控壓鉆井氣侵早期監(jiān)控方法及其應用

周號博，牛新明，王 果，范紅康，高立攀

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中石化中原石油工程公司西南鉆井分公司，四川 成都 610052)

隨著油氣勘探開發(fā)逐步向深部復雜地層、深水、超深水發(fā)展，常遇到窄安全密度窗口地層油氣鉆采問題[1-2]?？貕恒@井技術(managed pressure drilling,MPD)能很好地解決這些鉆井難題，減少非生產時間，節(jié)約鉆井成本。且隨著控壓鉆井技術逐步向精細控制方向發(fā)展，精細控壓鉆井技術很可能是未來的首選鉆井方案。MPD技術不但能夠很好地解決窄密度窗口鉆井安全問題，同時還可用于對井下氣侵、溢流的動態(tài)控制。在MPD中發(fā)生氣侵溢流時，通過井口節(jié)流管匯、實時控制系統(tǒng)對氣侵進行有效控制直至氣侵流體安全排出或壓入地層，而不是常規(guī)鉆井中的直接關井壓井操作?？貕恒@井系統(tǒng)實現氣侵有效控制的關鍵因素是氣侵的早期監(jiān)測與最優(yōu)控制參數的制定。

氣侵早期監(jiān)測是指通過地面、井下鉆井工程參數對地層氣體侵入井筒進行早期預測，其對確保油氣鉆井安全至關重要。目前，控壓鉆井氣侵早期監(jiān)測方法主要有微流量氣侵監(jiān)測與井底壓力特征分析監(jiān)測，微流量監(jiān)測方法主要是在循環(huán)出入口安裝高精度質量流量計，通過實時質量流量分析進行溢流早期監(jiān)測，但在出入口同時安裝高精度質量流量計成本較高，國外壓力特征分析監(jiān)測方法主要基于智能鉆桿海量實時數據分析，但智能鉆桿成本高、多用于模擬實驗,現場應用少，限制了該方法的推廣[3-9]。控壓鉆井氣侵控制是指監(jiān)測到氣侵后，不直接關井，首先利用控壓鉆井設備對溢流進行控制。有學者對控壓鉆井氣侵控制進行了研究，但現有研究成果主要集中在定性分析上，沒有系統(tǒng)的控壓鉆井氣侵控制方法理論分析及定量分析評價方法[10-15]。MPD氣侵監(jiān)測與控制是精細控壓鉆井技術的重要組成部分，也是保證安全鉆進的重要手段，本文基于控壓鉆井系統(tǒng)優(yōu)勢特點，基于氣侵壓力特征建立一種氣侵早期監(jiān)測方法，同時考慮地層、設備等因素建立一套合理的MPD氣侵控制方法，為MPD氣侵控制提供決策支持。

1 氣侵早期監(jiān)測方法

控壓鉆井過程中，當井下無涌漏發(fā)生時，出入口流量基本相等，即Qin=Qout。當井下一旦發(fā)現氣侵時，瞬時出口流量大于入口流量，即Qin

1.1 井口、井底壓力的時間導數

控壓鉆井多采用恒定井底當量循環(huán)密度(ECD)模式進行控壓鉆進，隨著井深增大，為維持井底ECD恒定，需要根據機械鉆速的大小對井口回壓進行實時調整，同時由于出口流量的瞬時變化也會引起回壓變化?？貕恒@進過程中井口壓力計算公式見式(1)。

(1)

式中：WHP為機械鉆速Rop時鉆進Δt時間井底ECD恒定的實時套壓，Pa；Rop為機械鉆速，m/s；WHP0為初始套管壓力Δt為時間間隔，s；WHPΔQ為瞬間出口流量變化引起的井口套壓變化量，Pa。

同理，根據井底壓力組成部分，為了達到井底恒定ECD，井底壓力計算公式見式(2)。

Pb=ρmgH0+Pa+WHP0+

(2)

式中：Pb為以機械鉆速Rop條件下鉆進Δt時間時為了維持井底ECD恒定的實時井底壓力，Pa；Pa為井深H0時的環(huán)空壓降，Pa；Pa,ΔQ為出口流量的瞬時變化引起的環(huán)空壓降增量，Pa。

