井漏失返條件下的吊灌作業(yè)安全時(shí)間計(jì)算方法

劉繪新 樊東昌 劉　璞

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

井漏失返條件下的吊灌作業(yè)安全時(shí)間計(jì)算方法

劉繪新 樊東昌 劉璞

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

劉繪新等.井漏失返條件下的吊灌作業(yè)安全時(shí)間計(jì)算方法. 天然氣工業(yè)，2016，36（7）：63-67.

“吊灌”作業(yè)是在井漏失返條件下保持井內(nèi)壓力動(dòng)態(tài)平衡、獲得安全作業(yè)時(shí)間的重要措施。但在實(shí)施吊灌作業(yè)時(shí)，由于反映井筒內(nèi)環(huán)空液面變化規(guī)律的動(dòng)態(tài)數(shù)模分析方法缺失，不能為工程實(shí)踐提供吊灌的合理依據(jù)，使其基本處于“盲吊”狀態(tài)。為此，筆者根據(jù)“吊灌”技術(shù)實(shí)際工況，首次采用井筒漏失動(dòng)態(tài)分析方法，建立起吊灌安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型，給出了多種漏失速率的積分結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)例對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：①利用計(jì)算實(shí)例對數(shù)學(xué)模型的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)高度吻合；②適當(dāng)增加吊灌量可以增加安全作業(yè)時(shí)間；③適當(dāng)減少吊灌鉆井液密度也可以增加安全作業(yè)時(shí)間。結(jié)論認(rèn)為：該成果可以從根本上解決“吊灌”技術(shù)的安全作業(yè)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)算問題，對于規(guī)避井漏失返條件下的井控安全風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)“吊灌”技術(shù)優(yōu)化、降低工程費(fèi)用等都具有重要意義。

壓力控制 井漏失返 吊灌技術(shù) 液面監(jiān)測 數(shù)學(xué)建模 動(dòng)態(tài)平衡 安全時(shí)間 漏失速率

井漏是油氣井工程中最常見的工程現(xiàn)象之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致井漏失返［1-3］。針對井漏失返情況經(jīng)常采用清水強(qiáng)鉆［4-5］和重泥漿帽［6-8］等技術(shù)。然而，在井漏失返條件下，由于見不到液面，不能確知井下是否有溢流發(fā)生，貿(mào)然進(jìn)行起下鉆、電測等作業(yè)有可能會(huì)帶來井控安全風(fēng)險(xiǎn)?！暗豕唷奔夹g(shù)是在井漏失返條件下保持井內(nèi)壓力動(dòng)態(tài)平衡、獲得安全作業(yè)時(shí)間的重要措施［9-10］，它也是四川地區(qū)多年來普遍采用的一種技術(shù)。

但是，如果不能對井筒環(huán)空液面變化情況做出準(zhǔn)確的判斷，“吊灌”就是盲目的：鉆井液吊灌過多會(huì)消耗大量的鉆井液，過少又會(huì)誘發(fā)溢流，仍然不能確保井控安全。顯然，鉆井液吊灌合理與否，取決于對井筒環(huán)空液面變化規(guī)律的掌握程度。

利用井下液面聲吶測深儀［11-12］，雖然能夠根據(jù)井下液面的實(shí)時(shí)變化情況實(shí)現(xiàn)相對合理的吊灌，但嚴(yán)重依賴于第三方服務(wù)，同時(shí)也增加了鉆井成本。解決問題的根本出路，還是要立足于完全掌握井筒環(huán)空液面變化規(guī)律。故筆者基于“吊灌”技術(shù)實(shí)際工況，首次采用井筒漏失動(dòng)態(tài)分析方法，建立起吊灌安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型，并利用計(jì)算實(shí)例對數(shù)學(xué)模型的可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn)。該成果可以從根本上解決“吊灌”技術(shù)的安全作業(yè)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)算問題，對于規(guī)避井漏失返條件下井控安全風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)“吊灌”技術(shù)優(yōu)化、降低工程費(fèi)用等都具有重要意義。

