壓井過程中井底壓力的控制方法

李 黔 楊先倫 伍賢柱

1．西南石油大學石油工程學院 2．陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院 3．中國石油川慶鉆探工程公司

在常規(guī)壓井過程中雖然對套壓變化規(guī)律研究較多，但是作為控制井底壓力變化的節(jié)流閥操作基本上是應用立壓控制法。充分利用立壓和套壓數據變化趨勢，使用節(jié)流閥來產生回壓，以保證井底壓力略大于地層壓力的條件下排除溢流和進行壓井，該方法稱為井底壓力控制法［1－2］。井底壓力控制法對井底壓力的控制能更平穩(wěn)，更及時，避免了井涌的二次產生和地下井噴的風險［3］。隨著隨鉆井底壓力測量技術的發(fā)展［4－5］，可以使現場對鉆遇的壓力系統(tǒng)做出快速準確的抉擇，顯示出處理井控復雜方面的應用前景。

1 氣侵時常規(guī)壓井中套壓的變化

司鉆法壓井第一循環(huán)周用原鉆井液排除地層侵入流體，當氣體從井底到井口環(huán)空上返的過程中套壓都是逐漸上升的，氣體在接近井口時上升較快，到達地面時套壓達到最大。當氣體循環(huán)出井口時套壓急劇下降。溢流排完時套壓等于關井立壓。司鉆法第二循環(huán)周時，壓井液從井口向鉆頭下行時，套壓維持不變，當壓井液從井底環(huán)空上返時，套壓逐漸降低，壓井結束時，套壓為零。

工程師法壓井，氣體在環(huán)空上返時套壓逐漸升高，氣體接近進口時套壓上升較快，氣體到達地面時套壓達到最大。排除氣體的過程中，套壓逐漸下降至零［6］。

1．1 套壓是保障壓井作業(yè)順利進行的關鍵

為保證壓井成功規(guī)避井控風險，在壓井作業(yè)中實時監(jiān)測預測井控問題尤為關鍵。套壓作為重要的井控參數，能及時發(fā)現壓井過程中出現的井控問題并解決（表1），以保障壓井作業(yè)的順利進行。

表1 壓井中可能發(fā)生的井控問題表

1．2 套壓是衡量井控風險的重要指標

在油氣井鉆進中，由于地層壓力預測方法本身的缺陷而存在一定的誤差［7］，這種誤差還只有依靠實鉆監(jiān)測進行實時處理，尤其在新區(qū)和新層中的鉆井作業(yè)中。井涌強度越高，地層流體侵入量越大，則需要控制的井口回壓越高。套壓越高，井筒壓力安全性的考驗就越大［8－9］。因此，檢測到溢流就需要立即關井。操作節(jié)流閥，借助它的開啟和關閉維持一定的套壓，將井底壓力變化控制在一定窄小的范圍內。為避免套壓過高，壓漏井筒薄弱地層，必要時需要降低套管壓力極限，保證井筒安全。

1）降低流體侵入量：提高早期溢流監(jiān)測能力，及時發(fā)現溢流，建議關井方式選擇硬關井。

2）增加壓井排量：環(huán)空壓耗大（分布在整個環(huán)空）有助于不使地層過載而又增大井底壓力。

3）超重密度壓井液：超重密度鉆井液到達環(huán)空時，附加的靜液柱壓力將有效地降低套壓。

4）氣涌高于套管鞋時：氣體靜壓力梯度低，當氣體在套管鞋上方時，作用在地層上的靜液柱壓力會減小。在不壓裂地層的情況下，套壓可以適當增大。

1．3 套壓在常規(guī)壓井中的運用

在壓井作業(yè)中，溢流物從井底運移到井口，如果地層流體是氣體，必然發(fā)生膨脹，為保持井底壓力大于地層壓力，必須增加井口套壓。立壓控制法在常規(guī)壓井中應用廣泛，然而在運用該法壓井中，因壓力傳遞存在的延遲性，對節(jié)流閥操作人員技術要求高［10］。壓力傳遞如圖1所示，立壓控制法比套壓控制法壓力傳遞路徑長1倍，壓力傳遞時間多1倍，壓力傳遞延遲性，前者遠比后者長。為了消除壓力延遲，更好地處理氣柱膨脹帶來的壓力變化，節(jié)流閥開度應盡量保證不變，操作平穩(wěn)，這樣保證了控制壓力的準確性和及時性［11］。因此運用套壓控制法調節(jié)節(jié)流閥能更精確更及時地保持井底壓力在安全窗口的范圍。

圖1 壓力傳遞路徑圖

2 常規(guī)壓井技術井底壓力控制改進

2．1 壓力控制方法對比及改進

常規(guī)壓井中套壓的應用必須由被動的參數記錄，壓井過程后期分析的簡單應用向主動指導壓井施工方向發(fā)展。積極運用套壓，可以把套壓極限問題減到最低程度，并且可以盡量消除壓力傳遞的延遲性。

