從典型井噴案例談一次循環(huán)法壓井工藝

張桂林

(中石化勝利石油工程有限公司，山東東營 257000)

油氣井鉆井過程中，由于對地層壓力預(yù)測不夠準(zhǔn)確等原因，難免會發(fā)生溢流與井噴等井下故障，如果處理不當(dāng)，往往會造成填井重鉆、井眼報廢等嚴(yán)重后果[1-6]。因此，采取合理的壓井方法至關(guān)重要。在發(fā)生溢流后，只要鉆具水眼暢通、能夠正常循環(huán)，就可以應(yīng)用一次循環(huán)法(即工程師法、等待加重法)壓井工藝。應(yīng)用該工藝壓井時，直接從鉆具內(nèi)注入壓井液，將井眼環(huán)空中受油氣污染的鉆井液頂替排出，壓井液返至井口后壓井結(jié)束。該壓井作業(yè)在一個循環(huán)周內(nèi)完成，具有壓井時間短、見效快的優(yōu)點[1-4]。但是，近年來國內(nèi)多口油井在發(fā)生井噴后，采用一次循環(huán)法壓井工藝壓井時，因?qū)畠?nèi)壓力平衡問題認(rèn)識不到位、套壓控制不當(dāng)、壓井排量不合理等原因，導(dǎo)致壓井不成功，雖然采取其他壓井措施進行了補救，但造成了巨大的浪費[5-7]。因此，以元壩272-1H井和清溪1井壓井作業(yè)為例，分析了其一次循環(huán)法壓井失敗的原因，并以井內(nèi)壓力平衡控制為基礎(chǔ)，給出了環(huán)空仍然有鉆井液和環(huán)空噴空2種情況下的一次循環(huán)法壓井工藝，以提高該壓井方法的可操作性，實現(xiàn)快速壓井并恢復(fù)正常鉆井施工。

1 一次循環(huán)法壓井中存在的主要問題

一次循環(huán)法壓井方法是最基本、最常用的壓井方法，但實際應(yīng)用中卻存在一些問題。例如:元壩272-1H井在固井替漿過程中發(fā)生溢流后，采用一次循環(huán)法壓井2次均未成功，后采用了平推法壓井才取得成功[5]；清溪1井發(fā)生溢流關(guān)井后，初期應(yīng)用一次循環(huán)法壓井2次基本取得成功，但在循環(huán)排氣時因憋泵而停泵觀察，再次開泵循環(huán)時環(huán)空液面上升，經(jīng)多次開泵循環(huán)，井眼情況持續(xù)惡化，被迫放噴點火，后因環(huán)空噴空，先后組織了3次搶險壓井，最后注水泥封井棄井。上述2口井在溢流和井噴后，都是在井眼內(nèi)鉆井液可循環(huán)狀態(tài)下進行壓井，但都未成功。究其原因，主要是對井內(nèi)壓力平衡問題認(rèn)識不清、套壓控制不當(dāng)和壓井排量不合理，一次循環(huán)法壓井工藝的可操作性也比較差。

1.1 對井內(nèi)壓力平衡問題認(rèn)識不清

元壩272-1H井固井前鉆井液密度為2.18 kg/L，井內(nèi)壓力處于平衡狀態(tài)，表明地層壓力系數(shù)不高于2.18。發(fā)生溢流后，采用密度為2.38和2.40 kg/L的壓井液2次節(jié)流循環(huán)壓井后，套壓降至0，立壓為4 MPa，表明此時井內(nèi)壓井液可以平衡地層壓力，應(yīng)繼續(xù)循環(huán)排氣，并適當(dāng)提高壓井液密度。但是，現(xiàn)場壓井時卻采取了關(guān)井觀察2 h的方案，結(jié)果套壓升至13 MPa，立壓升至12 MPa，導(dǎo)致一次循環(huán)法壓井失敗。最終采用平推法壓井，擠注密度為1.90 kg/L的水泥漿15 m3并全部推入套管重疊段，壓井成功。

