普光氣田非常規(guī)壓井方法模擬研究

榮偉 申洪偉 侯學松 毛承江 唐江華

(中國石化中原油田普光分公司采氣廠，四川 達州 635000)

普光氣田屬高壓高含硫氣田，其氣藏埋藏深，地層壓力系數(shù)大，井控風險控制尤為重要。對于失控的井噴，采用司鉆法、工程師法等常規(guī)壓井方法收效甚微，因此需要尋求非常規(guī)壓井方法來實現(xiàn)壓井作業(yè)。動力壓井法是一種有效的失控井噴壓井處理方法，不需要噴井井口提供任何控制措施，即可通過高速循環(huán)壓井液的靜液柱壓力及其流動時產(chǎn)生的循環(huán)摩阻壓降來平衡地層壓力，從而控制井噴［1-3］。

1 動力壓井法的基本原理

動力壓井法是一種非常規(guī)井控方法，其原理是借助于水力系統(tǒng)流動摩阻壓降及壓井液靜液柱壓力來平衡地層壓力，阻止地層流體進一步向井內(nèi)流入，實現(xiàn)“動壓穩(wěn)”，之后逐次替入次重壓井液和加重壓井液，最后實現(xiàn)“靜壓穩(wěn)”，從而達到控制井噴的目的。處理失控井噴及水平井、大位移井和小井眼井溢流的情況時，動力壓井法比常規(guī)壓井方法更具優(yōu)越性。

動力壓井法的基本要求是保持井底壓力大于等于地層壓力，小于地層破裂壓力與鉆柱從井內(nèi)被噴出的最大許可井底壓力之間的最小值［4］，即:

噴井井底壓力為井筒流體流動摩阻壓降和靜液柱壓力之和。在替入高密度壓井液之前，應始終保持初始壓井排量循環(huán);在替入高密度壓井液后，應及時調(diào)整排量，以防地層被壓裂。

2 動力法壓井井筒水力學模型

受現(xiàn)場條件所限，無法通過鉆具完成動力壓井。如現(xiàn)場井口已經(jīng)損壞，且井已失控，或由于鉆具內(nèi)徑較小，壓井液流動摩擦損失過大，現(xiàn)場機泵條件不允許利用鉆具本身進行動力壓井作業(yè)。這時只能打救援井，使救援井與噴井相連通。

鉆具底部通暢時實施動力壓井示意圖如圖1所示，從救援井注入密度為ρm、體積流量為Q的壓井液，通過噴井與救援井的連通處進入噴井，噴井井筒為組合流道的水力學系統(tǒng)，壓井液在噴井中的流動為鉆具外的環(huán)流Qa和鉆具內(nèi)的管流Qd。當壓井液在噴井流道中靜液柱壓力加上流體摩阻壓降等于地層壓力時，地層流體不再進入噴井井筒，接著逐次改變壓井液密度和體積流量，最終控制井噴。相對于鉆頭水眼堵塞的情況，此工況壓井所需排量稍大，在壓井作業(yè)過程中也應避免噴井內(nèi)鉆具被噴出。

噴井井筒壓力梯度表示為［5］:

兩相流靜水壓降部分表示為:

對于垂直流，sin θ=1。摩擦壓降可以表示為:

加速度壓降為:

式中，下標acc表示加速度項，下標f表示摩擦項。

圖1 鉆具底部通暢時實施動力壓井示意圖

3 動力法壓井排量計算

當鉆頭水眼被堵時，噴井內(nèi)的流動情況是壓井液通過救援井進入噴井井筒，沿著鉆具與井壁之間的環(huán)空向上流動，通過靜液柱壓力加上循環(huán)摩阻壓降等于地層壓力，實現(xiàn)將噴井壓住。在這種情況下，鉆鋌與井壁、鉆桿與井壁之間的不同尺寸的環(huán)空可以看成是一個串聯(lián)的水力阻力系統(tǒng)，過程與鉆具在井底時通過鉆柱進行動力壓井類似。

計算鉆鋌與井壁之間環(huán)空的流體流動阻力:

計算鉆柱與井壁之間環(huán)空的流體流動阻力:

當鉆頭水眼通暢時，壓井液會同時通過鉆柱內(nèi)部與環(huán)空向上流動。此時可以將鉆柱內(nèi)部與環(huán)空看成一個并聯(lián)的水力系統(tǒng)，將環(huán)空流動看成是兩部分摩阻的串聯(lián)之和(鉆鋌與井壁之間的環(huán)空和鉆桿與井壁之間的環(huán)空)，鉆柱內(nèi)的流動阻力則為液體在鉆頭、鉆鋌內(nèi)、鉆柱內(nèi)的流動阻力之和。

在此情況下，有關(guān)系式［8-10］:

