欠平衡鉆井溢流風險分析方法

摘 要

摘要：川渝地區采用欠平衡鉆井技術提速效果明顯，但在鉆進過程中，易發生發現氣層后關井不及時，壓井循環排氣套壓過高的問題。對欠平衡鉆井溢流風險進行評估，可以為每口欠平衡井制訂
摘要：川渝地區采用欠平衡鉆井技術提速效果明顯，但在鉆進過程中，易發生發現氣層后關井不及時，壓井循環排氣套壓過高的問題。對欠平衡鉆井溢流風險進行評估，可以為每口欠平衡井制訂安全預案提供理論依據。為此，利用實鉆資料，對欠平衡鉆井潛在的溢流風險進行了分析，提出了欠平衡鉆井前開展溢流風險分析的方法。其核心是：根據欠平衡井鉆遇的地層特性，預測不同欠壓值下的地層出氣量，再通過壓井計算確定循環排氣時的最大套壓值，最后判定允許的溢流量及關井時間。以四川盆地合川構造的合川X井為實例進行了計算，計算結果與實鉆結果相符，證明上述欠平衡鉆井溢流風險分析方法是切實可行的，并提出了控制欠平衡鉆井溢流風險的對策與措施。通過分析欠平衡鉆井溢流風險、規范欠平衡操作、明確施工細節，可以確保及時發現溢流、及時關井、嚴格控制溢流量，進而實現快速安全鉆井。
關鍵詞：欠平衡鉆井；鉆井提速；溢流風險；分析方法；壓井；溢流量；關井時間；川渝地區
川渝地區的欠平衡鉆井技術提速主要應用在第二次開鉆的非目的層，該段采用氣體鉆井易井塌、出水較嚴重，且欠平衡鉆井與常規鉆井相比，機械鉆速提高明顯[1～6]。但在采用欠平衡鉆井提速過程中，多口井遇到高壓氣層，由于地層壓力系數不確定，無法判斷是否鉆遇高產氣層，地面控壓也不清楚。此類因素極有可能導致溢流量過多、壓井循環排氣時套壓過高的情況。
2008年以來，為了縮短鉆井周期，對川渝地區部分區塊的井身結構進行了簡化，以四川I盆地合川構造為例，表層套管下深至400m。這就對井控安全提出了更高的要求，主要原因是：表層套管下深較淺(地破試驗結果為10MPa)，套管鞋處地層破裂壓力低于地面設備安全承壓范圍以及套管強度，該處是井控安全的薄弱點。如果壓井循環排氣套壓超過10MPa，就極有可能壓破地層，高壓氣體沿著破壞的地層進入地表，使整個井場被易燃氣體淹沒，有可能引發爆炸著火、燒毀鉆機，甚至造成嚴重的人員傷亡。因此，預先開展溢流風險分析，確定欠平衡鉆井過程中的允許溢流量，制訂相應對策，對確保井控安全意義重大。
1 潛在溢流風險分析
欠平衡鉆井技術通過設計合理的鉆井液密度，使井底壓力低于地層孔隙壓力，并在施工過程中采用地面控壓的方式，使地層流體持續穩定地流入井筒，因此，溢流始終伴隨著整個欠平衡鉆井過程[7]。為了保證井控安全，欠平衡鉆井在首次發現溢流后，須確保溢流在允許范圍值以內及時關井。
但是，在現場開展的欠平衡鉆井作業中，仍潛在一定的溢流風險。這種風險主要歸咎于關井不及時，壓井循環排氣套壓過高。依據實鉆資料，通過對多口井的總結，發現溢流風險主要基于以下原因：
    1) 鉆井隊對欠平衡鉆井技術掌握不熟練，鉆機設備老化，提游車慢，導致關井不及時，發生溢流過多的井多屬于此類。
   2) 所鉆儲層段物性差異較大，如果發現溢流小于1m3，多數情況下采用控壓處理和觀察，在短短幾分鐘內，溢流量可能迅速上漲為4～6m3，從而延長了關井時間，加大了井控風險。
    3) 不同構造的關井時間未能較準確的確定，導致地層壓力未能準確計算。如四川盆地營山構造儲層較致密，套壓反應較慢，按規定關井求壓控制在10～15min，而實際關井時間則可能更長。
    以下是四川盆地合川構造兩口井的溢流過多，壓井循環排氣套壓過高的實例。
    合川X井：清晨06：32發現溢流，錄井資料顯示溢流量為1.66m3(圖1)，此時，井深2385m，地層壓力系數為1.36，鉆井液密度為1.2g/cm3，繼續控壓鉆進，至6：42才開始關井；在控壓鉆進過程中，06：32-06：42間隔有10min，溢流量達到11.49m3，06：45關井成功，溢流量達到18.675m3，此時關井套壓上漲至9.5MPa，后壓井過程中，套壓上漲至13.8MPa。

