油氣層中井控安全起鉆條件探討
——以川中東探區(qū)為例

孫曉波

(中國石化勝利石油工程有限公司西南分公司,四川德陽 618000)

對于油氣層中安全起下鉆應(yīng)具備的條件,國內(nèi)油氣井施工現(xiàn)場大多以油氣上竄速度是否滿足要求作為判斷依據(jù)。不同領(lǐng)域的學者對油氣在鉆井液中沿井筒上升過程中的運動規(guī)律進行了研究[1-4],油氣在鉆井液中的受力狀態(tài)及其產(chǎn)生的運動規(guī)律并非簡單的勻速運動,而現(xiàn)有油氣上竄速度計算公式還不能對油氣上竄的實際情況進行描述。國外各大公司的相關(guān)井控標準中很少提及油氣上竄速度,國內(nèi)各級井控標準中對油氣上竄速度具體達到什么數(shù)值才能滿足起下鉆條件的要求也不統(tǒng)一;油氣井施工現(xiàn)場一般采取較為保守的遲到時間法計算油氣上竄速度,根據(jù)油氣上竄速度的具體數(shù)值確定是否滿足起鉆條件。

1 井控標準中對油氣上竄速度的要求

起鉆前井筒條件安全是起鉆過程中不發(fā)生井控事件的基礎(chǔ)條件,因此起鉆前必須首先確認井內(nèi)壓力系統(tǒng)已處于穩(wěn)定狀態(tài),正如有學者所說“任何起鉆作業(yè)在鉆頭離開井底前,必須做好井控工作。起鉆作業(yè)常使井控問題突然出現(xiàn),正如經(jīng)常發(fā)生的情況,由于在檢測出問題時才進行井控工作,井眼情況已惡化,井控問題越來越復(fù)雜[5]。目前,起鉆前確認井筒條件是否安全的工藝方法,國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的標準,有必要對安全起鉆條件進行進一步探討。

1.1 國內(nèi)相關(guān)井控標準要求

短起下鉆、測量油氣上竄速度是否滿足起鉆條件,已作為國內(nèi)現(xiàn)場油氣層施工過程中保證井控安全的一項必不可少的程序,在鉆井作業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)不同地區(qū)的井控風險差異較大,國家標準、行業(yè)標準及企業(yè)標準中,都未對油氣上竄速度的具體數(shù)值做出明確規(guī)定,各施工區(qū)域制定的實施細則對油氣上竄速度基本都提出了相關(guān)要求,但對油氣上竄速度的計算方法及達到哪個數(shù)值能夠滿足安全起下鉆的條件等仍不統(tǒng)一。

1.1.1 國家標準及行業(yè)標準

國家標準中要求短程起下鉆后再下入井底循環(huán)觀察,油氣上竄速度滿足安全作業(yè)時間,方可進行下步作業(yè)[6],該標準中并未對短程起下鉆的具體做法及油氣上竄速度的具體數(shù)值做出明確規(guī)定,但要求油氣上竄速度滿足安全作業(yè)時間。

石油天然氣行業(yè)標準中要求在鉆開含硫化氫油氣層后,起鉆前應(yīng)先進行短程起下鉆。短程起下鉆后的循環(huán)鉆井液觀察時間應(yīng)達到一周半以上,進出口鉆井液密度差不超過0.02 g/cm3;短程起下鉆應(yīng)測油氣上竄速度,滿足安全起下鉆作業(yè)要求[7]。該標準對短程起下鉆的具體工藝措施做了較為詳細的規(guī)定,對鉆井液密度差做了較為明確的規(guī)定,未提及油氣上竄速度的具體要求。

