物質(zhì)平衡方法在快速鉆井決策中的新應(yīng)用

張鳳喜，李世奇，牟哲林，馬國新

（1．上海石油天然氣有限公司，上海200041；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探國際工程公司，四川成都610051）

物質(zhì)平衡方法在快速鉆井決策中的新應(yīng)用

張鳳喜1，李世奇2，牟哲林1，馬國新1

（1．上海石油天然氣有限公司，上海200041；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探國際工程公司，四川成都610051）

海上某綜合平臺(tái)老井眼開窗側(cè)鉆而成的勘探兼開發(fā)挖潛井出現(xiàn)高壓溢流等險(xiǎn)情，采取搶險(xiǎn)救援措施后，對(duì)高壓層段成功進(jìn)行了封固。若高壓氣體突破封堵段沿井筒進(jìn)入上部低壓儲(chǔ)層，勢(shì)必會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜問題，并可能對(duì)地面平臺(tái)安全造成威脅。針對(duì)是否緊急調(diào)派多艘鉆井船資源部署實(shí)施多口泄壓救援井，亟需作業(yè)者快速?zèng)Q策。在高壓氣藏儲(chǔ)量計(jì)算的基礎(chǔ)上，從油藏工程角度出發(fā)，將經(jīng)典物質(zhì)平衡方法引入到鉆井工程決策中，對(duì)高壓氣體上竄至上部低壓儲(chǔ)層后的壓力及氣竄量進(jìn)行了計(jì)算研究，快速得出了分析結(jié)果并進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，可為工程緊急決策提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

物質(zhì)平衡；鉆井決策；高壓氣藏；氣體上竄

1　研究背景

A油氣田位于我國某近海海域，自投產(chǎn)以來取得了較好的開發(fā)效果及超預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，但目前已進(jìn)入開發(fā)中后期。為實(shí)現(xiàn)油氣田產(chǎn)能接替，作業(yè)者在積極進(jìn)行周邊滾動(dòng)勘探的同時(shí)，也加強(qiáng)了對(duì)已開發(fā)區(qū)的挖潛研究。基于此目的，在老井眼基礎(chǔ)上開窗側(cè)鉆而成一口勘探兼開發(fā)挖潛井（B井），欲既能實(shí)現(xiàn)對(duì)上部在產(chǎn)氣藏的挖潛，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)深部儲(chǔ)層的勘探。

B井在鉆至某一深度時(shí)（高壓層，地質(zhì)分層的P12層）發(fā)生溢流（壓力系數(shù)1.82），壓井過程中出現(xiàn)鉆桿刺漏、平臺(tái)地面阻流管線等設(shè)施多處刺漏等險(xiǎn)情。在采用滴灌法循環(huán)排氣壓井等一系列措施都未能見效的狀況下，采用連續(xù)油管自鉆桿下入建立循環(huán)，對(duì)鉆桿進(jìn)行切割，后繼續(xù)通過連續(xù)油管循環(huán)排氣，下入4級(jí)橋塞并交替封堵10段水泥塞，最終完井、棄井。套管鞋處恰對(duì)應(yīng)一水層（低壓層，地質(zhì)分層的H8層）的底部，經(jīng)鉆井地層破裂壓力實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該層地層破裂壓力系數(shù)約為1.70，對(duì)應(yīng)地層破裂壓力為48.77 MPa。

經(jīng)套管受力情況分析，高壓層氣體壓破套管風(fēng)險(xiǎn)較小，套管重疊段封固能力也較好。但為安全起見，假定高壓氣體在鉆桿切割位置處竄入H8水層，使得高低壓層經(jīng)井筒形成溝通通道，進(jìn)而對(duì)低壓層進(jìn)行充注。通過對(duì)高能氣體壓裂、爆炸壓裂等壓裂方法機(jī)理進(jìn)行調(diào)研，認(rèn)為高壓氣體對(duì)H8層產(chǎn)生的壓力效果類似于高能氣體壓裂，而高能氣體壓裂形成的裂縫為徑向多裂縫系統(tǒng)，很難形成高度、長度延伸較遠(yuǎn)的單條縫［1-5］。因此，高壓氣體若突破套管封固段，應(yīng)首先對(duì)H8層進(jìn)行充注（初期瞬間伴有井筒周邊小范圍圍巖破裂），若該層難以有效容納竄入氣量，則氣體進(jìn)一步上竄至上部儲(chǔ)層，會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜問題，并可能對(duì)海上生產(chǎn)平臺(tái)的安全造成威脅，這就需要實(shí)施救援井鉆井工作。針對(duì)是否進(jìn)行救援作業(yè)需業(yè)主方快速?zèng)Q策，以便確定是否緊急調(diào)撥多艘鉆井船就位。

