起鉆中灌漿過程模擬及對井底壓力的影響

周 寶， 郭 斌， 劉 偉， 劉俊峰， 王衛(wèi)陽， 葉素桃

中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司

0 引言

隨著油氣勘探領域不斷向深地復雜油氣藏延伸，地層壓力精準預測難度增大，特別是目的層鉆進作業(yè)井控風險增高，溢流、井漏、漏后轉溢等復雜井況時有發(fā)生，若發(fā)現(xiàn)不及時或處理不當，極易誘發(fā)井噴，導致井眼報廢甚至造成人員傷亡[1- 2]，成為安全快速鉆井的“攔路虎”。而起鉆過程中因為無循環(huán)壓耗、抽吸壓力等降低井底液柱壓力；下鉆過程中因產生激動壓力增加井底液柱壓力均會破壞井筒壓力平衡，溢流井漏等復雜風險增大[3- 9]。因此，起鉆過程中對井底液柱壓力的準確判斷是井控安全的重要保障。

鉆井現(xiàn)場通常通過環(huán)空灌入量與起出鉆具的體積關系判斷井下情況：環(huán)空灌入量小于起出鉆具的本體體積時，井內可能發(fā)生溢流；環(huán)空灌入量大于起出鉆具的本體體積時，井內可能發(fā)生漏失。而高密度鉆井液在復合鉆具水眼中的流動造成灌漿量與起出鉆具的體積在井底正常的情況下不相等，從而影響現(xiàn)場對井下情況的判斷。本文通過分析計算起鉆過程中復合鉆具水眼與環(huán)空內鉆井液的流動情況，研究了鉆具水眼與環(huán)空內鉆井液的液柱壓力平衡過程，分析了復合鉆具水眼容積差對起鉆全過程中鉆井液流動規(guī)律，形成了復合鉆具起鉆過程中灌漿量隨起出鉆具長度變化關系，為現(xiàn)場監(jiān)測井筒壓力情況提供指導，對及時判斷井下是否發(fā)生溢流、井漏等復雜情況具有重要意義。

1 起鉆前壓水眼作業(yè)

對于超深井來說，由于井身結構和井口鉆具抗拉余量等因素的限制，常規(guī)采用復合鉆具來減輕鉆具重量。鉆井過程中，環(huán)空中由于壓耗的存在及巖屑在鉆井液中懸浮造成環(huán)空的靜夜柱壓力當量鉆井液密度高于鉆具水眼內鉆井液密度，即停泵后立管壓力不為零，為防止起鉆時鉆具水眼內的鉆井液下行不及時而噴出鉆臺面，造成鉆臺面污染，影響井口作業(yè)，延緩起鉆速度，造成鉆井液計量誤差而影響井下情況判斷，現(xiàn)場通常在起鉆前向鉆具水眼內注入高密度鉆井液(密度大于循環(huán)鉆井液)來“壓水眼”，以平衡鉆具內外的鉆井液液柱壓力差，如圖1所示。起鉆前注入高密度鉆井液后，井內鉆井液存在三種密度的鉆井液：環(huán)空鉆井液，水眼鉆井液及高密度鉆井液。

圖1 鉆前壓水眼作業(yè)示意圖

2 起鉆過程中井內鉆井液流動規(guī)律分析

理論計算做出以下基本假設：

(1)起鉆過程中，高密度鉆井液與原井漿不發(fā)生物質交換，二者界面保持水平。

(2)高密度鉆井液與原井漿的各自密度均勻。

(3)大直徑鉆具長度為l1，小直徑鉆具為l2，同一尺寸的鉆具水眼及環(huán)空橫截面積相等。

(4)起鉆過程中向環(huán)空連續(xù)灌漿，環(huán)空中注滿鉆井液，且井口壓力為大氣壓。

(5)起鉆過程中，有充足的時間使鉆具水眼與環(huán)空中的鉆井液壓力平衡。

受重力影響，起鉆過程中鉆具水眼與環(huán)空鉆井液的流動過程和壓力變化情況為典型的“U型管效應”[6- 8]，本文將起鉆過程分為六個階段。

2.1 注入高密度鉆井液后，水眼—環(huán)空鉆井液建立壓力平衡

起鉆前高密度鉆井液注入量根據(jù)停泵回壓計算：首先以水眼中鉆井液液面低于鉆臺面為目標確定所需壓差(現(xiàn)場將停泵回壓附加0.5～1 MPa作為初始壓差)，然后根據(jù)所需高密度鉆井液高度計算高密度鉆井液用量：

