關井井涌余量在鉆井工程設計中的應用淺析

伍 葳，魏云錦，郭建華，付 志，楊華建

（1.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院，四川成都610000；2.中國石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部，四川成都610000）

近年來國內石油公司勘探開發(fā)思路不斷革新，愈發(fā)重視儲層保護。因而一方面使得鉆井液密度與地層孔隙壓力差值呈縮小之勢；另一方面，地層孔隙壓力預測難以保證絕對精確，故而其存在不確定性，尤其是在國內油氣資源增儲上產的主戰(zhàn)場——深部海相碳酸鹽巖地層。實鉆中地層孔隙壓力大于設計鉆井液密度而引發(fā)溢流的情況頻發(fā)，井控安全形勢不容小覷。因此，如何從“工程源頭”——鉆井工程設計中加強對井控工作的把控就顯得重要。提出在鉆井工程設計中加入關井井涌余量的認識，并結合實例分析，得出關于關井井涌余量生產應用的若干結論和建議。

1 井涌余量

溢流應在各油田規(guī)定數(shù)量內發(fā)現(xiàn)并報警，且發(fā)現(xiàn)溢流顯示應立即按關井操作規(guī)程迅速關井[1]。實鉆中溢流關井后，現(xiàn)場工程師會獲取控制溢流所需要的相關數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來確定能否安全完成關井和壓井作業(yè)。這對成功進行井控作業(yè)，避免損壞井口裝置、井筒套管及壓破套管鞋處薄弱地層是必要的。

關于井涌余量（Kick Tolerance）的描述較多，其核心概念指井涌發(fā)生時能安全關井且循環(huán)壓井過程中，以不壓漏井筒內薄弱層段為前提，所允許進入井筒的最大溢流量[2-8]，是油氣井鉆井設計與施工作業(yè)中的一個重要參數(shù)，其表征溢流發(fā)生后，能否安全關井和壓井過程中有多少剩余能力的量，也可認為是一個安全系數(shù)，表示關井和處理溢流的安全程度。井涌余量越大，越安全；越小，越危險[9]。其有兩種表達方式[10-13]：一種是以密度單位表示的井涌余量Ki，被定義為溢流發(fā)生后，允許的最大井底壓力當量泥漿密度（即一定井深時不致壓漏地層）與地層壓力當量泥漿密度的差值；另一種是以體積單位表示的井涌余量KT，即在給定井筒鉆井液密度和實際地層壓力下，能夠實現(xiàn)將被污染鉆井液循環(huán)出井筒而套管鞋處不發(fā)生破裂的最大氣侵體積。

鉆井作業(yè)過程中，需根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)的變化計算井涌余量是否滿足常規(guī)井控作業(yè)。在南海深水鉆井施工中，已將井涌余量更新數(shù)據(jù)納入鉆井設計與生產日報中以為下部井段鉆進決策提供參考[14]。不同工況下，如關井、司鉆法壓井、工程師法壓井及超重泥漿壓井，均對應著不同的井涌余量值[15]。在特定工況下求出對應井涌余量，若Ki＞0或KT＞ΔV（溢流體積，即循環(huán)罐多返量），則意味著能夠在安全前提下順利實施該作業(yè)。主要論述關井工況下井涌余量在鉆井工程設計中的必要性。

2 關井井涌余量計算方法

選用最大氣侵體積量KT來表示關井井涌余量。計算中作以下假設：①工程背景選為直井段；②給定一組井涌強度KI，即溢流時地層孔隙壓力與原井筒鉆井液密度的差值為一組定值；③裸露地層薄弱點選為上開次套管鞋處[16]；④氣體在井筒內以單相氣柱形式存在，且為理想氣體；⑤忽略溫度變化、氣體壓縮因子、氣體溶解度及滑脫效應等因素。

具體步驟如下：

1）計算最大允許溢流氣體高度Hmax

發(fā)生溢流后關井，井筒與鉆具環(huán)形空間內侵入一定高度氣柱而達到“U形管”水力系統(tǒng)平衡，經(jīng)環(huán)空與水眼兩側壓力平衡等式可推出此時的最大氣柱高度Hmax為：

式中：Hmax為最大氣柱高度，m；ρ鉆井液為鉆井液密度，g/cm3；Ggas為氣柱壓力梯度，MPa/m；MAASP為最大允許關井環(huán)空壓力，MPa，MAASP=P破裂-P鉆井液=（ρ破裂-ρ鉆井液）×D管鞋×0.009 8；SIDPP為溢流關井立壓，MPa，SIDPP=P地層-P鉆井液=（ρ地層-ρ鉆井液）×D井深×0.009 8=KI×D井深×0.009 8。

