鉆井井控技術(shù)中有關(guān)問題探討

王高杰

（1.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)建設(shè)工程事業(yè)部，河北 唐山 063200；2.長江大學(xué)研究生院，湖北 武漢 430100）

鉆井井控技術(shù)中有關(guān)問題探討

王高杰1，2

（1.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)建設(shè)工程事業(yè)部，河北 唐山 063200；2.長江大學(xué)研究生院，湖北 武漢 430100）

為了提高壓井施工的質(zhì)量，實現(xiàn)“壓而不死，活而不噴”，對壓井施工現(xiàn)場中數(shù)據(jù)選取模糊和過程控制粗糙的環(huán)節(jié)進行研究是非常必要的。針對目前現(xiàn)場壓井施工的現(xiàn)狀，文中對2個井控關(guān)鍵問題——壓井中安全附加值的選擇和氣侵壓井施工中井口套壓最大安全控制值進行了討論。通過分析壓井現(xiàn)場圈閉壓力、壓力波動、附加密度和壓力的對應(yīng)關(guān)系等因素對附加值選擇的影響，以及根據(jù)“U”形管模型原理及氣體平衡公式推導(dǎo)了壓井施工中井口套壓和套管鞋處壓力的變化關(guān)系，提出了壓井中安全附加值選取和不同階段井口套壓最大安全控制值的一些建議，以便為現(xiàn)場溢流險情發(fā)生后實施高效、高質(zhì)、科學(xué)的壓井施工提供參考。

氣侵；套壓；最大值；安全附加值；圈閉壓力；井控；壓井

0 引言

鉆井井控是石油與天然氣勘探開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，是安全生產(chǎn)工作中的重中之重［1］。當今國內(nèi)井控理論及工藝技術(shù)已基本成熟，井噴事故比例逐年降低，但在出現(xiàn)溢流險情進行壓井處理過程中，仍存在一些技術(shù)措施介紹粗糙、操作模糊的問題，導(dǎo)致壓井失敗、壓漏地層等復(fù)雜情況發(fā)生，給現(xiàn)場壓井施工造成一定的風(fēng)險和資源浪費。

為了保證發(fā)生溢流后制定的壓井施工方案合理，壓井過程中有效控制井下溢流的同時，不發(fā)生地層漏失等復(fù)雜情況，進行科學(xué)壓井，筆者對2個井控關(guān)鍵問題——壓井中安全附加值的選擇和氣侵壓井施工中井口套壓最大安全控制值進行了分析，并提出建議，以提高現(xiàn)場壓井施工的質(zhì)量，確保井控安全。

1 壓井中安全附加值的選擇

1.1 現(xiàn)狀

在鉆井過程中，鉆井液密度以各裸眼井段中的最高地層孔隙壓力當量鉆井液密度值為基準?？紤]到油層段鉆進時巖屑中的油氣對鉆井液的影響和起鉆抽吸壓力、液面下降對井底壓力的影響，需要另外增加一個安全附加值，以保證安全鉆進和起鉆。

我國石油行業(yè)的規(guī)定一般為［2］：油水井附加密度 0.05～0.10 g/cm3或增加井底壓力 1.5～3.5MPa；氣井附加密度 0.07～0.15 g/cm3或增加井底壓力 3.0～5.0MPa。目前在各鉆井施工現(xiàn)場發(fā)生溢流關(guān)井后，壓井液密度的設(shè)計，也按照上述安全附加值的規(guī)定進行附加（淺層氣除外）。

1.2 存在問題

1.2.1 圈閉壓力未充分考慮

如果存在圈閉壓力未釋放［3］，附加上密度或壓力安全附加值后，極易壓漏地層。發(fā)生溢流后，鉆井泵未停穩(wěn)前就完成關(guān)井，或氣侵發(fā)現(xiàn)比較晚，關(guān)井后氣體已開始滑脫上升，都會產(chǎn)生圈閉壓力。而目前鉆井施工現(xiàn)場對圈閉壓力釋放的意識淡薄，很少有鉆井隊在關(guān)井后判斷并釋放圈閉壓力。圈閉壓力會增加整個井筒各處的壓力，不進行釋放計算的壓井液密度會大于實際需要密度，此時如果附加密度或壓力過大，很可能在壓井時壓漏地層。