改進的井底壓力控制法［12］和常規(guī)壓井法在壓力控制原則是一樣的，即井底恒壓。唯一不同的是在操作程序上，充分利用了立壓和套壓，即在壓井不同時間段節(jié)流閥操作依據不一樣。套壓變換越小，越平穩(wěn)越平緩甚至無變化，就采用套壓控制法；套壓變換迅速就采用立壓控制法。

井底壓力控制法應用了立壓和套壓，壓井過程中根據壓力變化交叉綜合運用，解決了初始立管壓力到終了循環(huán)壓力，操作節(jié)流閥的難度問題，消除了壓力延遲性的影響，并且對壓井作業(yè)中的異?，F象做了分析。根據以上分析，壓力保持平穩(wěn)變化越小，壓力延遲就越小，節(jié)流閥操作越容易，壓力控制越精確。立管壓力變化趨勢越劇烈，采用套壓控制井底壓力能更好地處理井下氣體膨脹問題。3種壓力控制法對比見表2。

表2 3種壓力控制法比較表

2．2 隨鉆井底壓力測量（PWD）在井控中的應用

PWD可直接精確測量環(huán)空井底壓力，能更早發(fā)現壓力變化，這對消除壓力計算模型計算值的不確定性，具有重要的意義［13］。壓力數據可實時傳輸，在停泵模式下，測得的最大、最小和平均壓力，當循環(huán)開始通過鉆井液脈沖傳輸到地面。測量結果提供的信息，能直接判斷溢流物類型（油氣侵），判斷分析井涌余量、井下是否井漏，避免溢流、井涌等復雜情況的發(fā)生，減少壓漏地層出現地下井噴的風險［14］。PWD測量數據在井控中的應用主要有：井涌檢測、破裂壓力試驗和關井壓井壓力曲線分析，指導壓井施工。

圖2顯示一種典型的鹽水溢流。在接單根后鉆進至井深2 057m時（鉆井液密度2．01g／cm3）液面上漲1．9m3，發(fā)現溢流，PWD記錄的井底壓力小于了地層流體壓力。由于地層流體的侵入，測量的當量鉆井液密度減小至2．04g／cm3。立即停止鉆井作業(yè)并進行關井作業(yè)，PWD記錄了關井—壓井過程中壓力恢復曲線。傳感器中得到了溢流至關井井底鉆井液當量密度的減小過程，在關井時已減小到1．98g／cm3（停泵環(huán)空壓耗消失）。關井求壓得地層壓力當量密度2．06 g／cm3。在地層壓力恢復期間調配密度2．06g／cm3壓井液，壓井方案采用工程師法準備實施壓井作業(yè)。開泵實時PWD數據記錄了將鉆井液密度由2．01g／cm3提高至2．06g／cm3，用壓井排量15L／s循環(huán)排除侵入流體，重新建立井筒壓力平衡的鉆井液當量密度曲線。開泵注入高密度鉆井液循環(huán)壓井，開關節(jié)流閥控制井口回壓排除侵入流體產生了井底壓力當量密度波動。由圖2所示當量密度波動范圍為2．04～2．10g／cm3，主要是因為井口回壓控制不合理造成的。根據PWD記錄數據及時調整回壓鉆井液當量密度由2．08↓2．04↑2．10↓2．05↑2．08g／cm3最終趨于穩(wěn)定，說明井口回壓控制合理正常能夠滿足井底恒壓的原則。壓井結束后鉆井液面回到了溢流前位置，成功實現溢流的排除。

圖2 溢流時PWD壓力記錄曲線和常規(guī)錄井曲線圖

從圖2中也可以直觀地發(fā)現當井底當量鉆井液密度有下降趨勢的時候，泥漿池液面變化并不明顯，因此根據PWD數據能有效識別井底地層流體氣侵狀態(tài)，及時發(fā)現溢流，是早期溢流監(jiān)測方案的有利補充，為油氣井發(fā)生溢流后的二次井控創(chuàng)造更為有利的條件。

實時PWD數據與常規(guī)鉆井液錄井數據結合，能夠用于解決井控問題，指導井隊安全有效壓井，可提高壓井成功率，降低井控風險。

3 結論和建議

1）通過立壓控制法和套壓控制法的對比，提出了井底壓力控制法的操作程序和使用原則，為其現場的進一步應用提供了借鑒。

2）在壓井單上，建議增加套壓變化數據和曲線，以保證節(jié)流閥操作人員更為方便和快捷的操作節(jié)流閥。

3）隨鉆井底壓力測量技術能實時獲得真實的壓力數據，可以優(yōu)化鉆井液密度和當量循環(huán)密度，建議進一步加強研究軟件硬件配套技術，對常規(guī)壓井技術進行有效改進。

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