清溪1井發(fā)生溢流時鉆井液密度為1.60 kg/L，關(guān)井套壓升至20.00 MPa后發(fā)生井漏，再次溢流關(guān)井時套壓最高升至4.15 MPa，據(jù)此分析地層壓力系數(shù)應(yīng)低于1.70[3]。該井在環(huán)空噴空后，關(guān)井套壓升至56.40 MPa并且繼續(xù)升高，打開5條放噴管線放噴后，套壓僅為2.00～5.00 MPa，這表明此時井眼內(nèi)存在大于50.00 MPa的氣體流動阻力仍作用于井底。但由于未對井下壓力平衡狀況進行詳細(xì)分析，采用了密度為2.05～2.20 kg/L的壓井液壓井，發(fā)生了井漏，漏失了大量壓井液，壓井失敗最終注水泥封井棄井。

1.2 套壓控制不當(dāng)

壓井作業(yè)中，要盡量使井底壓力與地層壓力相平衡，而井底壓力等于環(huán)空液柱壓力、環(huán)空流動阻力與套壓之和。因此，在壓井液密度、排量已經(jīng)確定的情況下，隨著環(huán)空中壓井液不斷上返，液柱壓力逐漸增大，套壓應(yīng)該逐漸降低，直至降為0。但在元壩272-1H井和清溪1井的壓井過程中，并未這樣控制套壓。

在元壩272-1H井2次循環(huán)壓井中，都按高套壓進行控制，控制套壓上限分別為50和55 MPa，2次壓井注入的壓井液體積均超過循環(huán)段井眼容積。因控制套壓太高制約了環(huán)空中壓井液上返，并因井底壓力過高而造成井漏，壓井液既有上返也有漏失，因而套壓降低幅度有限，壓井未能成功。第2次循環(huán)壓井結(jié)束時，套壓為12 MPa，但停泵后套壓為0，說明壓井作業(yè)中對套壓的控制是不合理的。該井采用一次循環(huán)法壓井工藝本來可以成功控制溢流，第2次壓井后套壓已經(jīng)降至0，且能夠起出5柱鉆桿至井深3 935.00 m，再關(guān)井采用平推法壓井成功，就說明了這個問題。

在清溪1井第1次搶險壓井中，套壓始終控制在12 MPa，壓井液開始進入環(huán)空時被高速氣流霧化，隨后因壓井液密度高、排量大而發(fā)生井漏，環(huán)空中無法形成有效液柱，從而無法建立井內(nèi)壓力平衡，壓井失?。辉诘?次搶險壓井中，未根據(jù)環(huán)空中壓井液上返高度來控制套壓，仍然發(fā)生井漏，壓井再次失敗。該井搶險壓井時井眼環(huán)空已噴空，在這種情況下壓井，理應(yīng)根據(jù)環(huán)空液面升高高度降低套壓，防止發(fā)生井漏，使液柱穩(wěn)定升至井口。在2次壓井作業(yè)中，都沒有考慮液面升高與套壓變化的關(guān)系，忽視井漏問題，導(dǎo)致壓井失敗。

1.3 壓井排量不合理

清溪1井壓井作業(yè)時采用了2.0～2.6 m3/min的大排量，違背了低泵速小排量壓井的基本原則[1-3，8]。壓井開始后，井內(nèi)氣體仍高速噴出，受高速氣流的影響，大排量注入的高密度壓井液在井眼環(huán)空中的上返阻力大，加上套壓控制不當(dāng)，井底壓力過高而造成井漏，壓井液大量漏失而不能在環(huán)空形成液柱，無法建立井內(nèi)壓力平衡，導(dǎo)致壓井失敗。

