聶 臻,梁奇敏,游子衛(wèi)
(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083;2.華北油田工程技術(shù)研究院,河北 任丘 062552)
在鉆井的過(guò)程中,由于鉆頭磨損需更換新鉆頭或鉆達(dá)完鉆深度等自然原因,或者起鉆打撈落魚(yú)等客觀需要,必然會(huì)進(jìn)行起鉆作業(yè)。在起鉆過(guò)程中,隨著起出鉆具的增多,如果不及時(shí)灌滿泥漿,由于井筒中鉆井液體積不變,必然會(huì)導(dǎo)致井筒中的環(huán)空液面下降,進(jìn)而導(dǎo)致井底壓力降低,這會(huì)給井控安全帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。為了保證井控安全,往往會(huì)憑經(jīng)驗(yàn)作法和管理規(guī)范,每起出一定量的鉆具后就灌漿一次[4-5]。灌漿太頻繁(如每起出一柱鉆桿后灌漿一次)固然安全,但浪費(fèi)時(shí)間和人力。對(duì)于具體起出多少柱鉆桿后灌漿最合適,本文在保證井底壓力不變的基礎(chǔ)上,忽略抽吸壓力、泥包鉆具等影因素響,針對(duì)“干起”和“濕起”兩種起鉆工況,根據(jù)井身結(jié)構(gòu)和鉆具的具體參數(shù),給出科學(xué)的不灌漿起鉆的最大安全起鉆高度計(jì)算方法,可為安全起鉆作業(yè)提供指導(dǎo)。
起鉆過(guò)程中,只要井筒內(nèi)鉆井液對(duì)井底的液柱壓力大于等于井底地層壓力,理論上就可保證井控安全,見(jiàn)式(1)。
H×ρm×0.00981-Ha×ρm×0.00981-ΔPs=
H×ρp×0.00981
(1)
式中:H為起鉆時(shí)井底位置垂深,m;ρm為起鉆時(shí)井筒內(nèi)的鉆井液密度,g/cm3;ρp為地層壓力系數(shù);Ha為不灌漿起鉆時(shí)環(huán)空液面允許下降的最大垂直高度,m;ΔPs是起鉆時(shí)的抽吸壓力,MPa。
因此,不灌漿起鉆時(shí)井筒中的環(huán)空液面允許下降的最大高度計(jì)算見(jiàn)式(2)。
(2)
顯然,通過(guò)上式計(jì)算的環(huán)空液面允許下降的最大高度的準(zhǔn)確程度,與起鉆時(shí)的抽吸壓力是有直接關(guān)系的。而抽吸壓力的影響因素很多[6-14],如壓井液的靜切力、管柱的起下速度、環(huán)形節(jié)流、壓井液的黏度以及管子和井眼間的環(huán)形孔隙等,因此要準(zhǔn)確確定壓力值有一定困難,而且即使考慮全部的因素后,計(jì)算出的值往往與現(xiàn)場(chǎng)偏差較大。所以,在不同地區(qū)的油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中,會(huì)根據(jù)情況取一個(gè)確定的經(jīng)驗(yàn)值作為抽吸壓力。本文為簡(jiǎn)化計(jì)算而不考慮該值(該值取為0)。因此,式(2)被簡(jiǎn)化為式(3)。
(3)
如果所作業(yè)井的井型不同,則不灌漿起鉆時(shí)環(huán)空液面允許下降的最大長(zhǎng)度的計(jì)算也不同,具體如下所述。
1) 對(duì)于直井:HL=Ha。
2) 對(duì)于定向井或者水平井:如果造斜點(diǎn)深度大于等于Ha:HL=Ha;如果造斜點(diǎn)深度小于Ha:需要根據(jù)定向井軌道具體計(jì)算[3]。HL為不灌漿起鉆時(shí)環(huán)空液面允許下降的最大長(zhǎng)度,m。
如果起鉆時(shí)卸開(kāi)立柱或單根后,沒(méi)有泥漿從鉆桿里面往外噴,行業(yè)里稱這種起鉆工況為“干起”,如圖1所示。“干起”出的鉆桿在井筒內(nèi)的排代量為起出鉆桿管壁的體積,其計(jì)算公式見(jiàn)式(4)。
(4)
式中:Vpo為每米鉆桿開(kāi)端排代量(包括接頭),m3;ρp為某鋼級(jí)的鉆桿線重(包括接頭),kg/m;ρs為某鋼級(jí)的鋼密度,g/cm3,本文取7.85 g/cm3。
起出鉆桿的體積是套管和鉆具之間的環(huán)空以及鉆具內(nèi)部的液面下降后的總體積,所以,“干起”每米鉆桿后環(huán)空液面下降的高度計(jì)算見(jiàn)式(5)和式(6)。
(5)
(6)
式中:Dpo為“干起”每米鉆桿后環(huán)空液面下降的高度,m;Vci為每米套管內(nèi)容積,m3;Dci為套管內(nèi)徑,mm。