根據式(1)和式(2)，以機械鉆速Rop鉆進Δt時間內井口壓力變化量、井底壓力變化量，計算公式分別見式(3)和式(4)。

(3)

Pa,ΔQ+WHPΔQ

(4)

由上述公式可知，在Δt時間內井口壓力變化要小于井底壓力變化量，井底壓力變化量除了套壓變化量外，還有Δt時間內井深增大引起的靜液柱壓力、環(huán)空壓降的增加量。定義無因次壓力變化量計算公式見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中：ΔWHPdism為無因次套壓變化量，無因次；ΔPdism為無因次井底壓力變化量，無因次。

壓力導數在現代試井分析中廣泛應用，主要通過監(jiān)測井底壓力與壓力隨時間的變化判斷油藏性質、估算產能等。導數在數學意義上更能反映變量的變化特征。如前所述，在控壓鉆井過程中一旦發(fā)生氣侵必然引起井口壓力、井底壓力的變化，為了能夠更準確地監(jiān)測到這些變化，定義了井口壓力、井底壓力無因次變量的時間導數為式(7)和式(8)。

(7)

(8)

1.2 氣侵壓力特征分析

在正常鉆進狀態(tài)下，Δt趨近于0時，選擇前一時刻的井底壓力、井口壓力作為初始壓力，則RopΔt≈0，流量變化ΔQ≈0，因此可得控壓鉆井正常鉆進過程中的壓力特征計算公式見式(9)和(10)。

ΔWHPdism≈0; ?WHPdism/?t≈0

(9)

ΔPdism≈0; ?Pdism/?t≈0

(10)

當井下一旦發(fā)生氣侵，有流體瞬間侵入井筒ΔQ>0，井口安裝有節(jié)流閥，節(jié)流閥開度沒有改變，則在這一瞬間ΔWHPdism>0,無因次套壓瞬間增大，則其導數?WHPdism/?t>0;井底壓力也呈增大趨勢，主要由套管壓力增大與流量增大導致的環(huán)空壓降增大引起。因此得控壓鉆井氣侵的壓力特征見式(11)和式(12)。

ΔWHPdism>0; ?WHPdism/?t>0

(11)

ΔPdism>0; ?Pdism/?t>0

(12)

因此，可根據控壓鉆井過程中壓力數據的實時分析結合出入口流量的實時監(jiān)測進行氣侵的早期預警。

2 MPD氣侵控制方法

控壓鉆井過程中采用旋轉防噴器封閉井口，建立了一個密閉循環(huán)系統(tǒng)，一旦發(fā)現氣侵溢流，可以采用的控制措施較傳統(tǒng)鉆井多。但控壓鉆井氣侵控制的關鍵是確定最優(yōu)控制參數，控制不當可能導致壓裂地層、井口套壓過高等情況，因此需要對控壓鉆井的氣侵控制方法進行優(yōu)選。

2.1 最高允許套管壓力

最高允許套管壓力是井底壓力達到地層破裂壓力(或漏失壓力)所需的極限套管壓力。為了避免壓裂套鞋，井口最大允許套管壓力計算公式見式(13)。

Pc,Max-shoe=

0.00981(ρf,shoe-ESDshoe-ΔECDshoe)TVDshoe

(13)

式中：Pc,Max-shoe為避免壓破套管鞋得最高允許套管壓力，MPa；ρf,shoe為套鞋處的地層破裂壓力梯度，g/cm3；ESDshoe為套管鞋處的靜態(tài)當量泥漿密度，g/cm3；ΔECDshoe為套鞋處由于循環(huán)壓降引起的附加當量密度，g/cm3；TVDshoe為套鞋處垂深，m。

此外，裸眼段也可能存在地層破裂壓力(漏失壓力)低的情況，裸眼地層薄弱點最高允許套壓計算公式見式(14)。

Pc,Max-BH1=

0.00981(ρf,BH1-ESDBH1-ΔECDBH1)TVDBH1

(14)

式中：Pc,Max-BH1為壓破薄弱地層最高允許套管壓力，MPa；ρf,BH1為對應破裂壓力梯度，g/cm3；ESDBH、ΔECDBH1為對應點的靜態(tài)當量密度及循環(huán)附加當量密度，g/cm3；TVDBH1為垂深，m。