1.4 一次循環(huán)法壓井工藝可操作性差

一次循環(huán)法壓井工藝通過控制立壓來進行，雖然理論上正確但操作難度很大，一直存在著耗費時間長、材料消耗大甚至造成壓井失敗的問題。分析認(rèn)為，主要原因為：1) 立壓表與節(jié)流閥之間的距離長，壓力反應(yīng)滯后問題無法解決，難以實現(xiàn)較準(zhǔn)確的操作；2) 在溢流關(guān)井后等待壓井時間長，侵入井眼的氣體量將會不斷增加，從而增加了壓井難度；3) 不能控制注入排量與排出流量相等(氣體集中段排出后)，壓井作業(yè)中溢流或漏失難以避免；4) 不能閉環(huán)循環(huán)壓井，增加了壓井液用量，排出的原鉆井液與受污染鉆井液增加了地面與儲罐占用。

2 一次循環(huán)法壓井工藝

現(xiàn)有井控標(biāo)準(zhǔn)中，沒有可操作性強的一次循環(huán)法壓井工藝，不能規(guī)范壓井作業(yè)，并且標(biāo)準(zhǔn)自身也存在一些問題[8-11]。為此，以井內(nèi)壓力平衡為基礎(chǔ)，提出了環(huán)空仍然有鉆井液和環(huán)空噴空2種情況下的一次循環(huán)法壓井工藝。

2.1 環(huán)空仍然有鉆井液的情況

發(fā)生溢流關(guān)井，環(huán)空仍然有鉆井液時，依據(jù)U形管原理進行壓井設(shè)計與計算，見圖1。

圖1 關(guān)井期間U形管原理示意Fig.1 The principle of U tube during shut-in

關(guān)井時井內(nèi)壓力平衡關(guān)系為：

pp=pb=pd+pmd=pa+pma

(1)

循環(huán)時井內(nèi)壓力平衡關(guān)系為：

pp=pb=pcd+pmd-pld-plb=pma+paj+pla(2)

式中：pp為地層壓力，MPa；pb為井底壓力，MPa；pd為關(guān)井立壓，MPa；pmd為鉆柱內(nèi)靜液柱壓力，MPa；pa為關(guān)井套壓，MPa；pma為環(huán)空內(nèi)靜液柱壓力，MPa；pcd為循環(huán)時的立壓，MPa；pcd=pc+pd；pc為正常(開井)循環(huán)時的立壓，MPa；pld為鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗，MPa；plb為鉆頭水眼循環(huán)壓耗，MPa；pla為環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；paj為節(jié)流壓力(井口回壓)，MPa。

2.1.1 主要壓井參數(shù)的計算

根據(jù)油氣井所處區(qū)域或溢流關(guān)井?dāng)?shù)據(jù)確定溢流類型后，需計算主要壓井參數(shù)，并制定壓井方案。

1) 錄取關(guān)井立壓。關(guān)井立壓pd是壓井參數(shù)計算的源頭數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)鉆具組合中是否裝有回壓閥，分別采取不同的錄取方法，詳見文獻[1-3]。

2) 計算地層壓力。地層壓力是確定合理壓井液密度的主要依據(jù)，計算公式為：

pp=pd+pmd

(3)

3) 確定壓井液密度。以計算出的地層壓力當(dāng)量密度為基礎(chǔ)，增加一個密度附加值，即為壓井液密度，計算公式為：

(4)

式中：ρe為鉆井液密度附加值，油水井一般取0.05～0.10 kg/L，氣井一般取0.07～0.15 kg/L[1-3，8-10];H為井深，m;ρmk為壓井液密度，kg/L。

4) 計算壓井立壓。一次循環(huán)法壓井曲線見圖2(圖2中：pTi為初始總立壓，MPa；pTf為終了總立壓，MPa)。由圖2可知：0—t1時間段內(nèi)，壓井液到達鉆頭，立壓由pTi降至pTf；t1—t4時間段內(nèi)，壓井液由井底返至井口，立壓保持pTf不變[1-3]。

圖2 一次循環(huán)法(工程師法)壓井曲線Fig.2 Killing curve of the engineer’s method

PTi和PTf的計算公式分別為：

pTi=pd+pci

(5)

pTf=pciρmk/ρm

(6)

