[发明专利]一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发过程中一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法。

背景技术

连续完整且性能优异的水泥环是高温高压超深井井筒长期密封能力的关键，固井质量直接决定和影响水泥环的完整性。但随着勘探开发不断向深部地层迈进，实际作业地质条件复杂，固井作业常面临严重漏失问题，导致水泥浆难以一次上返充满环空，漏失发生后只能采取反挤补救措施，固井质量差，水泥环不连续。为降低固井过程中漏失，降低作业排量是有效措施。但大多按经验做法，降低排量致使水泥浆处于层流流态。同时，在深井超深井中，井身结构设计要求使用非标尺寸套管，无配套扶正器，套管偏心严重，层流流态下偏心窄环空顶替效率低。在塞流(流体力学定义雷诺数≤100的流体流态为塞流)流态下流速剖面平缓，顶替界面横截面上各点的运动速度相同，运动方向沿垂直于顶替界面的方向，顶替流体如同“塞子”一样推动被顶替流体，顶替液与被顶替液不容易掺混，有利于提高顶替效率。同时，处于塞流流态下的流体流速低，能有效降低窄密度窗口地层的漏失风险。但塞流固井作业时间长，工作液性能要求高，超深井固井中鲜有采用全过程塞流顶替设计。

漏失井塞流固井设计关键在地层承压能力计算(获取)、套管或尾管下入速度、下套管或尾管后的钻井液循环排量和塞流注水泥排量设计，既需要防止固井作业中漏失的发生，又需要保证低速顶替下的顶替效率。目前，大多数塞流固井设计以塞流排量设计为主，下套管速度和钻井液循环排量设计均按照钻井阶段钻铤处的环空返速作为参考依据采用经验公式计算，未结合地层实际承压能力计算，从而导致在固井前就发生漏失，给后续固井作业造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，该方法可为深井超深井塞流固井提供指导，确保超深井固井作业成功和提高固井质量。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明根据地层承压测试或钻井参数确定地层承压能力，然后计算完钻后套管或尾管下入速度、下套管或尾管后的钻井液循环排量，控制环空循环压耗不超过地层承压能力，并按满足塞流流态要求的水泥浆雷诺数，计算注水泥作业排量，根据注水泥排量设计水泥浆稠化时间。

一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，依次包括以下步骤：

步骤A：通井并计算通井循环时的环空总循环压耗，将其作为地层承压能力。

进行通井(通井是指完钻后下套管前，采用钻具进行起下钻作业，并间断循环钻井液，确保井眼通畅，从而方便测井、下套管等作业)，根据通井循环排量(如果钻井阶段发生漏失则选取漏失排量)以及钻具组合和井身结构，采用“范宁-达西”公式(钻井手册编写组.钻井手册(第二版)[M].北京:石油工业出版社，2013，388)计算钻井循环压耗：

式中v_i在钻井液循环时满足如下关系(钻井手册编写组.钻井手册(第二版)[M].北京:石油工业出版社，2013，390)：

式(2)带入式(1)可得通井循环时的环空总循环压耗P_f，将其作为地层承压能力：

式中：P_f——环空总循环压耗，单位为MPa；

P_ci——分段环空循环压耗，单位为MPa；

s——环空分段总数，无因次；

i——第i段，i＝1,2,3……s，无因次；

v_i——钻井液在环空的上返速度，单位为m/s；

Q_d——钻井阶段发生漏失时的漏失排量或通井循环排量，单位为L/s；

D_hi——环空内径，单位为mm；

D_ci——下入钻杆或套管外径，单位为mm；

ρ_m——钻井液密度，单位为g/cm³；

f_i——摩阻系数，无因次，钻井液摩阻系数计算采用宾汉模式；

L_i——环空长度，单位为m。

在允许进行地层承压试验条件下，可根据承压试验直接获得地层承压能力。地层承压实验做法通常为：上提钻头至上层套管鞋以上，关闭与钻具配套的防喷器闸板。缓慢开泵以较低的排量向井内泵入钻井液，记录泵压。试验压力以达到注水泥期间的最高当量循环密度或预期设计压力为原则。

步骤B：根据地层承压能力计算套管或尾管下入速度，然后下入套管串或尾管串。