根據上述方程計算最高允許極限套管壓力，計算過程中如果地層漏失壓力系數較地層破裂壓力系數低，則需采用地層漏失壓力系數進行分析計算。此外，根據鉆井工程條件計算得到允許套管壓力極限值Pc,Max-drill后，還需要與井口設備所能承受的最高井口壓力進行對比分析，確定氣侵控制的最高允許套壓。

2.2 期望套管壓力

期望套壓是指當氣侵發(fā)生時，為抑制地層流體進一步侵入井筒，能夠將溢流有效控制并將其安全循環(huán)出井所需的套管壓力。在以下分析中，均假設在正常鉆進過程中發(fā)生氣侵，且氣侵位置為井底。循環(huán)排溢所需井口回壓計算公式見式(15)。

Pc,Exp=Pc,init+0.00981ΔρUBTVDBH+

ΔPstatic+ΔPaf,ΔQ+ΔPsf

(15)

式中：Pc,Exp為控制氣侵所需的井口壓力，MPa；Pc,init為氣侵發(fā)生前的初始套管壓力，MPa；ΔρUB為發(fā)生氣侵前井底欠壓值，g/cm3；ΔPstatic為氣侵發(fā)生后井筒內的靜液柱壓力降低值，MPa；ΔPaf,ΔQ為循環(huán)排溢過程中排量變化所引起的環(huán)空壓降變化量，MPa；ΔPsf為安全系數，MPa。

根據式(15)對一定強度氣侵所需的井口回壓進行計算分析。這里需要指出，氣侵后井筒內的靜液柱壓力降低值是隨著氣體上移而不斷變化的，需要結合氣液兩相流模型進行計算分析后得到[16]。在循環(huán)排溢過程中，一般當氣體運移至井口所需的井口壓力最高、靜液柱壓力降低最大，因此一般將氣體循環(huán)至井口所需井口壓力設置為期望套管壓力。

2.3 其他影響因素

在進行氣侵控制參數選擇時我們還要考慮旋轉防噴器的壓力級別、循環(huán)排量變化、控壓鉆井系統(tǒng)的最高可控井口壓力、最高允許的循環(huán)立管壓力等，在計算所得期望井口壓力高于旋轉控制頭的壓力級別或系統(tǒng)的最高可控壓力范圍時，則需要采用BOP關井。

2.4 氣侵控制參數的確定

確定氣侵控制參數是一個系統(tǒng)工程，需要根據實際情況進行綜合計算分析，獲取最優(yōu)的氣侵控制參數。詳細流程如圖1所示。

圖1 控壓鉆井氣侵控制參數確定流程Fig.1 The schematic diagram of gas influx control parameters optimization

當確定發(fā)生溢流后，可采用圖1的控壓鉆井氣侵控制流程，如果計算所得期望套管壓力能夠滿足要求，則可以直接排溢；如果不能滿足要求，需要迭代求取最優(yōu)排量確定是否有滿足需求的循環(huán)排量，如均不能滿足要求則需采用BOP關井。

3 試例驗證與評價

3.1 模擬井筒試驗驗證

在中石化中原全尺寸科學試驗井進行了模擬氣侵測試試驗，該井在表層套管756 m處聯通有2in注氣寄生管，可通過寄生管向井筒內注入壓縮氣體模擬地層氣侵。現以井下注入0.3 m3壓縮氣體為例對控壓鉆井過程中的氣侵監(jiān)測進行驗證。測試過程中，保持井底注入氣體體積流量恒定，Qsg=4.5 L/s，實時監(jiān)測井口壓力，監(jiān)測結果如圖2所示。由圖2可以看出,在氣侵瞬間井口回壓有一定上升，但不明顯；但通過實時計算其無因次壓力導數可以看出在注入氣體瞬間，壓力導數有一個異常增大。運用導數可以對氣侵的起始瞬間進行準確預測(圖2)。

圖2 氣侵套壓導數與套壓關系曲線Fig.2 The curves of WHP derivative and WHP

圖3 壓力導數與總池體積增量關系曲線Fig.3 The curves of WHP derivative and pit gain

套壓導數與總池體積增量對比結果如圖3所示，由圖3可以看出,氣侵瞬間套壓導數有異常凸起，在氣侵過程中壓力導數波動較大，因此可以根據氣侵的壓力導數進行氣侵早期監(jiān)測。同時，為了避免誤判，結合質量流量計計算得到的總池體積增量可以準確地對氣侵進行早期預警。

