關(guān)于淺層氣井壓井液安全附加值的探討

姚展華，趙世華，任秋軍，蔡茂佳，李曉祥，宿永鵬

（1.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283；2.中國石油大港油田公司勘探事業(yè)部）

根據(jù)埋藏深度天然氣藏可分為淺層、中層、深層和超深層氣。目前各國對于深淺層的劃分無統(tǒng)一的標準，我國的學者們認識也不完全統(tǒng)一，一般認為，淺層氣埋深小于1500 m，中層氣埋深1500～3500 m，深層氣埋深3500～4500 m，超過4500 m為超深層氣。

預(yù)防淺層氣井井噴是一個世界性的井控技術(shù)難題，國內(nèi)外幾乎每年都有淺層氣井井噴的事故發(fā)生。大港油田港西、港東等油區(qū)淺層氣分布較廣，在這些地區(qū)的勘探開發(fā)中，先后有多口井發(fā)生過淺層氣井井噴事故，造成井眼報廢、井噴著火等嚴重后果。許多人認為淺氣層地層壓力低，不會造成井控事故，而實際上，井越淺，平衡地層壓力的壓井液液柱壓力也越小，一旦失去平衡，淺層的油氣上竄速度很快，很短時間就能到達井口，淺氣層的存在往往是發(fā)生井噴事故的潛在危險。常規(guī)的檢測儀器與方法很難滿足淺氣層井控需要，利用經(jīng)驗與數(shù)學模型描述淺氣層的流動很困難。因此在淺層氣井試油氣時，我們一定要準確確定壓井液密度，做好一次井控，這就需要針對淺層氣井的特殊情況合理選擇壓井液安全附加值。

1 淺層氣井井噴的原因及特點

1.1 淺層氣井井噴原因［1］

（1）地層壓力異常，一旦井噴，能使油氣井迅速卸載，層位淺使報警信號反應(yīng)時間短，天然氣可能在幾乎沒有報警的情況下就到達地面，很容易讓人措手不及。

（2）由于壓井液密度較低，加上起管柱時的抽吸作用，以及向井內(nèi)灌壓井液不及時等因素，試油過程中發(fā)生井噴可能性大。

（3）在靜止狀態(tài)下，氣體主要通過擴散作用侵入井眼，在一段時間內(nèi)，氣體會逐漸產(chǎn)生積聚現(xiàn)象，慢慢地形成氣柱。由于天然氣密度低，具有可壓縮、易膨脹的特點，在置換作用下，氣柱會逐漸上升，隨著作用在氣柱上壓力的降低，氣柱體積不斷膨脹，并最終導(dǎo)致井噴。

（4）井漏后，液柱壓力下降，在淺氣層己鉆開的情況下，容易發(fā)生井噴。

1.2 淺層氣井井噴特點［2－3］

（1）易發(fā)生，速度快。淺層氣埋深淺，一旦侵入井眼，比油、水侵入井筒的速度快，短時間內(nèi)就會運移到井口，造成井噴。從溢流出現(xiàn)到井噴發(fā)生，往往只間隔幾分鐘，在如此短的時間內(nèi)很難采取有效措施控制井噴。

（2）處理困難。淺層氣埋藏淺且地層疏松，地層壓力與地層破裂壓力相差很小，表層一般是薄弱地層，容易憋裂，井噴處理難度比常規(guī)井大。

（3）危害大。淺層氣井井噴屬于嚴重的井噴事故，危害極大，常會引起火災(zāi)，造成人員傷亡、油氣井報廢、燒毀井架；井噴塌陷時，作業(yè)平臺與設(shè)備可能下沉；噴出的氣體不管有沒有毒都會污染環(huán)境。