在高壓氣藏儲(chǔ)量計(jì)算的基礎(chǔ)上，從油藏工程角度考慮，借助經(jīng)典物質(zhì)平衡方法對(duì)高壓氣體上竄至上部低壓儲(chǔ)層后的壓力及氣竄量進(jìn)行了計(jì)算，從而快速為工程決策提供參考。

2　物質(zhì)平衡方程

依據(jù)氣藏物質(zhì)平衡通式［6-12］，針對(duì)高壓層及常壓水層分別建立物質(zhì)平衡方程。

對(duì)于高壓層，在不考慮水體侵入的條件下，氣體產(chǎn)出量=氣體膨脹量+孔隙體積減小量，即：

對(duì)于常壓水層，在不考慮巖石壓縮性及氣體在水中溶解度的前提下，氣體注入量=水體體積變化量，即：

式中：GP為高壓氣體竄出量，108m3；G為高壓氣體儲(chǔ)量，108m3；p0為高壓層原始地層壓力，MPa（已知）；p為高壓層泄壓后地層壓力，MPa（未知）；p2為低壓層注入氣體后地層壓力，MPa（假定井筒內(nèi)靜氣柱壓力3 MPa，則p2=p-3）；pH為低壓層原始地層壓力，MPa（已知）；h為低壓層厚度，m；A為低壓層砂體面積，km2；φ為孔隙度；Bgi為原始?jí)毫ο碌臍怏w體積系數(shù)，0.002 77 m3/ m3；Bg1，Bg2分別為壓力p，p2下的氣體體積系數(shù)；Sw，Swi分別為高壓層原始含水飽和度及束縛水飽和度；Sw2為低壓水層含水飽和度；Cw，Cw2分別為高壓層及低壓水層的地層水壓縮系數(shù)，10-4MPa-1；Cf為高壓層巖石壓縮系數(shù)，10-4MPa-1。

3　關(guān)鍵參數(shù)確定與求解步驟

3.1關(guān)鍵參數(shù)確定

異常高壓氣藏由于地層壓實(shí)、流體充注等多方成因的影響，致使高壓氣藏巖石壓縮系數(shù)、高壓天然氣偏差系數(shù)等成為在實(shí)際開采過程中或者在開采初期的氣藏工程計(jì)算中（儲(chǔ)量確定、采收率計(jì)算等）必須要考慮的因素。

3.1.1高壓天然氣偏差系數(shù)

偏差系數(shù)Z是計(jì)算氣體體積系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。李相方等［13］根據(jù)Standing和Katz的天然氣偏差系數(shù)圖表，發(fā)現(xiàn)偏差系數(shù)曲線在高壓段呈直線趨勢(shì)，根據(jù)高壓段數(shù)據(jù)，采用多重高階曲線擬合方法，建立了高壓天然氣偏差系數(shù)高精度解析模型。通過在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用及研究發(fā)現(xiàn)，該方法更適用于高壓和超高壓條件下天然氣偏差系數(shù)的工程計(jì)算。

式中：ppr為擬對(duì)比壓力；Tpr為擬對(duì)比溫度。

3.1.2高壓氣藏巖石壓縮系數(shù)

通常巖石壓縮系數(shù)Cf通過巖心實(shí)驗(yàn)借助Hall圖版來獲取，由于未曾進(jìn)行巖心實(shí)驗(yàn)，對(duì)于異常高壓油氣藏，應(yīng)用陳元千等學(xué)者總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式來確定［14-15］。

式中：H為高壓油氣藏的埋深，m。

3.1.3地層水壓縮系數(shù)

高壓層地層水壓縮系數(shù)Cw及低壓水層地層水壓縮系數(shù)Cw2，借鑒鄰井巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，取值分別為6.5×10-4，4.9×10-4MPa-1。

3.1.4含水飽和度

高壓層原始含水飽和度Sw及束縛水飽和度Swi，由測(cè)井解釋獲取數(shù)據(jù)，分別取0.40，0.22；低壓水層含水飽和度Sw2，取值為1。

3.2求解步驟

分析方程（1）、（2）所構(gòu)成的方程組不難看出，僅p，Bg1，Bg2為未知數(shù)，求解思路如下：

1）給定高壓層泄壓后的地層壓力p，則低壓水層H8充注后地層壓力為p2（p2=p-3）。

2）計(jì)算p，p2壓力下對(duì)應(yīng)的擬對(duì)比壓力和擬對(duì)比溫度。

3）計(jì)算天然氣偏差系數(shù)Z，進(jìn)而計(jì)算壓力p，p2下的氣體體積系數(shù)Bg1，Bg2。

式中：psc為地面標(biāo)準(zhǔn)壓力，MPa；Tsc為地面標(biāo)準(zhǔn)溫度，K；pn為對(duì)應(yīng)地層壓力，MPa；Tn為對(duì)應(yīng)地層溫度，K。

