鉆井起下鉆過程中壓井液密度設(shè)計(jì)方法研究

梁云松

【摘要】鉆井起下鉆過程中，操作不當(dāng)容易導(dǎo)致溢流或井噴，而此時(shí)鉆頭不在井底，U形管原理不能描述此時(shí)的井眼狀況。針對(duì)該種情況，基于氣液兩相流理論，通過分析鉆頭不在井底時(shí)溢流，關(guān)井和壓井期間的井筒流體特性，建立了鉆頭不在井底的Y形管模型。利用Y形管的3個(gè)分支結(jié)構(gòu)代表鉆頭不在井底工況下鉆柱，環(huán)空和鉆頭以下井眼3部分，鉆柱和環(huán)空部分的井筒壓力特性可以用典型U形管原理分析，當(dāng)分析關(guān)井和壓井期間井底壓力等壓井參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮鉆頭以下井段的流體特性，即Y形管結(jié)構(gòu)下部分支的流體特性，據(jù)此，應(yīng)用Y形管描述鉆頭不在井底工況下整個(gè)井筒的壓力特性。

【關(guān)鍵詞】井控 井噴 壓井 Y形管 模型 壓井 液密度

起下鉆過程中發(fā)生井噴時(shí)，部分鉆桿已經(jīng)移出井筒，無法建立鉆井液從井口到井底的循環(huán)，該情況下的井控稱鉆頭不在井底的井控程序。油田統(tǒng)計(jì)資料表明，25%的井噴是由起鉆速度過快產(chǎn)生抽汲壓力引起的，而在很多情況下，無法強(qiáng)行下鉆到井底，導(dǎo)致鉆頭不在井底。在該情況下，司鉆法和等待加重法等常規(guī)壓井方法無法實(shí)施，簡而言之，當(dāng)鉆頭不在井底，地層侵入流體還在井眼的情況下，不能使用常規(guī)井控程序進(jìn)行壓井，因?yàn)榈湫偷腢形管原理不能描述此時(shí)的井眼情況。提出采用Y形管模型描述此時(shí)的井眼狀況，但是沒有對(duì)其詳細(xì)解釋說明。目前壓井液密度確定方法有常規(guī)壓井液密度確定方法，實(shí)測地層壓力確定法和實(shí)測溢流關(guān)井立管壓力確定法，但實(shí)際鉆井過程中發(fā)生溢流井噴時(shí)，地層壓力是無法得知的，因此主要采用溢流關(guān)井立管壓力法，但該方法主要針對(duì)鉆頭在井底的工況。為更好地利用Y形管模型描述鉆頭不在井底的壓井程序，筆者提出了新的Y形管模型，并基于氣液兩相流理論給出了壓井液密度設(shè)計(jì)方法。

1 Y形管模型

鉆頭不在井底發(fā)生井涌時(shí)，可將此時(shí)的井筒空間劃分為3部分-見圖1a，第1部分，鉆頭至井底的井段部分；第2部分，發(fā)生井涌時(shí)留在井眼內(nèi)的鉆柱；第3部分，井眼內(nèi)鉆柱與井眼之間的環(huán)空部分。為了更好地分析該工況下的流體特性，建立如圖1所示模型，下部分支代表鉆頭至井底的井段部分，上部左右分支分別代表環(huán)空部分和鉆柱部分，根據(jù)形狀簡稱其為Y形管模型。2 鉆頭不在井底的壓井液密度確定2.1 壓井液密度確定方法

通過分析關(guān)井期間的井筒流體特性，鉆頭不在井底關(guān)井穩(wěn)定后，氣液界面可能位于鉆頭以淺或者以深。當(dāng)氣液界面位于鉆頭以深時(shí)，說明氣體侵入量比較大，現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，壓井參數(shù)設(shè)計(jì)及壓井施工需要另做討論，筆者僅對(duì)關(guān)井壓力穩(wěn)定之后氣液界面位于鉆頭以淺的情況進(jìn)行分析。要準(zhǔn)確獲取地層壓力，求取壓井液密度，有2種方案可供選擇，一是通過關(guān)井立管壓力獲取地層壓力，但這需要知道鉆柱的長度和鉆柱內(nèi)鉆井液的密度以及鉆頭以深空井段內(nèi)的流體密度和空井段長度；二是通過關(guān)井套管壓力獲取地層壓力，但這需要知道環(huán)空段中鉆井液的密度和鉆井液液柱長度。環(huán)空段氣體密度和長度以及鉆頭以深空井段流體的密度和空井段長度。發(fā)生氣侵時(shí)，地層氣通過裸眼部分進(jìn)入井筒，經(jīng)過鉆頭至井底的井段進(jìn)入環(huán)形空間，環(huán)形空間的液柱壓力減小，由于鉆頭水眼比較小，進(jìn)入鉆柱內(nèi)的氣體較少，鉆柱內(nèi)鉆井液的液柱壓力變化不大，可忽略。通常情況下關(guān)井立管壓力小于關(guān)井套管壓力。環(huán)空鉆井液液柱壓力減小值與侵入井內(nèi)氣量有關(guān)，由于受井徑不規(guī)則，天然氣在井內(nèi)分布不均勻和井溫等客觀條件的影響，不可能準(zhǔn)確掌握地層氣侵入井內(nèi)的體積，環(huán)空段氣柱長度和密度很難確定，因此關(guān)井套管壓力不能作為判斷井底壓力的依據(jù)，而鉆柱中的鉆井液因未受到地層氣的污染，保持原鉆井液的靜液柱壓力不變，故可根據(jù)關(guān)井立管壓力和鉆柱內(nèi)的鉆井液液柱壓力確定鉆頭處的壓力，從而計(jì)算出壓井液密度。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）當(dāng)鉆頭不在井底，壓井液無法從地面循環(huán)到井底時(shí)，典型的U形管原理不能描述其井眼狀況，不能完全根據(jù)常規(guī)壓井理論及方法設(shè)計(jì)壓井參數(shù)。

（2）通過分析發(fā)生井涌而鉆頭不在井底情況下，溢流，關(guān)井和壓井期間的井筒流體特性，建立了可用于分析鉆頭不在井底時(shí)井噴關(guān)井及壓井期間井筒流體力學(xué)特性的Y形管模型。

（3）在設(shè)計(jì)壓井參數(shù)時(shí)，鉆頭以深井段的含氣性對(duì)地層壓力獲取和壓井液密度設(shè)計(jì)具有較大影響，因此在設(shè)計(jì)壓井參數(shù)時(shí)應(yīng)首先考慮其含氣性。