1.1.2 企業(yè)標準

中國石油天然氣集團公司企業(yè)標準中要求短程起下鉆的基本做法如下:①一般情況下試起10柱～15柱鉆具或起至套管鞋,再下入井底循環(huán)觀察一個循環(huán)周,若鉆井液無油氣侵或油氣上竄速度滿足安全作業(yè)時間,則可正式起鉆,否則,應(yīng)循環(huán)排除受侵污鉆井液并適當調(diào)整鉆井液密度至短程起下鉆正常后再起鉆;②特殊情況時(需長時間停止循環(huán)或井下復(fù)雜時),將鉆具起至套管鞋內(nèi)或安全井段,停泵觀察一個起下鉆周期或停泵所需的等值時間,再下入井底循環(huán)觀察一個循環(huán)周,若鉆井液無油氣侵或油氣上竄速度滿足安全作業(yè)時間,則可正式起鉆,否則,應(yīng)調(diào)整處理鉆井液[8]。該標準對短程起下鉆的具體做法做了詳細規(guī)定,對有無油氣侵做了較為明確的規(guī)定,未對油氣上竄速度的具體數(shù)值做明確規(guī)定,但要求油氣上竄速度滿足安全作業(yè)時間。

中國石化井控管理規(guī)定中要求進行低泵沖試驗。起鉆前應(yīng)測油氣上竄速度,確保油氣上竄速度滿足標準;下鉆完畢應(yīng)測油氣后效,高壓氣層排完后效再正常鉆進[9]。該標準對進入油氣層主要井控措施進行了全面的總結(jié),未對相關(guān)具體數(shù)值做明確規(guī)定,但要求油氣上竄速度滿足標準。

中國海洋石油總公司企業(yè)標準中規(guī)定短程起下鉆的基本做法是循環(huán)至少兩周,氣測全量值小于10%且處于下降的趨勢,溢流檢查后,若無溢流,則可起鉆;否則,應(yīng)循環(huán)排除受侵鉆井液內(nèi)氣體,并適當調(diào)整鉆井液密度后再起鉆[10]。該標準對氣測全烴值的具體數(shù)值做了明確的規(guī)定,并提出了國外普遍使用的溢流檢查的概念。

1.1.3 各區(qū)域井控細則

各區(qū)域的井控細則較多,對油氣上竄速度的具體算法以及能夠安全起鉆的油氣上竄速度達到的具體數(shù)值等的規(guī)定不完全統(tǒng)一。有的地區(qū)明確規(guī)定了油氣上竄速度,使用遲到時間法計算;有的地區(qū)將安全作業(yè)時間明確為起下一趟鉆需要的時間(h)+10 h小于油氣上竄到井口的時間(h),在一趟起下鉆時間內(nèi)油氣上竄距井口1 000 m以下或者油氣上竄速度按作業(yè)周期內(nèi)控制不超過儲層頂部井深1/3～1/2(即控制時間的安全系數(shù)為2～3);有的地區(qū)將油氣上竄速度的數(shù)值限定為不超過10 m/h或小于30 m/h;有的地區(qū)針對不同井型、不同井深、不同層位,將短程起下鉆的具體做法及油氣上竄速度的具體數(shù)值進行了更細致地劃分。

1.2 國外相關(guān)井控標準要求

國外各大公司相關(guān)的井控操作指南(Well Control Mannual)對油氣上竄速度并無特殊要求,在其規(guī)定的起鉆程序(Tripping Procedures)中,大都提及溢流檢查(flowcheck)的概念,并對溢流檢查的施工節(jié)點、溢流檢查的時間長短等做出了明確的規(guī)定。

2 油氣上竄速度計算數(shù)值的探討

油氣上竄速度傳統(tǒng)的計算方法主要有遲到時間法、容積法、相對時間法等,不同計算方法得出的油氣上竄速度會有一定的差異,同一種計算方法因現(xiàn)場操作人員取值的差異,得出的油氣上竄速度的數(shù)值也會有一定的差異。本文以現(xiàn)場應(yīng)用最多的遲到時間法為例[11],現(xiàn)場使用的油氣上竄速度計算的數(shù)值,主要作為下步施工的參考依據(jù),但油氣在井筒內(nèi)的實際運移規(guī)律與計算的數(shù)值并不相符。

2.1 油氣上竄速度計算方法的探討

目前,國內(nèi)現(xiàn)場普遍使用的計算油氣上竄速度的方法為遲到時間法,其具體計算公式如下:

(1)