式中：pci為壓井排量下的循環(huán)壓力，MPa；ρm為鉆井液密度，kg/L。

5) 確定壓井套壓。壓井液到達鉆頭時的套壓峰值和溢流頂面到達井口時的套壓峰值，其計算公式較為復(fù)雜[1-3]，可以將壓井套壓計算值作為壓井作業(yè)的參考，也可根據(jù)防噴器額定壓力、套管抗內(nèi)壓強度與地層漏失壓力進行控制[8-11]。

6) 確定壓井液用量。壓井液用量按照鉆柱內(nèi)容積、井眼環(huán)空容積和地面循環(huán)系統(tǒng)容積確定，一般取總?cè)莘e的1.5～2.0倍[1-3]。

7) 計算壓井時間。壓井時間包括鉆柱內(nèi)及井眼環(huán)空中注滿壓井液所需時間，根據(jù)壓井排量和井內(nèi)容積確定，壓井液排量一般取正常鉆進時鉆井液排量的1/3～1/2[1-3，8-11]。

2.1.2 壓井工藝

1) 開始壓井前，應(yīng)清楚套壓達到最高值的時間(即圖2中的t2)，做好調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制套壓的準(zhǔn)備。

2) 開始壓井后，根據(jù)立壓變化控制節(jié)流閥，但應(yīng)考慮壓力傳遞的滯后問題，根據(jù)井深進行延遲控制。

3) 壓井過程中，時刻注意立壓及套壓的變化。壓井初始階段，立壓會逐步降低，當(dāng)壓井液由井底返至井口時，立壓保持不變；套壓逐步升高轉(zhuǎn)為快速降低，壓井液返出井口后套壓降至接近0。

4) 繼續(xù)循環(huán)排氣，測量返出的壓井液密度，如果接近注入的壓井液密度，說明注入排量與返出流量相等，壓井結(jié)束。

對于高壓氣井溢流壓井，存在氣體竄槽影響頂替效率的現(xiàn)象，可以通過適當(dāng)延長循環(huán)排氣時間的方法來解決。但是，應(yīng)嚴(yán)防井漏，在確保不漏失的前提下排出氣體，建立井內(nèi)壓力平衡。

2.2 環(huán)空噴空后的情況

井眼環(huán)空噴空后，環(huán)空充滿高壓氣體，鉆具內(nèi)仍然充滿鉆井液，清溪1井搶險壓井即為這種狀況。由于環(huán)空已沒有液柱壓力(忽略氣柱壓力)，套壓達到最高(接近地層壓力)。根據(jù)井內(nèi)連通狀況，仍然依據(jù)U形管原理進行分析，見圖3。

圖3 井眼環(huán)空噴空后關(guān)井期間U形管原理示意Fig.3 The principle of U tube during shut-in after the well is fully emptied

關(guān)井時井內(nèi)壓力平衡關(guān)系為：

pp=pb=pd+pmd=pa

(7)

開始循環(huán)時井內(nèi)壓力平衡關(guān)系為：

pp=pb=pcd+pmd-pld-plb=paj+pla′(8)

式中：pla′為環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa。

在環(huán)空噴空情況下，若忽略氣柱壓力，則關(guān)井情況下套壓pa與地層壓力pp基本相等。壓井時環(huán)空存在氣體流動摩擦阻力(即環(huán)空循環(huán)壓耗)pla′，立壓與套壓的變化與環(huán)空有鉆井液的狀況一致。關(guān)井立壓錄取、地層壓力、壓井液密度、壓井液用量、壓井立壓和壓井時間的計算與環(huán)空仍然有鉆井液的情況下計算方法相同，但壓井套壓的控制方法則并不相同。典型壓井曲線見圖4和圖5。

圖5 井眼噴空后不同壓差下的壓井曲線Fig.5 Killing curves under different pressure differences after the well is fully emptied

2.2.1 壓井套壓的合理控制

井眼環(huán)空噴空后，因為環(huán)空全為氣體，這與環(huán)空仍然有鉆井液時氣體返出井口的過程類似。不同的是，壓井開始時套壓最高，在壓井過程中套壓逐漸降低，直至降至0。壓井過程中套壓隨著液柱上返的變化情況見圖6。

