欠平衡鉆井安全鉆進控制參數(shù)評價

楊先倫，李黔，袁本福

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都610500；2.中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州450006）

欠平衡鉆井技術(shù)通過設(shè)計合理的鉆井液密度，使井底壓力低于地層壓力，并在施工過程中采用地面控壓的方式，使地層流體持續(xù)穩(wěn)定地流入井筒，因此，溢流伴隨著整個欠平衡鉆井過程［1-3］。欠平衡鉆井的實質(zhì)是壓力控制鉆井，井底壓力控制是鉆井成功的關(guān)鍵。影響欠平衡鉆井安全鉆進的所有因素中，現(xiàn)場最直接、最容易控制的參數(shù)是井口控制回壓，其次是鉆井液排量。為了保證欠平衡鉆井的井控安全，需要對鉆進控制參數(shù)（控制回壓和鉆井液排量）進行設(shè)計和評價分析［4-7］。

1 控制參數(shù)模型建立

在欠平衡鉆進過程中，根據(jù)井筒壓力平衡關(guān)系［8-10］得到井底壓力控制模型：

式中：pbh為井底壓力，MPa；pp為地層壓力，MPa；pg為井筒靜液柱壓力，MPa；pf為環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；pc為控制回壓，MPa；C 為井底壓力允許波動范圍，MPa。

控制井底壓力需考慮井筒內(nèi)多因素的影響，如控制回壓、鉆井液排量及物性、地層侵入氣體量及其物性、井眼尺寸和井眼軌跡等，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式為

式中：QL為鉆井液排量；QG為地層侵入氣體量；ρL為鉆井液密度；μL為鉆井液黏度；OD 為鉆柱外徑；ID 為套管內(nèi)徑或裸眼井徑；H 為井深；α 為井斜角。

由井底壓力控制模型可知，影響井底壓力變化的主要因素包括鉆井液性能（ρL，μL）、井筒內(nèi)氣液流量（QL，QG）及控制回壓等。在鉆井液性能和地層出氣量已確定的情況下，要實現(xiàn)實時控制井底壓力，可改變的控制參數(shù)主要是控制回壓和鉆井液排量。

1.1 控制回壓

地層氣體侵入井筒后，為了保持井底壓力恒定，需要通過調(diào)節(jié)地面節(jié)流閥開度控制井口回壓，以補償井筒壓力波動，計算公式為

式中：pg′為氣侵后井筒靜液柱壓力，MPa；pf′為氣侵后環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；pc′為氣侵后控制回壓，MPa。

1.2 鉆井液排量

在一定的控制回壓下，單獨考慮鉆井液排量對井底壓力的影響。

當?shù)貙忧秩霘怏w量為QG時，井底壓力的影響因素表達式為

當檢測到地層侵入氣體量為QG′時，為了保持井底壓力恒定、其他參數(shù)不變，可調(diào)節(jié)鉆井液排量，改變環(huán)空循環(huán)摩阻補償井筒壓力出現(xiàn)的波動，關(guān)系式變?yōu)?/p>

由式（4）和式（5）可得：

式中：QG，QG′為不同的侵入氣體量；QL，QL′為與QG，QG′對應(yīng)的所需鉆井液排量。

2 控制參數(shù)模型求解

欠平衡鉆井安全鉆進控制參數(shù)模型的求解采用有限差分法，控制回壓模型的求解流程［11-15］見圖1。

圖1 欠平衡安全鉆進所需的控制回壓計算流程

3 控制參數(shù)分析

安全鉆進控制參數(shù)評價分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取自新疆某井。該井井深4 000 m，井口溫度25°C，地溫梯度2.5°C/100 m，巖屑直徑6 mm，巖屑密度2.6 g/cm3，機械鉆速3 m/h。侵入氣體密度0.61～0.63 kg/cm3，黏度0.008 mPa·s，氣液表面張力0.04 N/m，氣體臨界壓力4.64 MPa，氣體臨界溫度190.7°C。鉆井液密度1.15 g/cm3，鉆井液黏度14 mPa·s，管壁粗糙度5 cm。當其他參數(shù)不變時，改變相應(yīng)控制參數(shù)，分析其對井筒環(huán)空流體參數(shù)的影響規(guī)律。本文主要分析控制回壓、鉆井液排量對井筒環(huán)空壓力、持液率和氣液混合流速的影響。

3.1 控制回壓

當鉆井液排量為12 L/s、控制回壓為0，3，5 MPa時，井底壓力分別為39.32，43.56，45.82 MPa。當其他參數(shù)不變而只改變控制回壓時，從環(huán)空壓力變化曲線（見圖2）可以看出，控制回壓對它有顯著影響：增加控制回壓，井底壓力增大；同一井深處，環(huán)空壓力隨控制回壓增加而增加，但增加幅度與控制回壓不成比例，主要是因為環(huán)空壓力由重力壓降、摩阻壓降及加速度壓降等多部分組成；持液率隨井深減少而減小，在井口附近急劇降低，主要是因為井口附近環(huán)空氣體急劇膨脹，持氣率急劇增加，氣液混合流速也急劇增大； 相同井深下，持液率隨控制回壓增加逐漸增加，這是因為環(huán)空壓力增加，氣體受到壓縮。

3.2 鉆井液排量

當控制回壓為2 MPa、鉆井液排量為9，12，14 L/s時，井底壓力分別為42．08，42．35，42．42 MPa。從圖3可以看出，當其他參數(shù)不變時，隨著鉆井液排量的增加，氣液混合流速增大；由于環(huán)空摩阻增大，導(dǎo)致井底壓力增加；由于鉆井液排量增加，環(huán)空液相流速加快，單位時間內(nèi)攜帶出的氣體侵入量增加，導(dǎo)致持液率增大。

圖2 排量12 L/s 條件下控制回壓對井筒環(huán)空流體參數(shù)的影響

圖3 控制回壓2 MPa 條件下鉆井液排量對井筒環(huán)空流體參數(shù)的影響

4 結(jié)論

1）鉆進過程中地層出氣后，可通過增加控制回壓，采用正常循環(huán)排出的方式，將侵入氣體排出井筒，實現(xiàn)安全鉆進。

2）增加鉆井液排量，由于環(huán)空摩阻增大導(dǎo)致井底壓力增加，但增加的效果不明顯。

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