    合川Y井：在半夜O0：35，溢流量由0.6m3增至3.4m3，準備采取關井措施，直到00：39，關井才完成，期間耗費時間4min，溢流量由3.4m3增加到16.2m3，此時，循環排氣處理過程中，套壓上漲至16.9MPa，溢流變化情況如圖2所示。
 

    合川X井與合川Y井的實際情況表明，兩口井壓井循環排氣的過程中，套壓分別為上漲至13.8MPa和16.9MPa，而套管下深都為400m，地破試驗結果值為10MPa。兩口井的套壓都超過了地層破裂壓力值，所幸地層未被壓破，未造成事故。同時，這兩起欠平衡鉆井溢流過多的案例也說明：欠平衡鉆井前，有必要根據每口井的地質特點開展溢流風險識別，預測潛在的溢流風險，制訂相應對策，確保安全。
2 溢流風險評估方法
    欠平衡鉆井溢流風險評估的核心是：根據欠平衡井鉆遇的地層特性，預測不同欠壓值下的地層出氣量，再通過壓井計算確定循環排氣時的最大套壓值，最后判定允許的溢流量及關井時間(圖3)。
 

   迄今為止，川渝地區已在多個構造，包括合川構造、廣安構造、安岳構造、九龍山構造、營山構造、磨溪構造及龍崗構造等，廣泛推廣了欠平衡鉆井技術。但由于不同構造、不同層位的儲層物性有差異，導致溢流情況也各不相同。
    通過鉆遇氣層的物性及鉆井參數，可通過公式(1)～(3)確定日產氣量的大小。
    對于垂直井，欠平衡條件下的地層出氣量的計公式[8]為：
   

   對于水平井，首先計算水平的有效井筒半徑，再計算水平井地層出氣量[8]。
 
   式(1)～(3)中，地下天然氣密度、氣體壓縮因子以及地下天然氣黏度的計算參照本文參考文獻[8]。
   通過上述方法，可計算出不同鉆井液密度下的地層出氣量。
   欠平衡鉆井允許發生的溢流量除與地質因素相關外，還與設計的鉆井液密度、泵排量、關井時間等相關，每口欠平衡井工況不同，允許的溢流量就存在差異。通常情況下，允許發生的溢流量與后期的壓井循環排氣中的套壓值密切相關，溢流量越大，壓井循環排氣的套壓越大，井控風險越大。壓井方法不同，循環排氣時的套壓值也就不同。
   在實際欠平衡鉆井過程中，司鉆法壓井和工程師法壓井較常見[9]。司鉆法壓井分兩個循環周完成，第一個循環周在平衡地層壓力的情況下，循環排除環空侵污鉆井液，之后停泵關井，繼續觀察壓力變化，并準備壓井鉆井液；第二個循環周采用重泥漿壓井，重漿返出地面后，停泵。
   工程師法壓井是在發生溢流關井后，立即準備重泥漿，替入井中，在一個循環周內排除溢流并壓住井。工程師法壓井過程中，由于環空液柱壓力的最小值較司鉆法高，故最大套壓值較司鉆法小，施工比較安全。同時，壓井在一個循環周結束，施工時間短。
   采用司鉆法或工程師法壓井的計算方法，可確定不同構造、不同層位的允許溢流量及關井時間。
3 應用實例及效果分析
   合川X井是一口開發井，鄰井鉆探情況見表1，鄰井物性參數見圖4。
   從表1中可看出，鄰井的上三疊統須家河組須二段是主要產氣層，若采用欠平衡方式進行鉆井，必須預測在設計鉆井液密度下的地層出氣量。
 