4）由式（1）計(jì)算高壓氣層產(chǎn)出量GP，由式（2）計(jì)算低壓水層氣體充注后的壓力p2，進(jìn)而得出高壓層泄壓后地層壓力pnew（pnew=p2+3）。

5）比較初始輸入壓力p與pnew的差距，若不在誤差允許范圍之內(nèi)，即則將p-5后返回步驟1）中再次計(jì)算，重復(fù)步驟1）—4）；若在誤差允許范圍之內(nèi)，即則可求得高壓層泄壓后的地層壓力p，并得出高壓層的泄出氣量GP。

4　應(yīng)用

按巖性、構(gòu)造圈閉分別計(jì)算高壓氣藏的儲(chǔ)量，針對(duì)異常高壓層對(duì)低壓層進(jìn)行充注問題，按上述借助物質(zhì)平衡方程所建立的方程組，依照迭代求解思路，以高壓氣層不同儲(chǔ)量規(guī)模為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)鉆地層參數(shù)，對(duì)高壓氣體竄入低壓層的氣量及充注平衡后的壓力進(jìn)行了計(jì)算，以此對(duì)工程安全性進(jìn)行快速評(píng)估。具體計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表1。

表1　氣竄量及平衡壓力計(jì)算結(jié)果

從表1的計(jì)算結(jié)果來看：高壓氣藏儲(chǔ)量規(guī)模為9× 108m3時(shí)，即使發(fā)生高低壓層間的氣竄，氣竄量為2.72×108m3，氣竄后低壓層地層壓力僅上升至42.00 MPa，小于該層的破裂壓力（48.77 MPa），低壓層不會(huì)被壓破，亦不會(huì)形成安全隱患，無需再次采取措施；高壓氣藏儲(chǔ)量規(guī)模為40×108m3時(shí)，氣竄量為14.64×108m3，低壓層經(jīng)竄入氣體充注，地層壓力最終達(dá)52.00 MPa，已高于該層破裂壓力，高壓氣體存在進(jìn)一步上竄的可能，危險(xiǎn)系數(shù)較高，亟需針對(duì)安全隱患采取諸如鉆救援井進(jìn)行泄壓等應(yīng)急措施。

5　結(jié)論

1）將經(jīng)典物質(zhì)平衡方法引入鉆井決策中，對(duì)高壓氣體上竄至上部低壓儲(chǔ)層后的壓力及氣竄量進(jìn)行了計(jì)算。該方法可快速得出分析結(jié)果并進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)緊急快速?zèng)Q策（是否緊急調(diào)動(dòng)鉆井船等資源進(jìn)行鉆井作業(yè)）具有較強(qiáng)的參考作用，可有效避免盲目決策導(dǎo)致的高額操作費(fèi)用。

2）本文旨在利用基礎(chǔ)方法解決工程問題的應(yīng)用實(shí)踐，拓寬了物質(zhì)平衡方法的應(yīng)用領(lǐng)域。該方法中關(guān)鍵參數(shù)的取值精度雖高，但由于方程限定條件仍相對(duì)較為理想，需進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬等方法來確定氣竄量及地層壓力變化。

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（編輯趙衛(wèi)紅）

New application of material balance method in fast drilling decision

ZHANG Fengxi1，LI Shiqi2，MU Zhelin1，MA Guoxin1
（1.Shanghai Petroleum Corporation Ltd.，Shanghai 200041，China；2.CCDC International Ltd.，Chengdu 610051，China）

Some dangerous situation appeared to the side well with exploring and developing purpose in some offshore drilling and production platform.The overpressure interval was successfully plugged after a series of relieve measures.If the high-pressure gas breaks through the sealed plug and enters into the Upper Formation with lower pressure，some complex problems may happen and the safety of the platform may be influenced.It is very urgent to carry out one or even more relief wells，which will need more drillships and high operating cost.On the basis of the evaluation of reserves of high-pressure gas reservoir，the breakthrough gas volume and the variation in pressure are calculated by use of material balance method from the reservoir engineering，which can provide some

for the project decision making and avoid the high cost due to blind decision.

material balance；drilling decision；abnormal pressure gas reservoir；gas migration

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)2013年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”能源與海洋領(lǐng)域項(xiàng)目子課題“平湖油氣田后期勘探與開采技術(shù)研究”（13DZ1203500）

TE21

A

10.6056/dkyqt201605025

2016-02-16；改回日期：2016-07-27。

張鳳喜，男，1984年生，工程師，碩士，主要從事油氣田開發(fā)動(dòng)態(tài)分析研究工作。電話：021-22831403；E-mail：zhangfx@ shpc.com.cn。

引用格式：張鳳喜，李世奇，牟哲林，等.物質(zhì)平衡方法在快速鉆井決策中的新應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：655-657.

ZHANG Fengxi，LI Shiqi，MU Zhelin，et al.New application of material balance method in fast drilling decision［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：655-657.