如高×井氣侵后未及時發(fā)現(xiàn)，關(guān)井后套壓逐漸升高，最終穩(wěn)定在11MPa。鉆井隊未及時求取立管壓力，且未釋放圈閉壓力。確定壓井液密度時，使用了過高的關(guān)井立管壓力［4-5］，同時附加了0.15 g/cm3密度安全附加值，造成壓井施工中發(fā)生井漏。整個壓井過程漏失35m3壓井液，最終承壓堵漏后壓井成功。

1.2.2 壓力波動難以有效控制

附加的密度或壓力會直接作用到套管鞋位置，再加上壓井過程中產(chǎn)生的壓力波動和環(huán)空壓耗［6］，很容易造成井漏。

這是由于在壓井液密度中附加一定密度或在井口附加一定壓力，附加的密度和壓力都會作用在井下各個位置，由于壓力傳遞的滯后性，在節(jié)流閥控制時可能會有很大的波動，再加上套管鞋以上環(huán)空的摩阻作用在套管鞋處，最終在壓井過程中極易造成薄弱地層發(fā)生漏失。

1.2.3 附加密度和壓力與井深的關(guān)系不清楚

附加密度或壓力的選取不當，最終會導(dǎo)致井漏。由于井深的不同，附加密度和壓力對井底壓力產(chǎn)生的作用是不同的（見圖1）［7］。從圖1可以看出：對于深井，附加密度對井底壓力產(chǎn)生的作用較大；對于淺井，附加壓力對井底壓力產(chǎn)生的作用較大。如果選取附加參數(shù)錯誤，例如深井選用了附加密度，將在井底產(chǎn)生很大壓力，最終造成井漏。

如××井鉆至井深5206 m時發(fā)生氣侵，關(guān)井后套壓5.5MPa，處理過程中附加0.15 g/cm3密度安全附加值，導(dǎo)致壓井過程中發(fā)生井漏，最后先進行堵漏后壓井成功。

圖1 油水井和氣井附加密度和壓力與井深的關(guān)系

1.3 建議

環(huán)空壓耗一般為0.7～1.4MPa，是最好的安全附加值，但其在壓井中經(jīng)常被忽略［8］。綜合考慮上述問題，為了降低其他因素對井筒造成的累加影響，建議在壓井過程中不附加密度或壓力，直接采用根據(jù)準確讀取的關(guān)井立管壓力計算得到的壓井液密度進行壓井施工。壓井施工結(jié)束后，按照下步施工要求適當調(diào)整附加密度或壓力后，再繼續(xù)施工。

2 氣侵壓井中井口套壓最大安全控制值

2.1 現(xiàn)狀

發(fā)生溢流關(guān)井時，最大關(guān)井套壓值應(yīng)不大于井口裝置的額定工作壓力、套管最小抗內(nèi)壓強度的80%所允許的關(guān)井壓力、地層破裂壓力所允許的關(guān)井套壓值三者中的最小值［3，9-11］。通常情況下，井口裝置的額定工作壓力要與地層壓力相匹配，井口裝置按照規(guī)定選擇、安裝、試壓后，其承壓能力應(yīng)完全滿足關(guān)井的要求。在一口設(shè)計正確的井中，井口裝置的額定工作壓力最大，地層破裂壓力最小，因此最大允許關(guān)井套壓值的確定一般取決于地層破裂壓力允許的關(guān)井套壓值。

在各鉆井施工現(xiàn)場中，一般會根據(jù)地層破裂壓力試驗情況在節(jié)流管匯處放置關(guān)井壓力提示牌。為了防止壓漏地層，保障井下安全，現(xiàn)場通常的做法是：發(fā)現(xiàn)溢流關(guān)井和壓井的整個處理過程中，都要保證井口套壓低于關(guān)井壓力提示牌中相應(yīng)鉆井液密度下的最大允許套壓值。當井口套壓即將超過最大允許套壓值時，要采取相應(yīng)的措施來降低井口套壓［12］。而在按照正常的壓井曲線進行壓井施工時，只能通過打開節(jié)流閥來降低套壓或阻止套壓繼續(xù)升高，這樣的操作會降低井底壓力，導(dǎo)致溢流不能有效控制，從而壓井失敗，增加壓井施工次數(shù)，甚至使事故進一步復(fù)雜惡化。

