度（40、60、70 ℃）下的井底溫度變化曲線。由圖6可知，鉆井液入口溫度越高，井底溫度也越高，關井后的溫度增加值越小[5]。

圖6 鉆井液入口溫度對井底溫度的影響

圖7為不同鉆井液入口溫度時的關井壓力變化曲線。由圖7可知，鉆井液入口溫度越高，關井壓力越小。入口溫度升高25%，關井壓力降低了55%。

圖7 鉆井液入口溫度對關井壓力的影響

3.4 鉆井液比熱容影響規律

不同鉆井液比熱容（2.0～2. 6 kJ·kg-1·℃-1）的井底溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 鉆井液比熱容對井底溫度的影響

由圖8可知，在一定的范圍內，鉆井液比熱容越大，井底溫度越小[6]，停泵關井后溫度增加值越大。

圖9為不同鉆井液比熱容的關井壓力變化曲線。由圖9可知，鉆井液比熱容越高，關井壓力越大。鉆井液比熱增加8%，關井壓力增加15%。

圖9 鉆井液比熱容對關井壓力的影響

3.5 鉆井液導熱系數影響規律

不同鉆井液導熱系數（1.0～1.6 W·m-1·K-1）的井底溫度變化曲線如圖10所示。由圖10可知，鉆井液導熱系數越大，井底溫度越高[7-8]，關井后的溫度增加值越小。

圖10 鉆井液導熱系數對井底溫度的影響

圖11為不同鉆井液導熱系數時的關井壓力變化曲線。由圖11可知，鉆井液導熱系數越高，關井壓力越小。導熱系數增加14%，關井壓力降低了12%。

通過對各因素的模擬分析可知，鉆井液循環排量、鉆井液入口溫度、地層溫度、鉆井液熱力學參數對井底溫度及關井壓力有著較大的影響。通過多因素方差分析可知，各因素對關井壓力的影響程度由大到小順序為：鉆井液入口溫度、地層溫度、鉆井液排量、鉆井液比熱容、鉆井液導熱系數。

圖11 鉆井液導熱系數對關井壓力的影響

4 結束語

現場鉆井作業過程中應充分考慮鉆井液入口溫度、地層溫度、鉆井液循環排量等因素的影響。鉆井液參數（排量、入口溫度）作為可人為操控的因素，必要時可以進行適當的調節，來降低井底溫度變化導致“假溢流”的程度。例如通過在井口增設鉆井液循環控溫系統來調節和控制鉆井液入口溫度、調節鉆井液循環排量等途徑[9-10]，將各因素對井底溫度及關井壓力的影響降至安全合理的范圍內。

此外，由于鉆井液熱力學性能對井底溫度及關井壓力也有顯著的影響，現場作業時應該對此類熱力學參數進行監測和記錄，輔助現場做好井控模擬工作，分析各敏感因素帶來的不同影響，對有效識別井控風險、保障鉆井作業安全起著至關重要的作用。

［1］鐘兵，方鐸，施太和．井內溫度影響因素的敏感性分析[J].天然氣工業，2000，20（2）：57-60.

［2］胡童穎，董向宇，冉恒謙．地熱井鉆井液對井壁溫度分布的影響研究[J].探礦工程，2020，47（1）：20-25．

［3］張建國. 鉆井循環過程中井內瞬態溫度預測模型[J].鉆采工藝，2014，37（3）：5-8．

［4］管志川，李千登，寧立偉，等．鉆井液熱物性參數測量及其對井筒溫度場的影響[J].鉆井液與完井液，2011，28（3）：1-4.

［5］李千登，王廷春，王秀香．考慮井筒溫度場與壓力場的深井井涌風險控制[J].科學技術與工程，2012，12（25）：6310-6314．

［6］何世明，徐壁華，何平，等．水泥漿與泥漿比熱的室內研究[J].西南石油學院學報，2000，22（4）：65-69．

［7］文乾斌，梁大川，任茂，等．鉆井液導熱系數室內研究[J].石油鉆探技術，2008，36（1）：30-32．

［8］閔凱，劉斌，溫廣．導熱系數測量方法與應用分析[J].保鮮與加工，2005，5（6）：35-38．

［9］王鑫，王金鑫，劉正．不同因素對臨界攜液流量的影響[J].遼寧化工，2021，50（6）：876-878．

［10］POLITTE M D. Invert oil mud rheology as a function of temperature and pressure [C].SPE/IADC Drilling Conference,1985．

Analysis of Sensitive Factors Affecting Bottom Hole Temperature and Shut-in Pressure

,

（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China）

The key factors affecting bottom hole temperature and wellhead pressure were simulated and analyzed by using professional well control simulation analysis software. The results showed that the temperature at the inlet of drilling fluid, pump rate, the thermophysical parameters of the drilling fluid and the formation temperature had a great influence on bottom hole temperature and shut-in pressure. Therefore, it plays an important role in effectively identifying the true and false kick conditions in the drilling process, reducing the risk of well control operation and ensuring the safety of drilling operation by accurately mastering the influence law of each sensitive factor, monitoring and recording the field parameters, and carrying out well control simulation.

Bottom hole temperature; Shut-in pressure; Influence factor; Sensitivity analysis

2021-09-08

趙建（1988-），男，山東省肥城市人，工程師，碩士， 2015年畢業于中國石油大學（華東）油氣井工程，研究方向：海上鉆完井、井控應急搶險技術。

TE28

A

1004-0935（2022）03-0426-04