p=ΔρgH2

(1)

V=H2A

(2)

式中：p—停泵回壓附加量0.5～1 MPa，MPa；Δρ—壓水眼鉆井液與井內鉆井液密度差，g/cm3；H2—壓水眼鉆井液在鉆柱水眼中的高度,m；V—壓水眼高密度鉆井液體積，m3；A—單位高度鉆柱水眼內容積，m3/m；g—重力加速度，m/s2。

鉆具水眼中注入高密度鉆井液后，在壓差作用下，水眼中高密度鉆井液下行至環(huán)空—水眼鉆井液重新建立壓力平衡，在鉆具水眼頂部形成一段空氣柱，壓力平衡后，水眼中鉆井液分為3段，見圖2。

圖2 鉆具水眼注入高密度鉆井液后井內鉆井液分布示意圖

由上至下依次為高度為H1的空氣；高度為H2的高密度鉆井液，其密度為ρ1；高度為H3的井漿，其密度為ρ2；環(huán)空中鉆井液密度為ρ2。根據(jù)“U”型管壓力平衡原理[10- 12]，由公式(3)和公式(4)計算出空氣高度H1高密度鉆井液下行替出的鉆井液體積V1：

ρ1gH2+ρ2gH3=ρ2g(H1+H2+H3)

(3)

(4)

V1=H1qa

(5)

式中：qa—大直徑鉆具單位高度水眼容積,m3/m。

2.2 高密度鉆井液在大直徑鉆具水眼中運移至底部

開始起鉆作業(yè)后，水眼中空氣高度H1及高密度鉆井液高度H2保持不變，直至起鉆至高密度鉆井液即將進入小直徑鉆具水眼，如圖3，此過程中環(huán)空灌入量等于起出鉆具的本體體積，正常灌漿起出鉆具的高度lab為：

圖3 高密度鉆井液在大直徑水眼中運移至底部井內鉆井液分布示意圖

lab=l1-H1-H2

(6)

2.3 高密度鉆井液進入小直徑鉆具水眼

繼續(xù)起鉆，高密度鉆井液從大直徑鉆具水眼底部開始進入小直徑鉆具水眼，由于大、小鉆具水眼容積差，高密度鉆井液高度開始增加，高密度鉆井液形成的附加壓差隨之增大，水眼—環(huán)空鉆井液壓力體系發(fā)生改變，水眼—環(huán)空鉆井液重新建立平衡。此時水眼中鉆井液液面開始下降，環(huán)空灌漿量小于起出鉆具的本體體積，如圖4。

設定大水眼鉆具中高密度鉆井液高度為a，小鉆具水眼中高密度鉆井液高度為b，計算當起出鉆具高度為x時(圖4)，水眼鉆井液高度、等壓差變化情況，根據(jù)“U”型管原理，高密度鉆井液進入小直徑鉆具水眼前、后，水眼—環(huán)空鉆井液壓力保持平衡：

圖4 高密度鉆井液進入小鉆具水眼過程中井內鉆井液分布示意圖

ρ1gH2+ρ2gH4=ρ2g(H1+H2+H4)

(7)

ρ1gL2+ρ2gL3=ρ2g(L1+L2+L3)

(8)

式中：H1、H2、H4—分別為高密度鉆井液在大直徑鉆具水眼底部時，空氣柱、高密度鉆井液、井漿的高度,m;L1、L2、L3—分別是高密度鉆井液進入小直徑鉆具水眼后，空氣柱、高密度鉆井液、井漿的高度，m。

