深水控制泥浆帽钻井水力参数设计与计算李昊;孙宝江;高永海;王金堂;王宁【摘要】深水控制泥浆帽钻井技术可以应对严重漏失地层和高压、高含硫地层的钻井问题,但钻井水力参数的设计与计算较为困难.为此,结合深水钻井工艺流程,建立了深水控制泥浆帽钻井井底压力计算模型,给出了深水钻井不同工况下的钻井液密度确定准则和钻井液当量循环密度计算方法,并基于井筒内循环压耗分析得到了水面泵和水下泵的泵压计算方法；针对严重漏失地层和高压、高含硫地层的井筒压力分布特点,给出了该工况下的泥浆帽高度计算方法；结合井眼清洁准则和漏失量与漏失压差的关系,给出了牺牲流体排量计算方法,并以此为基础提出了深水控制泥浆帽钻井水力参数设计流程.以一口深水井为例,对控制泥浆帽钻井水力参数进行了算例分析,结果表明:泥浆帽高度主要由井底压力的大小决定,钻井液密度与排量的大小可对其产生一定影响,所以通过调节泥浆帽高度可以控制井筒压力.%Deepwater control mud cap drilling is an advanced technology to deal with thief zone,highpressure and high sulfur-bearing formation,but its drilling hydraulic parameters design and calculation are more complex.According to the drilling process in deepwater,the calculation model of BHP for deepwater control mud cap drilling was established.The guidelines for determining drilling fluid density under different conditions and calculation method of ECD were proposed,based on the analysis of circulating pressure loss,the calculating methods for pump pressure were put forward at subsea and surface respectively.The calculation method of mud cap height was proposed according to the characteristics of wellbore pressure distribution in thief zone,high pressure and high sulfur-bearingformation.Based on the wellbore cleaning rule and the relationship between lost amount and lost pressure differential,the calculation method of sacrificed flow rate was proposed,and hydraulic parameter design process for deep water controlled mud cap drilling was put forward.Based on the basic data of a deepwater well,hydraulic parameters for deepwater mud cap drilling were calculated and analyzed.The results show that the mud cap height is mainly decided by bottom-hole pressure,the density and flow rate have some impact,thus wellbore pressure can be controlled by adjusting the mud cap height.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2013(041)003【总页数】6页(P13-18)【关键词】深水钻井;控压钻井;泥浆帽;水力参数设计;计算方法【作者】李昊;孙宝江;高永海;王金堂;王宁【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TE52深水控制泥浆帽(control mud cap,CMC)钻井技术是B.Fossli等人[1]提出的一种应对严重漏失地层和高压、高含硫地层钻井问题的先进技术。
但其特殊的钻井工艺也给水力参数设计带来了难题：在钻进过程中，由于受泥浆帽高度、水下钻井液举升泵排量等参数的影响，井底压力的控制难度很大，须建立能够综合考虑以上因素的井筒压力模型；而当钻遇漏失层时，泥浆帽密度、高度与牺牲流体漏失量之间存在内在联系，因此在设计牺牲流体排量时需综合考虑牺牲流体携岩特性及地层漏失特性。