圖6 壓井過程中套壓隨著液柱上返的變化過程Fig.6 Variation of casing pressure with the upward return of liquid column during killing process

井眼噴空情況下，一次循環(huán)法壓井作業(yè)時套壓控制分2種情況：1)條件允許，可以全關(guān)井(節(jié)流閥全關(guān)閉)；2)條件不允許，不能全關(guān)井，只能部分關(guān)井(節(jié)流閥不全關(guān)閉)。這2種情況下壓井，開始壓井時套壓最高，之后不應(yīng)再高于該套壓值。合理控制套壓，既要防止液柱受污染發(fā)生混摻、竄槽等而影響液柱壓力，又要防止發(fā)生漏失而無法形成有效液柱。

1) 全關(guān)井情況下的壓井。壓井前，油氣井處于全關(guān)井狀態(tài)，地層氣體不能進入井眼。開始壓井后，鉆井液與壓井液從鉆頭進入環(huán)形空間上返并逐步形成液柱，套管壓力逐步降低，氣體仍不能進入井眼。如圖4所示，在0—t1時間段內(nèi)，壓井液到達鉆頭后，鉆柱內(nèi)原鉆井液進入環(huán)空，套壓由pa降至pa1；在t1—t2時間段內(nèi)，壓井液進入環(huán)空并返至井口，套壓由pa1降至0。兩個階段內(nèi)套壓都是穩(wěn)定降低的，但第2階段降低幅度更大，井眼處于受控狀態(tài)，氣體不能進入井眼。

2) 部分關(guān)井情況下的壓井。在這種情況下，地層壓力高于允許關(guān)井套壓，其差值為Δpa，因而需要在環(huán)空中形成一定高度的壓井液柱，與套壓一起來平衡地層壓力pp，即Δpa+pa=pp。壓井前，關(guān)小節(jié)流閥開度使套壓達到最大允許壓力，此時地層中的氣體繼續(xù)進入井眼并噴出地面。開始壓井后，保持最大允許關(guān)井套壓直到環(huán)空液柱壓力達到Δpa后，開始逐步增大節(jié)流閥開度來降低套壓，其壓井曲線如圖5所示。如果套壓與地層壓力的差值較小，鉆柱內(nèi)的鉆井液進入環(huán)空后能在較短時間內(nèi)形成液柱，即能達到壓力平衡，然后套壓開始降低，見圖5(a)；如果套壓與地層壓力的差值較大，鉆井液與壓井液進入環(huán)空后需在較長時間內(nèi)形成較高液柱后才能達到壓力平衡，然后套管壓力開始降低，見圖5(b)。

2.2.2 壓井工藝2.2.2.1 全關(guān)井情況下的壓井

1) 壓井前，應(yīng)清楚壓井液到達井底的時間t1和套壓降至的壓力值pa1(見圖4)，做好調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制套壓的準(zhǔn)備。

2) 壓井開始后保持排量穩(wěn)定，在0—t1時間段內(nèi)調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制立壓和套壓的變化，應(yīng)考慮壓力傳遞滯后的問題。

3) 壓井液到達鉆柱底部后，立壓從pTi降至pTf，此后保持不變，套壓由pa降至pa1。

4) 在t1—t2時間段內(nèi)，壓井液進入環(huán)空并返至井口。根據(jù)時間與壓井液上返高度控制套壓逐步降低，直至壓井液返出井口，套壓降至0。該過程中立壓基本不變。

5) 繼續(xù)循環(huán)排氣，觀察壓井液返出情況，測量返出壓井液的密度，如果接近注入壓井液的密度，注入排量與返出流量相等，則壓井結(jié)束。

2.2.2.2 部分關(guān)井情況下的壓井

1) 壓井前，應(yīng)清楚井內(nèi)壓力達到平衡所需的時間，即圖5(a)中的t1和圖5(b)中的t2，做好調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制套壓的準(zhǔn)備。