2）計算井底溢流氣柱體積V1

求出井筒內氣體高度后，則進一步可求得此時的氣侵量：

式中：V1為氣侵量，m3；SOH-BHA為井眼與底部鉆具之間的單位長度環(huán)空容積，m3/m。

3）計算氣柱頂部到達管鞋處溢流體積V′

式中：V′為氣柱頂部到達管鞋處溢流體積，m3；SOH-DP為井眼與鉆桿之間的單位長度環(huán)空容積，m3/m。

4）計算溢流時地層孔隙壓力P地層

式中：P地層為溢流時地層孔隙壓力，MPa；P鉆井液為鉆井液液柱壓力，MPa。

5）計算氣柱頂部到達管鞋處對應井底工況條件下最大氣侵體積V2

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（PV=nRT）可以求出V2：

式中：V2為氣柱頂部到達管鞋處對應井底工況條件下最大氣侵體積，m3；P破裂為上開管鞋處地層破裂壓力，MPa。

6）計算關井井涌余量KT

比較V1與V2大小，取較小值為該工況下的關井井涌余量KT，即為溢流發(fā)生后為確保安全關井而允許地層氣體進入井筒的最大侵入體積量。

3 設計實例

在給定井涌強度KI的前提下，通過上述計算我們能夠得到鉆井工程設計中每一開次鉆進中不同深度對應的關井井涌余量。以川渝地區(qū)A氣田LJ-20三開?311.1 mm井眼鉆進為例，對如何在鉆井工程設計中加入關井井涌余量并指導實鉆井控工作進行說明。

LJ-20井為1口直井，其?339.7 mm表層套管下至850 m，下開次?244.5 mm套管下至2 311 m；設計下開次?311.1 mm井眼鉆進使用鉆井液密度為1.08 g/cm3；?311.1 mm井眼鉆進中底部鉆具組合當量外徑為?215.9 mm，鉆桿外徑為?127 mm，則對應單位長度環(huán)空容積分別為0.039 m3/m、0.069 m3/m；根據(jù)鄰井資料，溢流后氣柱壓力梯度取為0.002 27 MPa/m；?339.7 mm表層套管管鞋處地層巖性主要為砂巖，通過試驗得出管鞋處地層破裂壓力當量密度為1.76 g/cm3，則可進一步算出最大允許關井環(huán)空壓力MAASP為5.65 MPa。

對于井涌強度，結合區(qū)塊鄰井在該段所獲取的實際地層壓力資料，鉆井設計中給定KI=0.06 g/cm3，KI=0.12 g/cm3，KI=0.16 g/cm3。即假定溢流時地層孔隙壓力與原井筒鉆井液密度的差值分別為0.06 g/cm3、0.12 g/cm3、0.16 g/cm3；對于深度，在三開鉆進井段850～2 311 m之間間斷選取若干點。通過相關計算公式得出不同KI值條件下三開鉆進中不同深度的關井井涌余量，結果見表1—表3。

對結果進行平滑等數(shù)據(jù)處理作出圖1，可在設計中作三開鉆進時的井深—關井井涌余量關系圖。據(jù)此可以得出在3種KI值情況下，三開鉆井中任一井深對應的關井井涌余量。由圖1可知：某一給定KI值工況下，井眼越深，井涌余量逐漸變小。即隨著三開鉆進中進尺增加，井控風險逐漸增大。KI值越大，即井涌強度越高，相同條件下同一井深處的井涌余量越小。即溢流發(fā)生后關井取資料計算出的實際地層壓力當量密度與原井筒鉆井液密度之差越大，井控工作越嚴峻。

當三開鉆進中發(fā)生溢流，關井取得立壓值后，可反推出當前地層孔隙壓力當量密度，進一步得到實際KI值。在圖1選定該KI值所對應曲線后，按照當前井深即可查到目前工況下的具體關井井涌余量值。再根據(jù)關井前的泥漿池多余返出量，即溢流量，可判斷目前關井行為是否安全。同時根據(jù)該關井井涌余量，可初步判斷下一步安全壓井的可能性。比如，三開鉆進至1 000 m時發(fā)生溢流，循環(huán)罐多返鉆井液量為1.8 m3。關井后測得立壓值為0.59 MPa，推算出實際地層壓力當量密度為1.14 g/cm3，即KI值為0.06 g/cm3。由圖1可知，在該工況條件下當井深為1 000 m時的關井井涌余量為23.6 m3，大于此時的溢流量1.8 m3。這證實了此次溢流發(fā)生后的關井行為是安全可行的，同時也初步表明后續(xù)安全完成壓井作業(yè)的可能性。

表1 KI=0.06 g/cm3工況下關井井涌余量值Table1 Kick tolerance value of shut-in asKI=0.06 g/cm3

表2 KI=0.12 g/cm3工況下關井井涌余量值Table2 Kicktolerancevalueofshut-inasKI=0.12g/cm3

表3 KI=0.16 g/cm3工況下關井井涌余量值Table3 Kicktolerancevalueofshut-inasKI=0.16g/cm3

圖1 LJ-20井?311.1 mm井眼井深—關井井涌余量Fig.1 Relation of well depth and kick tolerance of shut-in in?311.1 mm wellbore of well LJ-20

4 結論

1）提出在陸上油氣井鉆井工程設計中加入關井井涌余量，并給出一種關于關井井涌余量的計算方法。

2）通過LJ-20井?311.1 mm井眼鉆進實例示范如何運用鉆井工程設計中關井井涌余量以判斷和處理溢流，初步表明關井井涌余量在鉆井工程設計中的必要性。

3）通過選取若干組KI值討論了個別井涌強度情況下的井涌余量，不具有絕對的代表性。由于深部產層的地層壓力具有較強不確定性，如何令KI值動態(tài)化以針對現(xiàn)場具有普遍適用性，需要繼續(xù)探索。