起出高度為x的鉆具后，鉆具長度與初始態(tài)的關系為：

L1+L2+L3=H-x

(9)

L2=a+b

(10)

L3=H4-b

(11)

大、小鉆具水眼單位長度容積分別為qa、qb，起鉆過程中高密度鉆井液體積保持不變：

qa×a+qb×b=qa×H2

(12)

b=λ(H2-a)

(13)

式中：λ—大、小鉆具水眼單位長度容積的比值，即λ=qa/qb。

求解大直徑鉆具水眼中高密度鉆井液高度a的解：

(14)

當a=0時，高密度鉆井液全部進入小鉆具水眼，此時起出鉆具的長度為：

(15)

高密度鉆井液全部進入小鉆具水眼后，水眼中空氣高度由H1增大為L4(如圖5):

圖5 高密度鉆井液完全進入小鉆具水眼后井內鉆井液分布示意圖

(16)

此過程中環(huán)空欠灌量為：

V2=(L4-H1)qa

(17)

也可以表示為：

(18)

欠灌狀態(tài)下起出鉆具的高度為：

lbc=H1+H2-L4

(19)

2.4 高密度鉆井液在小直徑水眼中運移，起出所有大直徑鉆具

繼續(xù)起鉆，鉆具水眼中空氣及高密度鉆井液高度不變(圖6)，但此過程中，起出鉆具由大直徑鉆具轉變?yōu)樾≈睆姐@具，鉆具水眼體積由大變小，水眼中空氣的體積減小，而空氣體積的減小量需要鉆井液補充，即環(huán)空灌漿表現(xiàn)為灌入量大于起出鉆具的本體體積，多灌量為：

圖6 起出所有大直徑鉆具過程中井內鉆井液分布示意圖

(20)

多灌狀態(tài)下起出鉆具高度lcd為：

lcd=L4

(21)

2.5 高密度鉆井液在小直徑水眼中運移至底部

繼續(xù)起鉆，高密度鉆井液在小直徑鉆具水眼中運移至底部，此過程中，水眼中空氣高度L4、高密度鉆井液高度L5保持不變，如圖7所示，即環(huán)空灌漿表現(xiàn)為灌入量等于起出鉆具的本體體積。正常灌漿狀態(tài)下起出鉆具的高度為：

圖7 高密度鉆井液在小直徑水眼中運移至底部時井內鉆井液分布示意圖

lde=l2-L5-L4

(22)

2.6 高密度鉆井液出水眼過程

高密度鉆井液出水眼過程中，水眼中高密度鉆井液高度開始下降，形成的附加壓差減小，表現(xiàn)為水眼中空氣高度減小，直至起出所有鉆具時，高密度鉆井液全部出水眼，水眼中空氣高度由L4減小為0，空氣的體積由鉆井液補充，補充量為：

V4=qb×L4

(23)

帶入L4，表示為式(24)，數(shù)值上等于V1，即將階段1中，壓水眼高密度鉆井液最初找平所頂替出的V1補足。

(24)

多灌狀態(tài)下起出鉆具的高度lef為:

lef=L5+L4

(25)

3 計算實例

以塔里木油田一口超深井某次起鉆過程為例，對起鉆過程中的高密度鉆井液高度、水眼中空氣高度變化，及其造成的灌漿異常情況進行理論計算，具體參數(shù)見表1，計算結果見表2。按照鉆具水眼中空氣的高度，把起鉆過程分為6個階段，起鉆過程中水眼中空氣柱的高度變化如圖8所示，環(huán)空灌入量與起出鉆具本體體積的差值變化如圖9所示。

圖8 起鉆過程中水眼內空氣的高度變化過程

圖9 起鉆過程中環(huán)空灌入量與起出鉆具本體體積的差值變化

表1 起鉆前理論計算參數(shù)

