水平井工程師法壓井技術(shù)探索

董黎明，顏廷杰，馬曉明，王 松，陳忠恒，公 慧，喻海霞

(1中石化勝利工程公司技術(shù)發(fā)展處 2中石化勝利工程公司培訓(xùn)中心)

近年來，隨著水平井鉆井技術(shù)的不斷提升，水平井的應(yīng)用范圍越來越廣，但由于井下情況復(fù)雜，水平井鉆井期間也存在較多井控風(fēng)險(xiǎn)。如某油田2017年和2018年鉆井期間共發(fā)生溢流事件32井次，其中水平井溢流占比高達(dá)27井次，占總發(fā)生井次的84%。目前水平井井控管理和處理方法仍然采用直井的管理方式，既不利于水平井溢流的發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測(cè)、控制及處理，也不利于卡鉆、井漏等預(yù)防和處理。

本文根據(jù)多年國(guó)內(nèi)外井控的現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了水平井鉆井溢流的特點(diǎn)及預(yù)防管理措施，提出了四點(diǎn)式水平井工程師法壓井控制理論，并制訂了具體的、行之有效的控制程序和步驟，確保水平井鉆井期間的井控安全及井下安全，對(duì)提高水平井壓井期間精確控制井底壓力、預(yù)防壓差卡鉆[1]及壓漏地層有重要意義。

一、水平井鉆井溢流特點(diǎn)

1.溢流早期檢測(cè)難度大

對(duì)于水平井鉆井來說，溢流早期檢測(cè)報(bào)警是至關(guān)重要的。處于水平段、斜井段的氣體溢流對(duì)井眼液柱壓力的影響和直井的不同，無法通過井口壓力直接讀取，故水平井溢流早期檢測(cè)報(bào)警就格外困難。

(1)即使在平衡條件下，由于起鉆抽汲作用也會(huì)造成氣侵，氣體在整個(gè)水平段運(yùn)移過程中，對(duì)井眼液柱壓力無影響[2]，關(guān)井套壓和立壓均為零，易造成無溢流的假象。

(2)當(dāng)井底欠平衡時(shí)，儲(chǔ)層氣體就會(huì)大量涌入水平段環(huán)空，此時(shí)關(guān)井套壓和關(guān)井立壓雖有顯示，但是兩者相等，無法根據(jù)關(guān)井套壓與關(guān)井立壓的差值來判斷水平井井段溢流侵入程度。

(3)井眼凈化問題。實(shí)鉆的水平井段會(huì)上下起伏，在其頂部形成“口袋”[3](如圖1所示)。

圖1 水平段頂部的“口袋”及巖屑床的形成

由于氣體密度小，進(jìn)入水平段的氣體會(huì)被封閉在井眼頂部的“口袋”中，這些氣體難以被循環(huán)排除干凈。再者，在水平井段鉆進(jìn)時(shí),巖屑由于重力作用易在水平段底邊沉淀堆積，形成巖屑床，增加了起鉆抽汲作用，造成更大溢流，且增加卡鉆的機(jī)率。

2.危害性及處置難度大

水平井與直井的儲(chǔ)層暴露面積對(duì)比見圖2。由此可知，水平井儲(chǔ)層的暴露面積是直井的幾十倍，甚至上百倍[4]，所以，水平井段鉆井時(shí)一旦出現(xiàn)欠平衡，其溢流量和溢流速度將遠(yuǎn)超直井，其危害性更大。

圖2 直井與水平井的儲(chǔ)層暴露面積對(duì)比圖

二、溢流的預(yù)防與應(yīng)急措施

為了有效地規(guī)避上述不利影響，首先應(yīng)從鉆井工程設(shè)計(jì)、井控現(xiàn)場(chǎng)管理和操作等方面進(jìn)行優(yōu)先考慮。

1.鉆井工程設(shè)計(jì)方面

(1)水平井套管柱設(shè)計(jì)時(shí)，套管下深應(yīng)盡可能接近水平井段,實(shí)現(xiàn)“專層專打”，以防壓井期間上部裸眼井段出現(xiàn)復(fù)雜情況。

(2)可適當(dāng)提高環(huán)空返速、鉆井液密度、劃眼頻度和在鉆具組合中適當(dāng)加入清砂工具等手段，來提高井眼凈化效果，減少巖屑床產(chǎn)生。

2.井控現(xiàn)場(chǎng)管理和操作方面

(1)水平井段鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低鉆速，并分段循環(huán)觀察，以利早期發(fā)現(xiàn)。