1　吊灌安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型

1.1吊灌安全作業(yè)時(shí)間物理模型

吊灌安全作業(yè)時(shí)間物理模型如圖1所示。

在井漏失返條件下，處于靜平衡狀態(tài)時(shí)井筒環(huán)空液面為H0；通過井筒環(huán)空吊灌一定體積、一定密度的鉆井液，能使井筒環(huán)空液面從H0上升至H1，但也導(dǎo)致井筒處于過平衡狀態(tài)而發(fā)生漏失；經(jīng)過一定時(shí)間T后，井筒環(huán)空液面由H1降至H0，重新回到靜平衡狀態(tài)。顯然，在這個(gè)過程中井筒不會(huì)出現(xiàn)井控安全風(fēng)險(xiǎn)。因此時(shí)間T就是安全作業(yè)時(shí)間。

1.2吊灌安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型

吊灌作業(yè)井筒漏失動(dòng)態(tài)模型如圖2所示。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在單位時(shí)間dt內(nèi)，漏失量等于井筒環(huán)空內(nèi)鉆井液減少量：

式中Q表示漏失速率，m3/h；dt表示單位時(shí)間，h； D表示環(huán)空截面積，m2；dH表示環(huán)空液面下降高度差，m。

圖1　吊灌安全作業(yè)時(shí)間物理模型

圖2　吊灌作業(yè)井筒漏失動(dòng)態(tài)模型

當(dāng)井筒環(huán)空液面由H1降至H0時(shí)，對應(yīng)的時(shí)間為0到T；通過對上式積分可以得到安全作業(yè)時(shí)間T：

顯然，安全作業(yè)時(shí)間與漏失速率相關(guān)。

當(dāng)漏失速率為一次函數(shù)時(shí)，即Q = AH + B，帶入式（2）得到安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型：

同理，當(dāng)漏失速率分別為二次函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)時(shí)，安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型見表1。

表1　不同漏失速率對應(yīng)的安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型表

儲(chǔ)層特性、井底壓差及鉆井液黏度、切力等是決定漏失速率的關(guān)鍵因素［13-15］，目前的研究成果還未建立起比較完善的理論數(shù)學(xué)模型，主要還是通過現(xiàn)場實(shí)測結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，得到漏失速率的統(tǒng)計(jì)數(shù)模。

2　安全作業(yè)時(shí)間計(jì)算方法

2.1計(jì)算實(shí)例

“塔中奧陶系碳酸鹽巖地層漏失壓力統(tǒng)計(jì)分析”的研究成果［16］，某井?215.9 mm井眼，?127 mm鉆桿，在井深4 500 m鉆遇井漏失返，通過實(shí)測漏失速率為二次函數(shù)：

利用井下液面聲吶測深儀測得：井漏失返后液面距離井口高度300 m；采用密度為1.92 g/cm3的鉆井液進(jìn)行吊灌后液面升至距離井口高度200 m；大約經(jīng)過48 min后液面重新下降到距離井口高度300 m。

將實(shí)測數(shù)據(jù)代入式（4），可得：

化簡得：

2.2計(jì)算方法

安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型中：

將安全作業(yè)時(shí)間計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)吊管時(shí)間48 min對比，相對誤差約為4.17%，充分說明安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型具有較好的計(jì)算精度，可以從根本上解決“吊灌”技術(shù)的安全作業(yè)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)算問題。

不同的吊灌高度與安全作業(yè)時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系見表2、圖3。

表2　吊灌高度與安全作業(yè)時(shí)間對應(yīng)關(guān)系表

圖3　吊灌高度與安全作業(yè)時(shí)間對應(yīng)關(guān)系圖

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)：吊灌高度與安全作業(yè)時(shí)間對應(yīng)關(guān)系曲線為單增函數(shù)，吊灌高度越高，獲得安全作業(yè)時(shí)間越多。計(jì)算實(shí)例中，吊灌300 m可獲得104 min的安全作業(yè)時(shí)間；吊灌100 m只能獲得46 min的安全作業(yè)時(shí)間。但工程實(shí)際應(yīng)用中，在吊灌能力受限的情況下，一味追求過大的吊灌高度需要花費(fèi)很長的時(shí)間，可能得不償失。因此，在需要較長的安全作業(yè)時(shí)間時(shí)，建議采用分次吊灌方法，分次吊灌所獲得的總時(shí)間和即為所需要的安全作業(yè)時(shí)間。

3　安全作業(yè)時(shí)間變化規(guī)律分析

3.1安全作業(yè)時(shí)間與吊灌量的關(guān)系

在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程中，由于井筒環(huán)空容積已知，故習(xí)慣采用吊灌量來間接反映吊灌高度。