由于在全尺寸試驗井套管內進行氣侵模擬實驗，不存在壓漏地層與套鞋的風險，采用直接排溢進行了溢流控制，結果如圖4所示。由圖4可以看出，基于本文提出的溢流控制方法能夠很好地控制溢流，井底壓力控制結果與實測數據吻合很好，當氣侵流體運移至井口壓力略有波動，但能夠保持井底壓力維持恒定，避免氣侵進一步發(fā)生。

圖4 排溢過程壓力控制結果Fig.4 The pressure results during circulating the influx

3.2 現場應用分析

某井鉆進至1 675 m處發(fā)生氣侵，根據出入口流量計算檢測到5 min內侵入0.55 m3氣體，運用前述氣侵監(jiān)測方法對氣侵進行了早期監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖5所示。從圖5可以看出，氣侵發(fā)生瞬間，套管壓力導數響應特征明顯，再一次證明了運用壓力導數對氣侵進行早期監(jiān)測的可行性。

該井地層孔隙壓力系數1.28 g/cm3、1 300 m處易漏失， 漏失壓力系數1.5 g/cm3、 套鞋處破裂壓力系數2.2 g/cm3；鉆井液密度1.32 g/cm3,表層采用13-3/8”套管下至557.34 m，隨后采用12-1/4”鉆頭、5-1/2”鉆桿鉆進，根據基礎數據計算了不同回壓時井筒ECD分布情況及環(huán)空壓降。

圖5 某井氣侵監(jiān)測壓力導數及溢流量Fig.5 The WHP derivative and pit gain results ofkick detection

由圖6(a)可知，當鉆進至1 675 m處時，井口回壓達到1.8 MPa時井深1 300 m處ECD達到漏失壓力臨界點，因此，為了控制本次氣侵，套管壓力最高不允許超過1.8 MPa。圖6(b)給出了不同排量下環(huán)空壓降，由結果可知排量變化對井底壓力影響較小，因此，在循環(huán)排溢過程中排量對采用正常排量循環(huán)排溢即可。運用多相流模擬分析計算了將侵入0.55 m3氣侵流體安全循環(huán)出井筒所需的井口壓力，計算最高所需井口套壓為0.8 MPa，該壓力小于允許最高壓力且小于旋轉防噴器壓力級別，因此可以將該股氣體循環(huán)出井筒。

圖6 氣侵控制參數計算分析Fig.6 The results of kick control parameters

根據計算分析選擇直接循環(huán)加回壓控制方法將氣體循環(huán)出井筒，以井底恒壓模式對氣侵溢流進行控制，實時監(jiān)測井口壓力、出入口流量變化，最終將氣侵流體安全循環(huán)出井口。圖7給出了整個氣侵發(fā)生至將其安全循環(huán)出井口的整個控制過程。由圖7可以看出,井口套管壓力控制結果與前述模擬計算分析結果基本吻合，井底壓力控制效果也很好。

圖7 循環(huán)排溢壓力控制結果Fig.7 The results of pressure control during circulating

4 結 論

1) 分析了氣侵過程中井口壓力、井底壓力的變化規(guī)律，建立了井口、井底壓力導數的氣侵響應特征及其計算方法，最終建立了基于氣侵壓力特征的氣侵早期監(jiān)測方法；該方法可應用于控壓鉆井過程中的實時氣侵早期監(jiān)測，確保及早發(fā)現微溢流，為溢流安全控制提供基礎支撐。

2) 分析了MPD氣侵控制方案制定的影響因素，綜合考慮地層、設備特性、鉆井工況，建立了控壓鉆井氣侵控制與安全排溢參數的優(yōu)選方法，MPD發(fā)生氣侵時，通過該方法可以確定最優(yōu)的氣侵控制參數，為氣侵控制安全控制提供基礎參數

3) 運用中原實驗井氣侵實驗數據對氣侵早期監(jiān)測方法進行了應用分析，驗證了模型的準確性與實用性；運用某井氣侵實測數據進一步對氣侵監(jiān)測模型、氣侵控制方法進行了實際應用分析，監(jiān)測與控制效果與實際吻合很好，證明本文提出的氣侵早期監(jiān)測及控制方法的準確性與實用性。