式中:v為油氣上竄速度,m/h;Hy為油氣層頂部深度,m;Hzt為循環(huán)鉆井液時鉆頭所在深度,m;tc為鉆頭所在深度遲到時間,h;t為從開泵循環(huán)到見到油氣顯示的時間,h;tj為從停泵起鉆至本次開泵的總靜止時間,h。

2.1.1 參數(shù)取值

對于同一口井,該計算方法會因參數(shù)取值差產(chǎn)生誤差。計算公式的右邊涉及5個參數(shù),其中油氣層頂部深度Hy、循環(huán)鉆井液時鉆頭所在深度Hzt為定值;從開泵循環(huán)到見到油氣顯示的時間t,基本已達成共識,取全烴曲線第一個明顯的拐點;鉆頭所在深度遲到時間tc,按照相關(guān)標準每隔50～100 m現(xiàn)場需用指示物或電石實測(遲到時間=實測的循環(huán)周-指示物在管柱內(nèi)的下行時間),該數(shù)值受泵的上水效率、鉆具在井內(nèi)的運動狀態(tài)等影響較大且該數(shù)值并非連續(xù)測量而是階段性測量,現(xiàn)場計算中可能造成不同的取值;從停泵起鉆至本次開泵的總靜止時間tj,因多數(shù)情況下現(xiàn)場需緩慢開泵至正常排量,取值上可能產(chǎn)生差異。

2.1.2 誤差

對于不同的井,計算方法產(chǎn)生的誤差不同。在實際應(yīng)用中,計算方法會因井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、井下情況(鉆柱底部下過油氣上竄界面的深度不同會導致因鉆具排替導致油氣上竄界面上升不同的高度)等的變化產(chǎn)生不同的誤差,也就是說該計算方法在不同的情況下計算精度會有較大差異,由于相關(guān)標準中未對具體問題做出相應(yīng)的說明,因此現(xiàn)場計算的精度不會更高,最終導致現(xiàn)場有可能用不準確的數(shù)據(jù)指導下步施工。

2.2 油氣上竄規(guī)律的探討

實際開井條件下,在氣體上竄過程中,根據(jù)玻意耳定律,由于壓力降低,氣體的體積將迅速膨脹,氣液兩相流態(tài)可能發(fā)生變化,造成氣體并非勻速上竄,因此計算的油氣上竄速度與氣體實際上竄速度會有差異。井下鉆井液流變參數(shù)存在差異性,井下環(huán)境的多樣性,要想精確計算出井筒內(nèi)侵入流體的運移速度并非易事。

3 安全起鉆條件探討及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 安全起鉆條件的程序探討

鉆井施工過程中,地層流體主要以巖屑氣侵、重力置換氣侵、濃度擴散氣侵、壓差氣侵、抽汲氣侵等5種方式進入井筒,但無論是哪種方式,只要有足夠多的地層流體進入井筒,能夠引起負壓差,井筒壓力系統(tǒng)就會處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。也就是說,對于同一個井筒,在其他各項條件不變的情況下,能夠引起井筒不穩(wěn)定狀態(tài)的首先是進入井筒的地層流體的量,地層流體進入井筒的方式則在一定程度上決定了處理氣侵的方式(是否需要進行節(jié)流循環(huán)加重鉆井液或只進行循環(huán)排氣),該種流體在井筒內(nèi)的上竄速度在一定程度上能夠決定安全作業(yè)時間[12],但為減緩油氣上竄而采取其他工藝措施的情況除外[13]。本文認為逐項做好以下5個步驟,可準確判斷是否滿足安全起鉆條件。

1)認真執(zhí)行短程起下鉆措施。短程起下鉆前應(yīng)對重點鉆機提升系統(tǒng)等認真做好檢查保養(yǎng),起下鉆期間尤其是鉆具下深較淺的情況下,盡量不進行檢修作業(yè)。參考國內(nèi)外相關(guān)標準,短程起下鉆的柱數(shù)控制為10～15柱的同時,短程起下鉆的時間控制應(yīng)不少于4 h。若短程起下鉆井段太長或時間太久,則存在較大的井控風險;若短程起下鉆井段或時間不夠,則不能反映起下鉆工況下井底壓力與地層壓力之間的真實狀況。