“干起”不灌漿工況下的最大安全起鉆高度HO計(jì)算見(jiàn)式(7)。
HO=Ha/Dpo
(7)
圖1 “干起”的示意圖Fig.1 “Dry trip” schematic diagram
圖2 “濕起”的示意圖Fig.2 “Wet trip” schematic diagram
如果起鉆時(shí)卸開(kāi)立柱有泥漿往外噴,不論噴出量的多少,行業(yè)里稱這種起鉆工況為“濕起”,如常見(jiàn)的鉆頭水眼被堵后起鉆時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種典型現(xiàn)象,如圖2所示。保守起見(jiàn),本文按照鉆柱底端完全堵死情況處理,則“濕起”時(shí)起出的鉆桿在井筒內(nèi)時(shí)排代量為起出鉆桿管體部分體積與鉆桿內(nèi)容積之和,也就是套管和鉆具的環(huán)空液面下降后減少的體積。所以,“濕起”每米鉆桿后環(huán)空液面下降的高度Dpx(m)計(jì)算公式見(jiàn)式(8)~(10)。
(8)
Vpx=Vpi+Vpo
(9)
(10)
式中:Vpx為每米鉆桿閉端排代量,m3;Vpi為每米鉆桿內(nèi)容積,m3;Dpi為鉆桿內(nèi)徑,mm。
“濕起”不灌漿工況下的最大安全起鉆高度HX(m),其計(jì)算公式見(jiàn)(11)。
HX=Ha/DpX
(11)
以上公式從井控安全角度出發(fā),考慮起出鉆具后導(dǎo)致井筒內(nèi)剩下鉆具排代量減少,可以直觀反映環(huán)空中液面的下降程度,具有計(jì)算簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。但需要地層壓力值準(zhǔn)確才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果,才能完全滿足指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工要求。
X油田XX井,鉆至油氣層,斜深2 500 m,造斜點(diǎn)700 m,垂深2 000 m,地層壓力系數(shù)1.15,井眼尺寸216 mm,127 mm鉆桿(內(nèi)徑108.61 mm),244.48 mm套管(內(nèi)徑224.41 mm)下深500 m,鉆進(jìn)時(shí)泥漿比重1.20 g/cm3,每柱平均28.5 m。結(jié)合鉆井手冊(cè),E級(jí)、G級(jí)、S級(jí)鉆桿的平均每米重量(包括接頭)分別為31.09 kg/m、32.62 kg/m,33.62 kg/m。采用本文介紹方法針對(duì)“干起”和“濕起”兩種工況,計(jì)算得到不同鋼級(jí)鉆桿在不灌漿的情況下最大安全起鉆柱數(shù)見(jiàn)表1。
表1 不灌漿的兩種工況下不同鋼級(jí)鉆桿的最大安全起鉆高度Table 1 Maximum safe trip height of drill pipe withdifferent steel grades under two workingconditions without filling up
從以上的計(jì)算結(jié)果可以看出,同一工況條件下,由于不同鋼級(jí)的鉆桿每米線重不同而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不同;不論“濕起”還是“干起”,最大安全起鉆高度隨著鉆桿的鋼級(jí)增加而變短,但是變化范圍不大。在其他條件相同的情況下,相同鋼級(jí)的鉆桿“濕起”比“干起”的最大安全起鉆高度短,因而“濕起”需要更及時(shí)、頻繁地灌漿。
1) 確定起鉆時(shí)不連續(xù)灌漿條件下的最大安全起鉆高度時(shí),需要分“干起”和“濕起”兩種工況,根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、鉆柱等具體參數(shù)計(jì)算,而不是按同一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值執(zhí)行。
2) 在其他條件相同的情況下,“濕起”比“干起”的最大安全起鉆高度低,井控風(fēng)險(xiǎn)更大,因而“濕起”需要更頻繁地灌漿。
3) 不論“干起”還是“濕起”,最大安全起鉆高度隨著鉆桿鋼級(jí)的增加而變低,但是變化范圍不大。