將式(8)、(9)看作:

由于Q=Qa+Qd，故存在:

則動力壓井排量范圍為:

式中:g— 重力加速度，0.009 81 m/s2;

H—噴井垂直井深，m;

Lc— 鉆鋌長度，m;

Ld— 鉆桿長度，m;

dod— 鉆桿外徑，cm;

doc— 鉆鋌外徑，cm;

did— 鉆桿內(nèi)徑，cm;

dic— 鉆鋌內(nèi)徑，cm;

λc—鉆鋌與井壁之間的摩阻系數(shù);

λd—鉆柱與井壁之間的摩阻系數(shù);

λic—鉆鋌內(nèi)的摩阻系數(shù);

λid—鉆柱內(nèi)的摩阻系數(shù)。

4 實例應用分析

4.1 某噴井概況

某噴井鉆井組合及井身數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某井鉆具組合及井身數(shù)據(jù)

首先計算噴井內(nèi)鉆具被噴出時所需要的最小井底壓力。假設此時鉆具在噴井井底，則忽略掉鉆頭，即假設鉆具由鉆柱和鉆鋌2部分組成。其中，鉆柱長度為4 250 m，線重為372.4 N/m;鉆鋌長度為150 m，線重為1 328 N/m;鉆具總重量為1 261 kN，壓井液密度為1.0 g/cm3。通過噴井井內(nèi)鉆具受力軟件計算出，將鉆具從噴井井筒中噴出的最小井底壓力為69 MPa，大于噴井地層破裂壓力，因此可以應用噴井地層破裂壓力確定壓井所需最大排量。初始壓井液密度為1.0 g/cm3，可以得到實現(xiàn)壓井作業(yè)所需要的壓井參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上分析主要參數(shù)對動力壓井法的影響規(guī)律。

從動力壓井的基本原理可以看出，動力壓井所需的壓井排量受井深控制。根據(jù)動力壓井所需壓井排量的計算方法，得出在其他條件不變的情況下動力壓井所需壓井排量與井深之間的關(guān)系(圖2)。

4.2 噴井井深對動力壓井所需排量的影響

由圖2可見，動力壓井所需的壓井排量隨著噴井井深的增加不斷減小。這是因為壓井液流道隨著井深的增加而增加，壓井液流動產(chǎn)生的摩擦阻力也將隨著流道的增加而不斷增加，從而導致井底壓力隨著井深的不斷增加而增大。對于深井，動力壓井所需的壓井排量相對較小;而對于較淺井，由于其流體流道較短且靜液壓力較小，故動力壓井所需排量相對較大，對現(xiàn)場機泵條件要求較高，因此動力壓井法更加適用于水平井及大位移井。

圖2 井深與動力壓井所需排量的的關(guān)系

4.3 井眼尺寸對動力壓井所需排量的影響

井眼尺寸是影響動力壓井所需排量的一個重要參數(shù)。井眼尺寸越大，井筒中流體流道也就越寬，井筒中的摩擦阻力會越小，從而導致井底壓力越小。為了達到預想的井底壓力，增大壓井排量，通過加大壓井排量來增加環(huán)空流動摩擦阻力，這將會對現(xiàn)場機泵提出更高要求。

隨著井眼尺寸的增大，動力壓井所需的壓井排量也不斷增大(圖3)，故壓井所需排量隨著井眼尺寸增大而增大。同時，如果井眼尺寸過小，最大壓井所需排量與最小壓井所需排量之間的差值也變小，這將會導致施工過程難以控制。

圖3 井眼尺寸與動力壓井所需排量的關(guān)系

4.4 鉆具尺寸對動力壓井所需排量的影響

動力壓井所需排量隨著鉆具尺寸的增加而逐漸減少(圖4)。如果噴井中有鉆具，則實施壓井作業(yè)時相對會容易一些，對現(xiàn)場的機泵條件要求也相應較低?，F(xiàn)場實施動力壓井作業(yè)時，噴井中的鉆具尺寸越大，實施壓井作業(yè)就會越容易。

圖4 鉆具尺寸與動力壓井所需排量的關(guān)系

5 結(jié)語

動力壓井技術(shù)是一種有效的失控井噴處理方法，不需要噴井井口作任何控制就能夠通過高速循環(huán)壓井液，利用壓井液的靜液柱壓力及其流動時產(chǎn)生的循環(huán)摩阻壓降來平衡地層壓力即可控制噴井。

在噴井作業(yè)中，隨著噴井井深的增加，壓井所需排量逐漸減小;隨著井眼尺寸的增加，壓井所需排量逐漸增大;隨著鉆具尺寸的增加，壓井所需排量逐漸減小。本次研究針對噴井的特點，建立起動力法壓井井筒水力學模型，并通過實例分析驗證了模型的實用性。

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