氣層厚度對井底壓力的影響分析

陶瑞東，朱 亮，李貴賓，柳耀泉，許京國中石油渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程公司，天津長江大學石油工程學院，湖北 武漢

氣層厚度對井底壓力的影響分析

陶瑞東1，朱 亮2，李貴賓1，柳耀泉1，許京國1
1中石油渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程公司，天津2長江大學石油工程學院，湖北 武漢

Received: Dec.10th, 2015; accepted: Feb.28th, 2016; published: Jun.15th, 2016

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在氣井的鉆井過程中，井底壓力的變化對井控風險的影響是很大的。但目前在分析影響氣層井筒井底壓力變化的因素時，未考慮氣層厚度對井底壓力的影響。基于質量守恒和動量守恒定理，針對井筒氣侵后的實際情況，首先建立了氣侵后井底壓力的計算模型，然后聯(lián)合分相流方程，運用有限差分的方法，以工程實例數(shù)據(jù)為基礎，討論了打開氣層厚度對井底壓力的影響規(guī)律。分析結果表明，隨著鉆遇氣層厚度的增大，井底壓力穩(wěn)定值較大，井底壓差也愈大，最終導致井控難度加大，建議采用合理的手段盡早偵測氣侵情況，采取措施能夠減少地層氣體的侵入量，達到安全井控的目的。該研究是對氣侵、井底壓力變化規(guī)律認識的完善，對現(xiàn)場實際井控安全操作策略的制定具有重要指導意義。

井底壓力，氣層厚度，井控，穩(wěn)定值

1.引言

當?shù)貙託怏w侵入井筒后，改變了井筒內的流動狀態(tài)[1]-[3]，如果控制不當，很有可能演變成井噴。國內外對井底壓力的計算模型做了大量的研究：Nickens [4]建立了井涌井的動態(tài)模型，該模型能夠預測發(fā)生井涌時任意時刻和井深的侵入量和井底壓力；Santos [5]建立了水平井發(fā)生氣侵時的壓力預測模型；Choe [6]建立了非穩(wěn)態(tài)井控模型，并且與Nickens模型、Santos模型進行了比較，由于復雜兩相流模型不同導致二者計算出的結果較難匹配；李相方等[7]和周照明[8]分別討論了不同氣層厚度下截面含氣率和氣體上升速度的變化情況以及孔隙度對氣侵量的影響，但兩者都沒有分析相關因素對井底壓力的影響?？梢哉f，目前分析氣侵后井底壓力的影響因素尚未涉及打開氣層厚度。利用實際工程數(shù)據(jù)，對打開氣層厚度與井底壓力的影響關系進行分析討論，因此，所開展的研究對進一步認清地層流體侵入對井底壓力的影響，做好井控工作具有重要意義和指導意義。

2.氣侵后井底壓力計算模型

氣侵后，環(huán)空內的氣液兩相流與溢流前的鉆井液單相流相比，流動情況復雜，計算也較為麻煩[9]。因此，采用分相流的方法，對氣液兩相流建立數(shù)學計算模型，最后聯(lián)合分相流方程進行求解。

2.1.氣相和液相控制方程

為了研究需要，取管柱中某一微元體，假設管柱壁上無質量變化，且微元體的過流斷面面積為A，通過某一點M的質量變化情況如圖1所示。

M點的流入質量為AρGEGvGdt|ds；ds段內地層產(chǎn)氣質量為qGdt d s；M'點的流出質量為AρGEGvGdt|s+ds；ds段內累積質量為AρGEGds。

由質量守恒定理可知：M點的流入質量+ds段 地層產(chǎn)氣質量=M′點的流出質量+ds段內累積質量由此可以建立氣相連續(xù)性方程：

式中：t為氣侵時間，s；s為井筒深度(從底部往井口)，m；A為過流斷面的面積，m2；ρG為氣相密度，g/cm3；EG為截面含氣率，1；vG為氣相速度，m/s；qG為單位長度井筒內的質量流量，kg/(m?s)。

液相與氣相控制方程建立的原理相同[7] [10] [11]，具體的數(shù)學模型：

式中：ρL為液相密度，g/cm3；vL為液體真實速度，m/s。

2.2.氣、液兩相混合運動方程

由動量守恒原理可知：

(M′點的動量?M 點的動量+ds段 累積質量產(chǎn)生的動量)dt=微元體所受的力建立兩相混合運動方程：

式中：(p)f為摩阻壓力，MPa；g為重力加速度，m/s2；為摩阻壓力梯度，MPa/m。

2.3.求解方法

綜上所述，以上建立的計算模型(公式(3)、(4)、(5))均屬于非線性偏微分方程，單從方程本身求解較為困難，因此借鑒流體力學常用的研究方法，即有限差分法。在分析過程中，可以將氣侵發(fā)生的時刻對應到時間域，井深對應到空間域。利用有限差分離散已建立的模型，同時對空間域和時間域進行網(wǎng)格劃分，最后逐步求取空間域上的解，直至覆蓋整個時間域[12] [13]。

Figure 1.A physical model of body mass conservation element圖1.某一微元體質量守恒的物理模型

3.工程實例

3.1.基本參數(shù)計算

A井是一口水平井，在6492～7300.29 m進行欠平衡鉆進，施工過程中在6492 m和6512 m發(fā)生了溢流，井身結構參數(shù)如表1所示。計算分析過程中需要的參數(shù)如表2、表3所示。

