水平井鉆井過程中氣侵風險預警研究

張好林，李 軍，范國宏

（1中國石化石油工程技術研究院2中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司3中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第三鉆井分公司）

張好林等.水平井鉆井過程中氣侵風險預警研究.鉆采工藝，2019，42（5）：16-19

目前，研究者對于鉆井氣侵的檢測已形成了一部分研究成果［1-5］，包括聲波、井底壓力隨鉆測量、氣侵量理論計算等。本文則在此基礎上，利用改進的耦合溫度壓力場的氣液兩相流模型，分析不同組分氣侵發(fā)生時井底壓力變化規(guī)律，基于欠平衡鉆井壓力劃分對氣侵井涌風險進行等級劃分及預警。形成的模型方法結合地質(zhì)模型數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實時錄井數(shù)據(jù)，對水平井鉆井過程中的氣侵風險進行實時計算及預警。

一、模型基本假設

侵入流體在環(huán)空中作一維不穩(wěn)定流動；井筒中的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱，井筒周圍地層傳熱為非穩(wěn)態(tài)傳熱；井筒和周圍地層沿徑向傳熱；在傳熱過程中，忽略套管和鉆桿熱阻；氣液兩相間熱力學平衡，過流斷面任意位置氣液兩相溫度和壓力相等；不考慮巖屑對氣液兩相流流動的影響。

二、鉆井井筒溫度場模型

1.井筒傳熱模型

井筒溫度場的計算采用經(jīng)典的Hasan和Kabir模型［6-8］，假設井口方向為正方向（圖1），基于環(huán)空鉆井液能量守恒，可得：

式中：Qa（Z+d z）—環(huán)空下部流入熱量傳遞速度，J／s；Qa（Z）—環(huán)空上部流出熱量傳遞速度，J／s；Qf—地層往環(huán)空傳遞熱量速度，J／s；Qda—環(huán)空往鉆柱傳遞熱量速度，J／s；Z—井筒長度，m；dz—井筒微元體單位長度，m。

基于內(nèi)能表達式，方程（1）變形可得：

地層到環(huán)空內(nèi)的熱量傳遞速度為：

環(huán)空中鉆井液往鉆柱內(nèi)的熱量傳遞速度Qda為：

式中：cfl—鉆井液的比熱，J／（kg·K）；w—井筒內(nèi)鉆井液質(zhì)量流量，kg／s；kf—地層導熱系數(shù)，W／（m·K）；rco—環(huán)空外徑，m；Ua—地層到環(huán)空內(nèi)鉆井液的總傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；TD—瞬態(tài)傳熱系數(shù)，無量綱；Tf—地層溫度，K；Ta—井深Z處環(huán)空鉆井液溫度，K；rdi—鉆柱內(nèi)徑，m；Ud—環(huán)空中鉆井液到鉆柱的總傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；Td—鉆柱溫度，K。

圖1 井筒流動和傳熱模型

2.傳熱系數(shù)計算

2.1 井筒總傳熱系數(shù)

井筒總傳熱系數(shù)的通用計算公式為：

式中：U—井筒總傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；rdo—鉆柱外徑，m；rdi—鉆柱內(nèi)徑，m；hdo—鉆柱對流換熱系數(shù)，W／（m2·K）；kd—鉆柱導熱系數(shù)，J／（m·K）；hc—套管對流換熱系數(shù)，W／（m2·K）；rci—套管內(nèi)徑，m；kc—套管導熱系數(shù)，J／（m·K）；rco—套管外徑，m；kcem—水泥環(huán)導熱系數(shù)，J／（m·K）。

2.2 鉆井液對流傳熱系數(shù)

鉆柱中及環(huán)空鉆井液對流換熱系數(shù)計算采用業(yè)內(nèi)學者廣泛應用的計算公式［9］。

2.3 氣液兩相流傳熱系數(shù)

兩相流不同流型下其對流換熱系數(shù)差異較大，為了滿足計算精度的需求，不同流型下應當選擇不同的對流換熱系數(shù)。美國俄克拉荷馬州立大學化學工程學院研究所證實，在兩相流流動過程中：泡狀流流型，建議使用Aggour模型；分散泡流流型，建議使用Knott等人的模型；段塞流和攪拌流流型，建議使用Rezkallah and Sims模型；環(huán)狀流流型，建議使用Ravipudi and Gobold模型［10］。

3.噴嘴溫降

鉆頭處噴嘴的溫度變化的計算采用下面的計算公式：

式中：ΔTb—鉆頭噴嘴溫降，K；Q—鉆井液排量，l／s；CT—鉆頭噴嘴處壓力轉(zhuǎn)換系數(shù)，無因次；kb—鉆頭處熱量轉(zhuǎn)化系數(shù)，無因次。