2.2 壓力變化關(guān)系

由于氣體具有可壓縮性和膨脹性等特殊性質(zhì)，且密度遠低于鉆井液，從而使得發(fā)生氣體溢流的處理難度遠大于油或水的溢流。目前鉆井施工現(xiàn)場常用的壓井方法是司鉆法和工程師法［13］。司鉆法需要經(jīng)過2周循環(huán)進行壓井，第1周循環(huán)用原鉆井液排出被污染鉆井液，第2周循環(huán)用壓井液替換原鉆井液；工程師法則直接用配制好的壓井液替換出被污染鉆井液。發(fā)生氣侵后一般采用司鉆法，和工程師法相比，司鉆法的第1周最大套壓略高［14-15］，危險系數(shù)略大。綜合考慮，所以本文對氣體溢流時采用司鉆法第1周循環(huán)時的壓力變化進行分析。

假設(shè)條件為：1）溢流氣體在井底形成氣柱；2）忽略壓井過程中溫度對氣柱的影響；3）忽略壓井過程中地層滲透進入井筒的氣體；4）忽略氣柱質(zhì)量；5）鉆頭在井底位置；6）鉆柱按照全井鉆桿計算；7）壓井過程中通過控制立管壓力使井底受力平衡。

根據(jù)“U”形管模型原理和氣體平衡公式［16］，對氣柱、井口和井底進行受力分析，最終得到壓井過程中井口套管和套管鞋處壓力的變化關(guān)系。

2.2.1 井口套壓

整個壓井過程中，井口套壓為

式中：pa為井口套壓，MPa；pp為地層壓力，MPa；ρm為原鉆井液密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；H為井眼垂直深度，m；A為環(huán)空截面積，m2；ΔV為溢流體積，m3；V為泵入壓井液量，m3。

2.2.2 套管鞋處壓力

1）氣柱從井底上升到氣柱頂部到達套管鞋位置的過程中，套管鞋處壓力為

式中：ps為套管鞋處的壓力，MPa；Hf為套管鞋處的垂深，m。

2）氣柱經(jīng)過套管鞋位置，直到氣柱完全進入套管的過程中，套管鞋處壓力為

3）氣柱完全進入套管后，上升到井口并逐漸釋放直到壓井結(jié)束的過程中，套管鞋處壓力為

2.2.3 壓力變化關(guān)系

圖2a為壓井過程中氣柱在井筒中不同位置的示意（紅色區(qū)域為氣柱），圖2b為氣柱上升到不同位置時井口套壓和套管鞋處壓力的變化曲線（其中，1—5對應(yīng)圖2a中的5個相應(yīng)位置）。從圖2可以看出：壓井過程中，隨著氣柱從井底上升，套管鞋處壓力也逐漸升高，當上升到A點（氣柱上升到套管鞋位置）時，套管鞋處壓力達到最大值，隨后降低至B點，之后保持不變；井口套壓逐漸升高，到C點（氣柱上升到井口位置）時，井口套壓達到最大值，之后下降后保持不變。