2)觀察記錄氣測錄井的全烴峰值。全烴峰值可較直觀地判斷在一定時間內(nèi)地層流體進入井筒的量。參考國內(nèi)外相關(guān)標準,鉆進過程中的起下鉆作業(yè)全烴峰值上限可規(guī)定為10%,中完作業(yè)期間或其他需井底長時間靜止的作業(yè)全烴峰值上限可規(guī)定為5%(如果其他起鉆條件都滿足,根據(jù)施工情況,全烴峰值在10%或5%及以下,可不將油氣上竄速度作為起鉆的參考值)。

3)分析氣測錄井的全烴值曲線變化情況。通過全烴曲線變化情況可判斷地層流體進入井筒的方式,如果是因為壓差氣侵引起的全烴值升高,井底存在負壓差,地層內(nèi)流體將持續(xù)不斷地進入井內(nèi),往往會出現(xiàn)全烴值持續(xù)不降或下降緩慢的現(xiàn)象;如果是其他原因氣侵引起的全烴值升高,全烴曲線往往會達到峰值后,短時間內(nèi)回歸至基值。

4)綜合運用溢流檢查手段。溢流檢查可排除循環(huán)過程中停泥漿泵后鉆井液慣性外溢的干擾,更直觀準確地發(fā)現(xiàn)溢流。參考國內(nèi)外相關(guān)標準,溢流檢查的時機應(yīng)為短程起下鉆排完后效以后,打重漿壓水眼之前,溢流檢查的時間應(yīng)不少于15 min。期間,鉆具以10 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,確保井口無外溢,方可打重漿壓水眼,起鉆。起鉆進技術(shù)套管,起鉆至普通鉆桿最后1柱,均要停止起鉆,觀察10～15 min,確認無異常才能繼續(xù)起鉆。

5)參考油氣上竄速度的計算值。在執(zhí)行國內(nèi)外相關(guān)標準的同時,綜合運用好以上4個程序,即可準確判斷是否滿足安全起鉆條件。

3.2 安全起鉆條件的現(xiàn)場應(yīng)用

YB103-1H井為川東北探區(qū)1口三高開發(fā)井,該井三開施工期間,根據(jù)油氣上竄速度計算的安全作業(yè)時間,不能滿足安全起下鉆要求(表1)。該井起鉆前,將鉆具起至技術(shù)套管內(nèi)等安全作業(yè)時間,再將鉆具下入井底循環(huán)排后效的方式,驗證了有足夠的安全起下鉆時間。隨后按照上述安全起鉆的程序逐項驗證,起下鉆過程中未見異常。

表1 YB103-1H井后效顯示情況

4 結(jié)論

1)現(xiàn)行井控標準對油氣層中能夠井控安全起鉆的油氣上竄速度的規(guī)定不統(tǒng)一,現(xiàn)有油氣上竄速度計算公式所得數(shù)值不能客觀反映井下油氣上竄的真實情況。僅依據(jù)油氣上竄速度超標就不起鉆,甚至盲目提高鉆井液密度,存在一定的片面性,甚至會造成不應(yīng)發(fā)生的井下復(fù)雜情況。

2)在油氣層中進行起鉆作業(yè)前,應(yīng)嚴格執(zhí)行短程起下鉆技術(shù)措施,并充分利用短程起下鉆獲得的全烴峰值及全烴值曲線變化趨勢等相關(guān)數(shù)據(jù),通過溢流檢查手段,綜合、客觀地判斷是否滿足起鉆條件,油氣上竄速度的計算值可作為參考數(shù)據(jù),但不能以其數(shù)值判斷起鉆是否安全。

3)做好現(xiàn)場井控工作需技術(shù)與管理并進,安全起鉆條件的判斷還應(yīng)充分考慮油氣藏類型、地區(qū)經(jīng)驗及隊伍水平等。

4)當井眼出現(xiàn)鉆井液性能、沉沙問題的井下阻卡、噴漏同存等復(fù)雜情況時,在起鉆前還應(yīng)充分考慮相應(yīng)復(fù)雜情況可能造成的井控風險。