仍據(jù)2.1計(jì)算實(shí)例，計(jì)算實(shí)例中的吊灌量與安全作業(yè)時(shí)間的關(guān)系如表3、圖4所示。

表3　吊灌體積與安全作業(yè)時(shí)間關(guān)系表

3.2安全作業(yè)時(shí)間與吊灌鉆井液密度的關(guān)系

除此之外，吊灌鉆井液密度對于安全作業(yè)時(shí)間有著重要的影響。仍據(jù)2.1計(jì)算實(shí)例，吊灌鉆井液密度與安全作業(yè)時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

圖4　吊灌量與安全作業(yè)時(shí)間的關(guān)系圖

圖5　吊灌鉆井液密度與安全作業(yè)時(shí)間關(guān)系圖

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)：吊灌鉆井液密度與安全作業(yè)時(shí)間對應(yīng)關(guān)系曲線為單降函數(shù)，在吊灌高度相同的情況下，吊灌安全作業(yè)時(shí)間隨吊灌鉆井液密度的增加而減?。煌瑫r(shí)，吊灌高度越高，吊灌鉆井液密度對安全作業(yè)時(shí)間的影響越大。計(jì)算實(shí)例中，密度介于1.0～2.0 g/cm3鉆井液吊灌100 m的安全作業(yè)時(shí)間介于45.93～50.93 min，相差只有5 min；而吊灌300 m的安全作業(yè)時(shí)間介于103.0～126.2 min，相差達(dá)到23.2 min。因此，對于吊灌量較大的情況，建議吊灌時(shí)應(yīng)當(dāng)采用原鉆井液密度。

4　結(jié)論

1）根據(jù)“吊灌”技術(shù)實(shí)際工況，首次采用井筒漏失動(dòng)態(tài)分析方法，建立起吊灌安全作業(yè)時(shí)間數(shù)學(xué)模型，并給出了多種漏失速率的積分結(jié)果。

2）利用計(jì)算實(shí)例，對數(shù)學(xué)模型的可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)高度吻合，充分說明安全作業(yè)時(shí)間計(jì)算方法可以解決工程實(shí)際問題。

3）安全作業(yè)時(shí)間變化規(guī)律分析表明：適當(dāng)增加吊灌量可以增加安全作業(yè)時(shí)間；適當(dāng)減少吊灌鉆井液密度也可以增加安全作業(yè)時(shí)間。

4）研究成果可以從根本上解決“吊灌”技術(shù)的安全作業(yè)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)算問題，對于規(guī)避井漏失返條件下井控安全風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)“吊灌”技術(shù)優(yōu)化、降低工程費(fèi)用具有重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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（修改回稿日期 2016-05-10 編 輯 凌忠）

Calculation of safe time in "Hang's Mudding-off" technique of circulation loss in return

Liu Huixin， Fan Dongchang， Liu Pu
（College of Petroleum Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.63-67， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

The so-called "Hang's Mudding-off" technique is critical to keeping the dynamic pressure balance and guaranteeing the sufficient safe operation time in wellbore. However， for lack of dynamic mathematical model analysis methods for reflecting the changes of annulus liquid level in the borehole during the "Hang's Mudding-off" operation， the actual operation is basically conducted blindly without reasonable engineering basis. According to the actual conditions， a mathematical model for the safe time of the "Hang's Mudding-off" was， for the first time， built up by using the dynamic borehole leakage analysis method. Then， the integral results of leak-off rates were calculated. Finally， the calculation results were verified by field cases. It is shown that the calculation results are highly accordant with the actual data， indicating the reliability of the mathematical model. The safe operation time can be increased by increasing mud amount or reducing mud density appropriately. With this model， the safe time of "Hang's Mudding-off" operation can be calculated accurately. This research result is of great significance to avoiding well control risk of absorption wells， optimizing the "Hang's Mudding-off" technique and reducing project cost.

Pressure control； Circulation loss in return； "Hang's Mudding-off" technique； Liquid level monitoring； Mathematical model；Dynamic pressure balance； Safe time； Leak-off rate

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.009

劉繪新，1954年生，教授，博士生導(dǎo)師；主要從事油氣工程方面的教學(xué)與科研工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院。電話：18109011457。ORCID：0000-0002-8303-813X。E-mail：liuhuixin@swpu.edu.cn

樊東昌，1989年生，碩士研究生，主要從事油氣井壓力控制研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院。電話：18328071058。E-mail：410098414@qq.com