三、氣侵井筒多相流模型

氣侵后井筒整個分成三部分：井底氣體侵入部分、已侵入氣體與鉆井液一同上升部分、井筒最上部鉆井液單相流動部分。這三部分符合物理守恒定律，滿足分組守恒定律。

1.連續(xù)性方程

游離氣相連續(xù)方程：

溶解氣相連續(xù)方程：

鉆井液相連續(xù)方程：

式中：Aa—環(huán)空截面積，m2；t—時間項，s；z—空間項，m；Eg，Es，Em—分別為氣體游離項、溶解項、鉆井液項各項所占總體積的體積分數(shù)，無因次；ρg，ρs，ρm—分別為氣體游離項、溶解項、鉆井液項各項密度，kg／m3；vg，vs，vm—分別為氣體游離項、溶解項、鉆井液項各項的流動速度，m／s；qi，qs—分別為氣體侵入速度和溶解速率，kg／s。

2.動量方程

（1）在井底氣體侵入部分、已侵入氣體與鉆井液一同上升部分，可以統(tǒng)一動量方程：

式中：g—重力加速度，m／s2；p—壓力項，Pa。

（2）井筒最上部鉆井液單相流動部分，只有液相，其動量方程為：

3.能量方程

能量方程主要是確定井筒的溫度分布，基于前面的鉆井井筒溫度場模型進行計算。

四、輔助方程

氣體速度為表觀速度和滑脫速度之和［11-16］：

式中：vg—氣體項實際速度，m／s；co—速度分布系數(shù)，無因次；vss—溶解項表觀速度，m／s；vsm—鉆井液項表觀速度，m／s；vsg—酸性氣體項表觀速度，m／s；vgr—氣體滑脫速度，m／s。

五、氣侵后井涌風險監(jiān)測

元壩氣田位于四川盆地北部，橫跨九龍山背斜的西南傾覆端與中部低緩構造帶。井下復雜情況與故障頻發(fā)，在完成井中，平均井下復雜情況和故障時效高達11.02%。多數(shù)井在千佛崖組一須家河組井段鉆遇了高壓層，共發(fā)生溢流6次。選用該區(qū)塊進行地質(zhì)建模，利用本文方法對氣侵風險進行計算預警，其中地質(zhì)模型主要用于提取沿井地層滲透率及孔隙壓力數(shù)據(jù)用于計算。

1.氣侵后井涌風險判別

根據(jù)上述計算模型，提取地質(zhì)模型中的當前井的地層參數(shù)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)既可計算井內(nèi)氣侵情況，對不同氣侵量氣侵后造成井內(nèi)壓力下降值進行計算，通過判別井內(nèi)壓力下降值，對氣侵后井涌風險進行預警判別。

氣侵后井涌風險等級劃分參考欠平衡鉆井壓力劃分，分為5個等級，如表1所示。

2.應用實例

整理加載元壩12井相關數(shù)據(jù)，包括鉆井基礎數(shù)據(jù)、井身結構數(shù)據(jù)、鉆頭及鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)、鉆具組合使用設計數(shù)據(jù)、鉆柱明細數(shù)據(jù)、鉆井液性能設計數(shù)據(jù)、地層分層設計數(shù)據(jù)、井眼軌跡設計分點數(shù)據(jù)、巖性剖面數(shù)據(jù)和地質(zhì)情況描述等。進行隨鉆氣侵風險驗證性預測。

隨鉆風險識別是在鉆井階段基于錄井數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)進行風險的監(jiān)測，從而降低風險發(fā)生概率。由于元壩12井是完鉆井，因此地質(zhì)力學參數(shù)采用的是其測井解釋成果及模型提取。通過讀取真實的錄井數(shù)據(jù)，模擬實際的鉆井狀態(tài)，其中地層孔隙壓力和ECD采取隨鉆計算的方式，從而提高風險預測的準確性。

表1 氣侵后井涌風險等級劃分

如圖2所示，模擬計算井深4 646 m左右的位置發(fā)生氣侵井涌風險，嚴重度和可信度均較高，因此井涌屬于高風險。分析壓力曲線，可以看出ECD和地層孔隙壓力曲線相差較小，孔隙壓力則屬于正常范圍。如圖3所示，在井深4 656 m錄井總烴值升高到90%以上，說明有氣侵發(fā)生，工程參數(shù)實時預警也顯示有井涌高風險的發(fā)生，查看完鉆復雜故障的發(fā)生情況，與預測結果基本相符，證明該計算方法切實可行。

圖2 元壩12井隨鉆井涌風險預測結果

圖3 元壩12井隨鉆井涌工程參數(shù)預警結果

六、結論與建議

（1）考慮溫度壓力耦合建立改進的氣侵井筒兩相流動模型，針對海相碳酸鹽巖地層不同氣體組分的氣侵情況，可計算不同氣侵情況井底壓力變化規(guī)律。

（2）利用氣侵后井底壓力變化結合欠平衡鉆井壓力劃分，可以對氣侵后的風險等級進行劃分及預警，在元壩試驗井中氣侵預警結果與基于征兆風險判別結果和實際風險情況相吻合。

（3）計算中涉及的部分地層參數(shù)來源于地質(zhì)建模，地質(zhì)模型的準確性在一定程度上會影響氣侵風險預警結果，因此該方法在資料豐富的成熟區(qū)塊應用效果更好，氣侵風險預警更準確。