(2)應(yīng)先采用平衡地層壓力當(dāng)量密度的壓井液進(jìn)行循環(huán)，以最大程度地排除水平段頂部的“口袋”氣。

(3)起鉆前測(cè)油氣上竄速度，滿足安全起鉆的要求，否則應(yīng)循環(huán)加重。

(4)發(fā)現(xiàn)溢流及時(shí)關(guān)井，疑似溢流關(guān)井觀察。

(5)下鉆到井底前，應(yīng)循環(huán)一周以上，確保進(jìn)出口密度小于0.02 g/cm3。

三、水平井工程師法壓井方法及實(shí)施步驟

直井工程師壓井法只需按井口處和鉆頭處兩點(diǎn)連成的直線控制立壓即可，方法簡(jiǎn)單。水平井工程師壓井法計(jì)算點(diǎn)的多少取決于水平井的段制數(shù)量。本文以現(xiàn)場(chǎng)常見的直-增-穩(wěn)三段制剖面為例推導(dǎo)出水平井工程師法壓井的計(jì)算模式、方法和步驟。即分別計(jì)算出井口、造斜點(diǎn)、穩(wěn)斜點(diǎn)以及鉆頭四處的總循環(huán)壓力，繪制出從井口至造斜點(diǎn)、造斜點(diǎn)至穩(wěn)斜點(diǎn)、穩(wěn)斜點(diǎn)至鉆頭處三條斜率不一的直線，并且計(jì)算出各井段的定沖數(shù)循環(huán)立管壓力變化值。

1.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 井眼基本數(shù)據(jù)及鉆具組合

井眼的尺寸:?215.9 mm，測(cè)深：4 750 m，垂深：3 700 m；套管尺寸:?244.5 mm，測(cè)深：3 051 m，垂深：3 051 m；造斜點(diǎn)的測(cè)深：3 100 m，垂深：3 100 m，穩(wěn)斜點(diǎn)的測(cè)深：4 050 m，垂深：3 700 m；在用井眼內(nèi)鉆井液密度：ρm=1.43 g/cm3；鉆具組合：?127 mm鉆桿×3 100 m +?127 mm加重鉆桿×420 m+?127 mm鉆桿×1 230 m+下部鉆具組合(長(zhǎng)度忽略不計(jì))。(鉆桿容積：9.26 L/m；加重鉆桿容積：4.56 L/m；鉆具與裸眼環(huán)空容積：23.93 L/m；鉆桿與套管環(huán)空容積：26.16 L/m)。

1.2 地層強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3 低泵速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在40沖/min時(shí)pci=5.8 MPa；泵實(shí)際排量為18 L/沖。

1.4 鉆具水眼和環(huán)空對(duì)應(yīng)的沖數(shù)

(1)從井口到造斜點(diǎn)鉆具水眼對(duì)應(yīng)的沖數(shù):

S@KOP=(9.26 L/m×3100 m)÷18 L/沖=1595沖

(2)從井口到穩(wěn)斜點(diǎn)鉆具水眼對(duì)應(yīng)的沖數(shù):

S@EOB=[9.26 L/m×(3100+530)m+4.56 L/m×420 m]÷18 L/沖=1974沖

(3)從井口到鉆頭鉆具水眼對(duì)應(yīng)的沖數(shù):

S@bit=[9.26 L/m×(3100+530+700)m+4.56 L/m×420 m]÷18 L/沖=2334沖

(4)裸眼及套管環(huán)空對(duì)應(yīng)的沖數(shù):

S環(huán)空=(26.16 L/m×3051 m+23.93 L/m×1699 m)÷18 L/沖=6693沖

(5)井眼總體積對(duì)應(yīng)的沖數(shù):

S井眼=S@bit=S環(huán)空=9027沖

2.溢流數(shù)據(jù)

關(guān)井立壓pd=6 MPa；關(guān)井套壓pa=6.8 MPa；池增量ΔV=5.5 m3。

3.壓井模型推導(dǎo)、壓井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算程序和實(shí)施步驟

3.1 壓井液密度ρk(計(jì)算結(jié)果進(jìn)位取大)

3.2 初始總循環(huán)立管壓力pri

pri=pci+pd=5.8+6=11.8 MPa

3.3 終了總循環(huán)立管壓力pTf

3.4 壓井液沿鉆具下行至X點(diǎn)井深時(shí)的總循環(huán)立管壓力pT@X

根據(jù)井底常壓法壓井原理可知：壓井液沿鉆具下行至X點(diǎn)井深時(shí)總循環(huán)立管壓力pT@X共由兩個(gè)部分組成：一是壓井液泵入鉆具后的循環(huán)壓耗pc@X；二是壓井液泵入鉆具后剩余關(guān)井立管壓力pd@X。

因?yàn)?，壓井液沿鉆具水眼下行至X點(diǎn)時(shí)的低泵速循環(huán)壓耗pc@X和剩余關(guān)井立管壓力值pd@X分別為：

(1)

(2)

式中：pc@X—壓井液沿鉆具水眼下行至X點(diǎn)時(shí)的低排量循環(huán)壓耗，MPa；M@X—X點(diǎn)的井眼(鉆具)測(cè)深，m；M@bit—井眼(鉆具)總測(cè)深，m；pd@X—壓井液下行至X點(diǎn)井深時(shí)剩余關(guān)井立管壓力值，MPa；H@X—X點(diǎn)的井眼(鉆具)垂深，m；H@bit—井眼(鉆具)總垂深，m。

