深水钻井地层呼吸效应实验及安全密度窗口分析

作     者：骆奎栋 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：李军

授予年度：2020年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：地层呼吸效应 深水钻井 地层压力预测 安全密度窗口 

摘      要：地层呼吸效应是深水钻井中经常遇到的一种现象,但经常被忽视或被错误认为是地层流体侵入井筒造成的井涌,容易引起钻井复杂情况,当地层安全密度窗口窄的时候尤为重要,因此研究地层呼吸效应具有重要的现实意义。本文首先对地层呼吸效应基本特征进行了系统阐述,分析了其产生的机理,研究了其识别、预防和抑制方法,设计并建立了国内首套室内地层呼吸效应模拟实验装置,对地层呼吸效应进行了室内实验模拟,研究了在不同岩石类型和不同地层压力条件下的地层呼吸效应特征。本文建立了针对单个孤立的可变形矩形裂缝的地层呼吸效应数学模型,提出了地层呼吸效应安全余量计算方法,研究了地层呼吸效应安全余量对深水钻井安全密度窗口的影响规律。地层呼吸效应模拟实验良好的模拟了地层呼吸效应特征,实验结果表明:地层呼吸效应所产生的钻井液吞吐量随钻井液循环压力的增加而明显增加,随裂缝闭合压力的增加而明显降低;地层呼吸效应对构成裂缝的岩石类型非常敏感,在相同压力条件下,岩石越致密,地层呼吸效应越明显且持续时间越长;提出了一个用于评估地层呼吸效应严重程度的系数,即地层呼吸效应系数α,其大小与地层呼吸效应严重程度成正比。基于地层呼吸效应的深水钻井安全密度窗口分析表明:由于深水浅部软岩地层胶结程度差,结构疏松且强度小的特点,地层呼吸效应主要影响的是深水浅部地层的钻井液密度窗口上限;地层呼吸效应会导致钻井液安全密度窗口上限降低0.01-0.15g/cm,且井深越小,钻井液密度窗口上限降低越多,泥线附近处影响最明显,在深水钻井过程中考虑地层呼吸效应安全余量可以更为精确的确定安全密度窗口。