表2 起鉆過程中理論計算結果

起鉆階段a：向水眼中注入高密度鉆井液后，水眼中鉆井液下行，水眼—環(huán)空壓力體系趨于平衡，鉆具水眼中形成了高度為H1的空氣，替出體積為V1鉆井液。

起鉆階段a～b：水眼—環(huán)空鉆進液壓力體系平衡后起鉆至高密度鉆井液到達大直徑鉆具水眼底部，此過程中，鉆具水眼中鉆井液及空氣高度保持不變，此階段環(huán)空灌入量等于起出鉆具的本體體積。

起鉆階段b～c：高密度鉆井液開始進入小直徑鉆具至完全進入小直徑鉆具過程，此過程中，由于大、小鉆具水眼容積差異，高密度鉆井液在水眼中高度增加，壓差增大，水眼中鉆井液開始下行，上部空氣高度增加為L4，此階段環(huán)空灌漿情況為欠灌。欠灌體積為7.04 m3，現(xiàn)場實際作業(yè)過程中欠灌量為6.85 m3；欠灌的距離為678.43 m，現(xiàn)場欠灌高度為712 m，實際起鉆作業(yè)過程中，高密度鉆井液與井漿混合，造成鉆井液密度不均勻是造成誤差的原因。

起鉆階段c～d：鉆具水眼中鉆井液全部進入小直徑鉆具至起出所有大直徑鉆具，此過程中，水眼中高密度鉆井液及空氣高度保持不變，但起出的鉆具為大直徑鉆具，水眼中空氣的體積減小，需要鉆井液補充。因此，環(huán)空灌漿情況表現(xiàn)為灌入量大于起出鉆具體積，多灌量為V3。

起鉆階段d～e：起出大直徑鉆具后繼續(xù)起鉆至高密度鉆井液到達鉆具底部，此階段，水眼中空氣及高密度鉆井液高度保持不變，環(huán)空灌漿量等于起出鉆具本體體積。

起鉆階段e～f：高密度鉆井液開始從底部出水眼，因此，水眼中高密度鉆井液高度減小，水眼—環(huán)空壓差減小，水眼中空氣高度減小直至所有鉆具起出。此過程中，環(huán)空灌漿情況表現(xiàn)為灌入量大于起出鉆具體積，多灌量V4等于起鉆前注入壓水眼高密度鉆井液時替出的井漿體積V1。

4 結論

鉆井現(xiàn)場復合鉆具起鉆過程中環(huán)空灌漿會出現(xiàn)“正常灌漿—欠灌—多灌—正常灌漿—多灌”的過程，高密度“壓水眼”鉆井液在大、小直徑鉆具中形成不同壓差造成了環(huán)空灌漿異常，本文分析了整個過程并給出了灌漿異常量及灌漿異常距離的計算方法。并以塔里木一口使用復合鉆具的井作為實例對分析過程進行了驗證，結果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)有較好的對應關系。

高密度鉆井液進入小水眼鉆具開始的欠灌距離及欠灌量隨著大、小鉆具水眼單位長度容積比值、高密度鉆井液與井漿密度差、停泵回壓增大而增大；高密度鉆井液完全進入小直徑鉆具水眼后開始多灌，多灌量等于高密度鉆井液進入小水眼鉆具后的欠灌量；這個“欠灌”后“多灌”的過程應當引起現(xiàn)場技術人員的重視，在起鉆過程中對于大、小直徑鉆具水眼容積差引起的“假溢流”及“假井漏”能夠做出準確判斷。

現(xiàn)場起鉆作業(yè)前應盡量調整鉆井液流變性，以降低停泵回壓，在條件允許情況下，減小“壓水眼”高密度鉆井液的密度及用量，減小起鉆過程由于大、小直徑鉆具水眼容積差引起的“假溢流”及“假井漏”量?，F(xiàn)場技術人員應對起鉆過程中灌漿異常情況做出預測，準確識別大、小直徑水眼容積差引起的“假溢流”及“假井漏”。