圖2 氣柱在不同位置時井口套壓和套管鞋處壓力變化關(guān)系

2.3 建議

井口裝置的額定工作壓力、套管最小抗內(nèi)壓強度的80%所允許的關(guān)井壓力、地層破裂壓力所允許的關(guān)井套壓值，是限制最大關(guān)井套壓值的3個關(guān)鍵安全壓力值。井口裝置的額定工作壓力指井口防噴器的額定壓力，同時由于井筒中上一開次的技術(shù)套管外有水泥和地層包圍克服套管內(nèi)流體內(nèi)壓，壓力保持平衡狀態(tài)，最弱位置在井口處，所允許的最大關(guān)井壓力為套管最小抗內(nèi)壓強度的80%，因此井口裝置的額定工作壓力和套管最小抗內(nèi)壓強度的80%所允許的關(guān)井壓力屬于井口安全的限制壓力。而地層破裂壓力試驗一般在套管鞋以下第1個砂層或套管鞋以下3～5 m位置處，位于裸眼段地層最上部，是裸眼地層最薄弱的地層，因此地層破裂壓力屬于井下安全的限制壓力。根據(jù)圖2b變化曲線可知：按照正常的壓井曲線進行施工時，氣柱（或污染鉆井液）到達套管鞋位置時，套管鞋處壓力達到最大值，此值由地層破裂壓力所允許的關(guān)井套壓值限制；氣柱（或污染鉆井液）上升到井口時井口壓力達到最大值，此值由套管最小抗內(nèi)壓強度的80%和井口裝置的額定工作壓力限制。

綜上所述，壓井過程中井口套壓允許最大安全控制值的建議為：壓井時氣柱（或污染鉆井液）到達套管鞋位置前，井口套壓允許最大控制值為地層破裂壓力所允許的關(guān)井套壓值；當氣柱（或污染鉆井液）進入套管內(nèi)后直到壓井結(jié)束，井口套壓允許最大控制值為套管最小抗內(nèi)壓強度的80%和井口裝置額定工作壓力值兩者中較小值。

3 結(jié)論

1）壓井施工的核心是保持井底壓力平衡地層壓力，保證井筒及井口安全。為了提高壓井質(zhì)量，有效保護油氣層，在發(fā)生溢流險情壓井時，不附加安全密度或壓力，也能保持井底壓力和地層壓力平衡，但前提是壓井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)必須準確，如關(guān)井立管壓力、低泵沖實驗壓力等。

2）壓井施工中井筒中各點受力有一定的變化規(guī)律，保持井口套壓始終小于最大允許關(guān)井套壓值的要求過于籠統(tǒng)，只要保證按照壓井曲線控制立管壓力來保持井底處于平衡狀態(tài)，氣柱（或污染鉆井液）進入套管后就相對安全，井口套管對應(yīng)的安全壓力控制值由套管最小抗內(nèi)壓強度80%和井口裝置額定工作壓力兩者中較小值確定。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Discussion on well control technology of drilling

WANG Gaojie1，2
(1.Exploration and Development Construction Department,Jidong Oilfield Company,PetroChina,Tangshan 063200,China;2.Graduate School of Yangtze University,Wuhan 430100,China)

In order to improve the quality of well killing and realizequot;press but not die,flexible without sprayingquot;,it is of great significance to accurately study and analyze the data selection and process control sessions of well killing.Considering the present situation of well killing,two questions,quot;the selection of safety added value for well killingquot;andquot;the maximum safety control value of casing pressure in the construction of gas-penetrated wellsquot;,are analyzed and discussed.By analyzing the impact of the trapped pressure,the pressure fluctuation,the additional density and the pressure on selection of safety value and the relationship between the pressure variation in the wellhead and the casing shoe in the construction of the pressure well based on thequot;Uquot;model and the formula of gas balance,some suggestions onquot;the selection of safety added value for the pressure wellquot;andquot;the maximum safety control value of casing pressure in the construction of gas-penetrated wellsquot;are pointed out,which are very helpful for high efficient,high-quality and scientific well killing after the occurrence of overflow in the field.

gas invasion;casing pressure;maximum;safety added value;trap pressure;well control;well killing

TE28

A

10.6056/dkyqt201706026

2017-05-03；改回日期：2017-08-31。

王高杰，男，1986年生，工程師，2010年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井井控技術(shù)管理工作。E-mail：gao6010325@126.com。

王高杰.鉆井井控技術(shù)中有關(guān)問題探討［J］.斷塊油氣田，2017，24（6）：851-854.

WANG Gaojie.Discussion on well control technology of drilling［J］.Fault-Block Oilamp;Gas Field，2017，24（6）：851-854.