（4）在淺層氣井起下管柱時，井筒壓井液液柱壓力稍不平衡，天然氣就會迅速進入井眼，造成井噴；起帶有大直徑工具時尤其危險，可能使井筒內(nèi)所有壓井液噴出。

2 淺層氣井氣侵運移規(guī)律

天然氣侵入井眼后，呈氣－液兩相流動狀態(tài)，形成泡狀流、段塞流等形態(tài)。壓井液循環(huán)時，氣體隨著壓井液循環(huán)在井內(nèi)上返，同時在壓井液中滑脫上升。壓井液不循環(huán)時，壓井液中的氣體由于密度小，在壓井液中置換上升。

天然氣剛侵入井內(nèi)時，處在井底，受到的壓力大，體積小，對壓井液密度影響小。天然氣從井底向井口上升過程中，由于所受液柱壓力逐漸減小，氣泡就逐漸膨脹，體積增大，單位體積壓井液中天然氣體積增多，壓井液密度則逐漸減小。當氣泡上升至接近地面時，氣泡體積膨脹到最大，而壓井液密度降低到最小。天然氣侵入井內(nèi)后，井內(nèi)壓井液密度隨井深自下而上逐漸變小［4－5］。

根據(jù)波義耳定律繪制了淺層氣氣侵體積與井深的關(guān)系圖（圖1），密度為1.20 g／cm3的壓井液在井底1500 m處僅侵入了0.1 m3的氣體，而隨著氣體沿井筒上升，氣體體積逐漸膨脹。侵入氣體在1500 m至450 m處體積變化相對較小，但此階段是發(fā)現(xiàn)溢流、控制井口的的最佳時機，當氣體上升至距井口300 m處時體積由0.1 m3增至約6 m3；上升至150 m處時，氣體體積增長到約12 m3；150 m處至井口氣體迅速增大至100 m3。

圖1 淺層氣氣侵體積與井深關(guān)系

3 壓井液安全附加值的分析

3.1 附加密度和附加壓力的關(guān)系

許多人把附加密度和附加壓力認為是等同的關(guān)系，這是認識上的誤區(qū)。實際上，到底采用附加密度法好還是采用附加壓力法好，要根據(jù)具體情況來定。

圖2是井深與附加壓差關(guān)系圖，圖3是壓差為3 MPa、5 MPa時井深與壓井液密度附加值的關(guān)系曲線。從這兩個圖可以看出：采取當量密度附加法，氣井的附加密度為0.07～0.15 g／cm3。對于淺井此法確定的壓井液密度值小，安全底線是壓井液密度足以平衡環(huán)空壓耗和起管柱抽汲的共同作用，保證起下管柱安全。采取井底壓差附加法，按氣井井底壓差3.0～5.0MPa確定當量密度。這種方法對于淺井設(shè)計出的壓井液密度值大，足以抵消環(huán)空壓耗和起管柱的抽汲力。但是，要防止壓井液密度過大壓漏地層，造成先漏后噴。

上述是以計分模式為基礎(chǔ)的客觀性題目等級設(shè)定方式，正在主觀題等級設(shè)定方面，需選擇使用安戈夫的改進方法。其中，良好等級的標準就是每個試題最低分數(shù)是2分。所以，如果主觀題的試題數(shù)量是8個，那么良好等級的標準就是16分。通常來講，如果一套試題當中包含了客觀題與主觀題兩種類型，在判定等級標準的時候應(yīng)按照以下方法進行：

圖2 井深與附加壓差關(guān)系圖

圖3 壓差為3MPa／5MPa時井深與壓井液附加值關(guān)系曲線

3.2 氣侵后的壓井液密度計算及氣侵后液柱壓力減小值

（1）天然氣侵入壓井液密度計算式為：

式中：ρmh——在井深H 處氣侵壓井液密度，g／cm3；a——地面氣侵壓井液密度與氣侵前壓井液密度的比值；ρm——未氣侵壓井液密度，g／cm3；Ps——地面壓力，MPa（開井時取0.098 MPa，關(guān)井時取關(guān)井套壓值）；H——計算井深，m。