国内学者[2-5]近年来相继开展了泥浆帽钻井方面的理论研究，并取得了一定的研究成果。
然而，由于CMC钻井水力参数设计方面的研究尚处于起步阶段，因此需要结合深水CMC钻井的工艺特征,从一些基础问题入手,建立深水CMC钻井井底压力计算模型，给出适合于深水CMC钻井的水力参数计算方法。
深水CMC钻井的钻井液不是通过隔水管井口返回平台，而是经水下隔水管短节[6]、水下钻井泵泵送回平台[7]。
当钻遇恶性漏失地层时，通过向天然漏层注入牺牲流体的方式避免浪费钻井液；当钻遇高压、高含硫地层时，为了避免高压、高含硫气体危及平台人员安全，通过调节泥浆帽高度在套管鞋处压漏地层，利用牺牲流体将气侵流体压入地层[8]。
拟建立的深水CMC钻井井底压力模型与常规深水钻井压力系统有所不同[9]，它假设正常钻进时井底压力恒定，并认为气柱形成的压力忽略不计，根据深水CMC钻井工艺特点，在深水CMC钻井井筒压力分析模型的基础上，给出正常钻进时钻井液密度、当量循环密度及钻井泵泵压的计算方法。
1.1 井底压力计算模型的建立建立的深水CMC钻井井筒压力分析模型为：式中：pB为井底压力，MPa；pBP为井口回压，MPa；pU，pL分别为上部、下部钻井液液柱静压力，MPa；Δpa为下部钻井液循环摩阻，MPa。
与常规深水钻井相比，深水CMC钻井井底恒压，其数值与钻井液排量和泥浆帽高度均无关，只与地层孔隙压力对应，因此其计算式为：式中：ρp为地层孔隙压力当量密度，g/cm3；g为重力加速度，取9.806 65m/s2；H为垂深，m。
在正常钻进时，由于是开环循环，因此有：上部钻井液液柱静压力：式中：ρm为钻井液密度，g/cm3；HU为静止的泥浆帽液柱高度，m。
下部钻井液液柱静压力:式中,HL为隔水管短节以下循环钻井液液柱深度，m。
环空内的循环压耗[10]：式中：dhi为井眼内径，m；dpo为钻杆外径，m；dco为钻铤外径，m；μm为钻井液黏度，Pa·s;Q为钻井液排量，L/s。
整理后可得正常钻进时泥浆帽高度的计算公式为：1.2 钻井液密度的确定准则在相同井深条件下，深水CMC钻井井筒内的钻井液柱高度较小，其所用的钻井液密度比常规深水钻井高。
为了在正常钻进、停泵以及紧急断开隔水管时不出现地层流体侵入或井漏事故，要保证任何情况下井筒内的压力都略大于地层孔隙压力而小于地层破裂压力。
根据以上3种工况的特点，可得深水CMC钻井的钻井液密度确定准则为:1)正常钻进2)停钻3)紧急断开隔水管式中：ρf为地层破裂压力当量密度，g/cm3；Hwd为海水深度，m；ρs为海水密度，g/cm3；Hssb为泥线以下井筒深度，m。
1.3 正常钻进时当量循环密度的确定深水CMC钻井过程中的当量循环密度为：式中：ρE为深水CMC钻井正常钻进时的当量循环密度，g/cm3。
如果井筒内无钻具或停泵，则单纯依靠调整井口回压无法平衡地层压力，因此需要向井筒内注入钻井液，增加泥浆帽的高度以弥补因停止循环而损失的循环压耗。
此时的钻井液静液柱压力与正常钻进(循环)时的井底压力相同，但钻井液液柱高度不同，因此井筒压力剖面存在差异。
1.4 CMC钻井的泵压计算1.4.1 平台钻井泵泵压的计算平台钻井泵的泵压由管路中的循环压耗确定，具体可表示为：式中：pp为平台钻井泵泵压，MPa；Δpdp为钻杆内循环压耗，MPa；Δpa为环空内钻井液循环压耗，MPa；Δpb为钻头处的压耗，MPa；Δpc为水下泵后端返回管线内的循环压耗，MPa；Δprl为水下泵前端与隔水管短节之间连接管线内的循环压耗，MPa；pssp为水下钻井泵的泵压，MPa。
钻头压降和钻柱内压耗分别为[11-12]：式中：B为常数，内平钻杆取0.516 55，贯眼钻杆取0.575 03；c为喷嘴流量系数；Ao为喷嘴面积，cm2；Lp为钻杆长度，m；Lc为钻铤长度，m；μm为钻井液塑性黏度，Pa·s。
1.4.2 水下钻井泵泵压的计算水下钻井泵的泵压可表示为[6]：式中，pssp为水下钻井泵的泵压，MPa。
正常钻进时平台钻井泵和水下钻井泵的排量相等，可以保证泥浆帽高度保持恒定；当需要调整泥浆帽高度时，只需调节水下钻井泵或平台钻井泵的排量，就可以完成操作。
1.5 钻遇特殊地层时关键工艺参数的计算在海上钻井时，当钻遇漏失层或高压、高含硫等特殊地层时，一般将海水作为牺牲流体[13]。
由于海水的密度已知，因此需要结合地层特点对牺牲流体排量、泥浆帽高度等重要参数进行设计。
1.5.1 泥浆帽高度的确定在正常钻进中发生漏失时，将泥浆帽高度定义为(上标c表示钻井液循环状态)，则漏失压力可表示为[14]：式中：pl为漏失压力，MPa；为钻井液处于循环状态时的泥浆帽高度，m。
在向井筒内注入牺牲流体后，漏失层上部的钻井液停止循环，因此要保证牺牲流体顺利进入漏失层以增加泥浆帽的高度，即：从式(17)可以看出，此时泥浆帽高度大于正常钻进时的泥浆帽高度，泥浆帽增加的高度正是漏失层上部环空循环压耗对应的当量液柱高度。
1.5.2 牺牲流体排量的确定准则在设计牺牲流体的注入排量时，须从2方面入手[15]：1)牺牲流体注入排量要满足井筒内的携岩要求；2)在保证将岩屑携带进漏失流道的前提下，要保证CMC钻井井内的动态平衡。