(3)

根據(jù)式(3)可得壓井液到達(dá)造斜點(diǎn)時(shí)的總循環(huán)立管壓力:

(4)

式中:pT@KOP—壓井液到達(dá)造斜點(diǎn)時(shí)的總循環(huán)立管壓力值,MPa；M@KOP—造斜點(diǎn)井眼(鉆具)測(cè)深，m；H@KOP—造斜點(diǎn)井眼(鉆具)垂深，m。

同樣根據(jù)式(3)可得壓井液到達(dá)穩(wěn)斜點(diǎn)時(shí)的總循環(huán)立管壓力pT@EOB：

(5)

經(jīng)整理，得：

(6)

式中：pT@EOB—壓井液到達(dá)穩(wěn)斜點(diǎn)時(shí)的總循環(huán)立管壓力，MPa；M@EOB—穩(wěn)斜點(diǎn)井眼(鉆具)測(cè)深，m；H@EOB—穩(wěn)斜點(diǎn)井眼(鉆具)垂深，m。

井口處、造斜點(diǎn)、穩(wěn)斜點(diǎn)及鉆頭處的坐標(biāo)分別是(0，11.8)、(1595，7.3)、(1974,6.4)、(2334,6.5)。

3.5 各井段的定沖數(shù)循環(huán)立管壓降值

分別計(jì)算出從井口至造斜點(diǎn)、造斜點(diǎn)至穩(wěn)斜點(diǎn)、穩(wěn)斜點(diǎn)至鉆頭的定沖循環(huán)立管壓降值(定沖一般為100～200沖，本文選200沖)。

(1)從井口至造斜點(diǎn)每200沖的循環(huán)立管壓降ΔpT@KOP:

(7)

(2)從造斜點(diǎn)至穩(wěn)斜點(diǎn)每200沖的循環(huán)立管壓降ΔpT@EOB:

(8)

(3)從穩(wěn)斜點(diǎn)至鉆頭每200沖的循環(huán)立管壓降ΔpT@bit:

(9)

3.6 壓井液泵入沖數(shù)與循環(huán)立管壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系及關(guān)鍵操作步驟

(1)壓井液泵入沖數(shù)與循環(huán)立管壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

(2)水平井工程師壓井法立壓控制曲線見圖3。

圖3 水平井工程師壓井法立壓控制曲線

(3)關(guān)鍵操作步驟。①緩慢開泵,同時(shí)調(diào)節(jié)節(jié)流閥,保持套壓等于關(guān)井套壓(6.8 MPa)不變；②泵速逐漸達(dá)到40沖/min時(shí)保持泵速不變。在壓井液(1.6 g/cm3)從井口到造斜點(diǎn)期間按表1給出的數(shù)據(jù)將立壓從11.8 MPa逐漸降至7.3 MPa(每泵入200沖，立壓降低0.5 MPa)。從造斜點(diǎn)到穩(wěn)斜點(diǎn)期間將立壓從7.3 MPa逐漸降至6.4 MPa(每泵入200沖，立壓降低0.4 MPa)。從穩(wěn)斜點(diǎn)到井底鉆頭處期間將立壓從6.4 MPa逐漸增至6.5 MPa(每泵入200沖，立壓增加0.05 MPa)。當(dāng)壓井液從鉆頭返出后始終控制立壓等于終了循環(huán)立管總壓力ptf=6.5 MPa即可，直到壓井液返出地面，停泵關(guān)節(jié)流閥，此時(shí)pd=pa=0，則證明壓井成功。

表1 泵入壓井液沖數(shù)與循環(huán)立管壓力對(duì)應(yīng)表

四、結(jié)論

(1)水平井工程師壓井法應(yīng)首先分別計(jì)算出井口、造斜點(diǎn)、穩(wěn)斜點(diǎn)、鉆頭四個(gè)點(diǎn)的總循環(huán)立管壓力值，再將相鄰兩點(diǎn)以直線相連，最后分別計(jì)算出井口-造斜點(diǎn)、造斜點(diǎn)-穩(wěn)斜點(diǎn)、穩(wěn)斜點(diǎn)-鉆頭三段的定沖壓降值，并作成如表1所示施工數(shù)據(jù)表即可。泵入壓井液期間，在不同井段控制不同的壓降值，作為循環(huán)立管壓力控制操作的依據(jù)，就可順利實(shí)現(xiàn)水平井井底常壓法壓井的目的。

(2)水平井工程師法壓井中，壓井液一旦進(jìn)入水平段(穩(wěn)斜點(diǎn))，其循環(huán)立管壓力降至最小值，且小于終了循環(huán)立管壓力。水平井段越長(zhǎng)，兩者差值就越大。因此，在現(xiàn)場(chǎng)壓井操作中應(yīng)按實(shí)際循環(huán)立管壓力控制，不可忽視。否則，極易引起井下復(fù)雜情況，甚至造成事故。