2) 壓井開始后保持排量穩(wěn)定，根據(jù)立壓和套壓的變化調(diào)節(jié)節(jié)流閥，應(yīng)考慮壓力傳遞滯后的問題。

3) 壓井液到達鉆柱底部后，立壓從pTi降至pTf，此后保持不變；在鉆井液與壓井液進入環(huán)空形成的液柱壓力達到Δpa之前，套壓保持最大且不變(見圖5)。當(dāng)環(huán)空內(nèi)液柱壓力達到Δpa時，理論上井內(nèi)壓力達到平衡狀態(tài)，但因在此之前不能全關(guān)井，氣體一直處于進入井眼混入壓井液的狀態(tài)，該時間可適當(dāng)延長。延長的時間難以準(zhǔn)確計算，可根據(jù)井內(nèi)壓力、噴出速度、井眼深度等實際情況考慮，以確保井內(nèi)壓力達到平衡。

4) 井內(nèi)壓力達到平衡后，可認(rèn)為地層氣體不再侵入井內(nèi)。控制套壓逐步降低，直至壓井液返出井口，套壓降至0。該過程中立壓基本不變。

5) 繼續(xù)循環(huán)排氣，觀察壓井液返出情況，測量返出壓井液的密度，如果接近注入壓井液的密度，注入排量與返出流量相等，則壓井結(jié)束。

井眼環(huán)空噴空情況下壓井作業(yè)有幾個問題需要注意：1)存在氣體竄槽影響液柱質(zhì)量的問題，可延長循環(huán)排氣時間，直至井內(nèi)壓力達到平衡；2)控制立壓不變與套壓逐漸降低并不易實現(xiàn)，但只要壓井液排量穩(wěn)定、密度不變，基本能達到控制效果；3)嚴(yán)防井漏，在確保不漏失的前提下排出氣體，建立井內(nèi)壓力平衡。

3 應(yīng)用實例

川東北地區(qū)HF203井完鉆井深6 191.00 m，采用尾管回接方式完井，回接筒下至井深3 622.84 m。該井尾管固井結(jié)束59 h后發(fā)生溢流，關(guān)井時井內(nèi)鉆具位于井深533.56 m處，關(guān)井后井口壓力超過50 MPa。因鉆具下深太淺不能直接循環(huán)壓井，在關(guān)井放噴情況下強行下鉆至井深3 517.77 m后，采用一次循環(huán)法壓井。該井壓井時環(huán)空已經(jīng)噴空，并且地層壓力高，不允許全關(guān)井。壓井過程中，考慮噴出氣體含水，控制最高套壓20 MPa進行壓井(未按最大允許套壓控制)，用時2.75 h壓井成功。該井詳細(xì)壓井過程見文獻[4-5,7]。

建立井內(nèi)壓力平衡是井控技術(shù)的關(guān)鍵，井控技術(shù)不但可用于溢流壓井，也可用于解決復(fù)雜壓力條件下的平衡壓力鉆井問題。土庫曼斯坦阿姆河地區(qū)鉆井復(fù)雜問題的解決，就是井控技術(shù)成功應(yīng)用的典范[12-14]。

4 結(jié)論與建議

1) 一次循環(huán)法壓井方法是常規(guī)壓井方法，只要鉆具接近井底且能夠循環(huán)，就可應(yīng)用該方法壓井，但在實際應(yīng)用中，存在因控制套壓過高而造成井漏的問題，易導(dǎo)致壓井失敗。

2) 高壓氣井發(fā)生溢流后出現(xiàn)井眼環(huán)空噴空時，在應(yīng)用一次循環(huán)法壓井作業(yè)中，只要采取合理的控制方法，實現(xiàn)隨著液柱升高套壓逐漸降低的目的，就能夠防止氣體繼續(xù)進入井眼并能防止壓井液漏失，從而實現(xiàn)快速壓井成功。

3) 壓井成功是指恢復(fù)到正常施工作業(yè)狀態(tài)，封井棄井算不上壓井成功。應(yīng)研究不同情況下的壓井方法，實現(xiàn)各種溢流、井噴都能一次壓井成功，達到“科學(xué)壓井，經(jīng)濟壓井”的目的。