3.2.氣層厚度對井底壓力變化的影響

通過已建立的井底壓力計算模型，分別取直井段、造斜段、水平段的某一深度進行計算，分析了井底壓力與氣侵時間、氣層厚度的關系。取井深5600、6492、6512 m作為代表。在打開儲層厚度分別10、15、20 m的情況下，井底壓力隨時間的變化關系如圖2所示。

直井段、造斜段和水平段的變化規(guī)律不盡相同。在直井段，同一深度、不同氣層厚度下，隨氣侵時間的增加，由于氣侵初期氣泡的壓力與地層壓力相當，進入井筒后開始滑脫，井底壓力會先有瞬時增大的趨勢；而后，隨著氣體在井筒運移過程中以體積膨脹為主導致井底壓力逐漸減??；最后達到穩(wěn)定，而且穩(wěn)定值都比入侵前的井底壓力值小。但是，造斜段和水平段的井底壓力并沒有瞬時增大，而是先保持平穩(wěn)后增大，并且水平段的短暫平穩(wěn)期較造斜段長，之后的變化規(guī)律與直井段相同，這是由于造斜段和水平段不能類似于直井段，在氣侵之后直接進入井筒并上移，氣侵反應到地面的時間也是相對較少。

同時，根據(jù)井底壓差的概念，井底負壓差的變化規(guī)律與井底壓力的變化趨勢相同，而且無論是哪個井段，井底負壓差都是隨著打開氣層厚度的增大而增加，如此鉆進過程中發(fā)生溢流的程度也愈大，井控難度也隨之增大。在鉆井現(xiàn)場施工過程中，一旦發(fā)生溢流，及時根據(jù)井底壓力計算壓差，實時調整鉆井液密度，能夠在一定程度上預防進一步溢流。

另一方面，井底壓力穩(wěn)定值不僅與氣侵時間和井深有關，還受鉆開氣層厚度的影響。鉆開氣層厚度越大，暴露的面積越大，進入井筒的氣體量越大，井底壓力下降的幅度越大，加大了井控難度；氣層厚度越小，氣體侵入量越少，與氣層厚度大的情況相比，相當于滲透率減小，井控相對要容易一些。因此在勘探開發(fā)中利用地震屬性等方法預測氣層厚度[14]-[16]，進而確定最大的鉆開氣層厚度，以便計算最大井底負壓差對應的鉆井液密度附加值。并且越早于穩(wěn)定值之前采取措施，越利于采取井控措施，這樣可以降低發(fā)生溢流的可能性。

Figure 2.Relationship between gas invasion time and bottom hole pressure under different well depth and gas layer thickness圖2.不同井深和氣層厚度下氣侵時間與井底壓力的關系圖

Table 1.The parameters of well structure表1.井身結構相關參數(shù)

Table 2.The basic calculation parameters of Well A表2.A井的基本計算參數(shù)

Table 3.The relevant parameters of the well section表3.研究井段的相關參數(shù)

4.結論與認識

1) 在討論影響氣侵后井底壓力變化規(guī)律時，氣層厚度是值得考慮的一個因素，對于現(xiàn)場制定井控安全控制策略具有指導意義。

2) 氣層厚度對應的井底壓力穩(wěn)定值受氣侵時間與鉆開氣層厚度的影響，而且隨著氣侵時間的推移和氣層厚度的增加，井底壓力穩(wěn)定值減小，導致井底壓差增大，最終加大井控難度。

3) 如果采取相應的手段及早發(fā)現(xiàn)氣侵并且采取井控措施，能夠減少地層氣體的侵入量，達到安全井控的目的。

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Analyzing the Effect of Gas Layer Thickness on Bottom Hole Pressure

Ruidong Tao1, Liang Zhu2, Guibin Li1, Yaoquan Liu1, Jingguo Xu1
1No.3 Drilling Company, CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Tianjin2School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei

In the process of drilling of gas wells, the change of bottom hole pressure has great influence on well control.However, the influence of gas layer thickness on the bottom hole pressure was not considered currently in analyzing the factors influencing the changes of bottom hole pressure.Based on mass conservation and principle of conservation of momentum, the mathematical model of bottom pressure after invading was established.And then based on the engineering case, combined with the phase separation equations, the finite difference method is used to discuss the influential rules of gas layer thickness on the bottom hole pressure.The result shows that the bottom hole differential pressure and the stable value of B.H.P.increases while the thickness of drilling gas formation is large, which can increase the difficulty of well control.The suggestion is that rational measurement is used for early control of gas invasion to reduce the gas invasion and safe well control.The study is the completion to the understanding of gas invasion and regulation of the changes of bottom hole pressure, it provides guidance for setting up the strategy of well control.

Bottom Hole Pressure, Drilling Thickness of Gas Formation, Well Control, Stable Value

陶瑞東(1965-)，男，教授級高級工程師，碩士，現(xiàn)從事鉆井技術工作；通信作者：朱亮。

2015年12月10日；錄用日期：2016年2月28日；發(fā)布日期：2016年6月15日

國家自然科學基金項目(51274047)；中石油渤海鉆探工程有限公司科技攻關項目(DSZJ-2014-175)。

文章引用: 陶瑞東, 朱亮, 李貴賓, 柳耀泉, 許京國.氣層厚度對井底壓力的影響分析[J].石油天然氣學報, 2016, 38(2): 59-65.http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.382016