（2）氣侵壓井液柱壓力減小值公式為：

式中：ΔPm——受侵壓井液柱壓力減小值，MPa；其它符號意義同上。

表1給出了密度為1.20 g／cm3的壓井液受氣侵后在各個井深點的靜夜柱壓力減少值，壓力降低百分比?？梢钥闯?，隨著井深增加，受氣侵后壓井液柱壓力減少值也在增加，而壓力降低百分比則是隨著井深增加而減少，而且百分比降低幅度相對較大；當氣侵后即使壓井液密度減半，變?yōu)?.60 g／cm3時，各個井深點的壓力損失值最大為0.669 MPa，損失極小，而各個井深點的壓力降低百分比最大則為9.819%（井深305 m處）。由此可以看出，壓井液受氣侵后，在淺井處壓力損失值雖然最小，但是其壓力損失百分比卻是最大，所以在淺層氣井壓井液附加安全值應(yīng)適當加大，建議取值0.20 g／cm3。

3.3 常規(guī)法計算壓井液密度應(yīng)考慮的問題

常規(guī)法計算壓井液密度，參數(shù)附加當量密度ρe、附加壓力Pe都有一個取值范圍，在這個取值范圍中如何取值要遵循如下原則。

（1）油氣井能量的大小：產(chǎn)能大則多取，產(chǎn)能小則少取；

表1 氣侵壓井液對靜液壓力的影響

（2）油氣水井生產(chǎn)狀況：油氣比高的井多取，低的井少??；注水開發(fā)見效的井多取，反之少取；

（3）油氣井修井施工內(nèi)容、難易程度與時間長短：作業(yè)難度大、時間長的井多取，反之少?。?/p>

（4）井深結(jié)構(gòu)：大套管多取，小套管少?。?/p>

（5）井深：井深多取，井淺少取。

上面5條原則是以往的常規(guī)認識，但第（5）條用在淺層氣井則不僅不適合，而且會起到反作用，造成井控隱患，甚至會誘發(fā)井噴事故的發(fā)生。淺層氣井壓井液安全附加值應(yīng)盡量按壓差附加法取值，并取其上限5 MPa；如果按密度附加法取值的話，應(yīng)適當加大安全附加值，建議附加值為0.20 g／cm3。

4 結(jié)論與認識

（1）淺氣層必須引起人們的重視，要從一次井控上下工夫，提高淺氣層的井控防范意識。淺層氣井壓井液安全附加值應(yīng)盡量按壓差附加法取值，并取其上限5 MPa；如果按密度附加法取值的話，應(yīng)適當加大安全附加值，建議附加值為0.20 g／cm3。

（2）壓井液受氣侵后對平衡井底壓力的損失相對較小，所以在發(fā)現(xiàn)壓井液受氣侵后密度降低不應(yīng)盲目恐懼，應(yīng)有理有序的采取相應(yīng)措施，正確合理的處理氣侵險情。

（3）準確發(fā)現(xiàn)溢流是井控技術(shù)的關(guān)鍵。施工隊伍要及時發(fā)現(xiàn)溢流，要嚴格執(zhí)行油氣井井控技術(shù)措施，堅持“發(fā)現(xiàn)溢流立即關(guān)井，疑似溢流關(guān)井檢查”的現(xiàn)場井控關(guān)井原則，及時、果斷處理井控險情，杜絕淺氣層井噴事故的發(fā)生。

［1］史久光.如何防止或把淺層氣噴降到最低程度［J］.國外鉆井技術(shù)，1992，7（5）：36－47.

［2］范兆祥，袁新平.勝利油田淺層氣井噴原因分析及預(yù)防技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2002，24（2）：22－25.

［3］譚振華，陳紅.大港灘海（淺海）區(qū)淺層氣井噴原因分析及預(yù)防技術(shù)探討［J］.天然氣地球科學，2005，16（3）：369－373.

［4］苗錫慶.鉆井工程事故案例［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：172－209.

［5］蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問題［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001：302－304.