   根據鄰井須二段的孔滲關系(圖4)及鉆井液密度、井身結構圖(圖5)，采用式(1)可計算出隨著井深增加，地層出氣的情況。計算參數：滲透率取0.5mD，鉆井液密度設計為1.23g/cm3，井底壓力為25.69MPa，氣層壓力為29.12MPa，氣體黏度為0.011mPa·s，井徑為215.9mm，壓縮因子為0.97，泄油半徑為200m，計算結果如圖6所示。
 

   

 圖6表明，揭開氣層厚度與溢流量存在線性關系，若發現溢流后，繼續鉆進，溢流量將以累計的方式增加。因此，在鉆遇氣層發現溢流后，必須停止鉆進，防止繼續揭開氣層，避免溢流過多。
    為求取壓井循環排氣的允許套壓，采用工程師法壓井進行計算。
    計算參數：原鉆井液密度為1.23g/cm3；關井立壓為1.2MPa；套壓為6.5MPa；井深為1918m；壓井液密度為1.40g/cm3；排量為18L/s。
    圖7為不同的溢流量與壓井套壓的關系曲線，可以看出，溢流量越大，壓井最高套壓越大。在實際壓井操作過程中，池體積上漲16.2m3，套壓由12MPa上升為16～16.9MPa，壓井最高套壓計算結果為15.8MPa，與計算結果相符。因此，該井采用1.23g/cm3的鉆井液最大允許溢流量不超過3.5m3(井口壓力不超過7.2MPa)。
 

    合川X井溢流風險分析實例計算表明：在開展欠平衡鉆井技術前，開展溢流風險評價能為安全順利的欠平衡鉆井提供技術支持；量化分析不同溢流量情況下，壓井循環排氣的井口套壓，可提高對溢流量控制的以識水乎。
4 對策與措施
    為了在川渝地區安全推廣欠平衡鉆井技術，必須對欠平衡操作進行規范，明確操作細節，做到及時發現溢流、及時關井、嚴格控制溢流量。具體措施如下：
    1) 坐崗人員按要求嚴格坐崗，及時發現溢流顯示。錄井連續監測液面，井隊坐崗人員除按要求的時間間隔測量記錄外，間隔期間坐崗人員仍需注意液面變化，發現異常及時通報。
    2) 溢流1m3，坐崗人員應及時通知欠平衡鉆井值班人員和剎把操作人員，剎把操作人員立即發出信號、關井；欠平衡鉆井值班人員在停泵后立刻關閉欠平衡節流管匯節流閥協助關井，在旋轉控制頭控制壓力允許范圍內調節節流閥，減小溢流量。
    3) 關井求得真實地層壓力后，再確定下一步施工措施。
    4) 如果溢流量過大、過猛，直接先用環形防噴器應急關井。
5 結論
    1) 川渝地區的欠平衡提速效果明顯，但最大問題就是發現氣層后關井不及時、溢流量過多、壓井循環排氣套壓過高，增加了井控風險。因此做好溢流風險分析和執行有效的應急措施是解決問題的關鍵。
    2) 采用工程師法壓井的計算方法，對不同溢流量情況下在后期壓井中井口套壓的變化進行了量化分析，提高了嚴格控制溢流量的必要性認識。
    3) 采用本文所述方法進行的溢流風險預測，能為每口欠平衡提速井制訂安全預案提供理論依據。
    4) 通過分析欠平衡鉆井溢流風險，對欠平衡操作進行了規范，明確了操作細節，以確保及時發現溢流、及時關井、嚴格控制溢流量。
符號說明
    Qgv為直井氣體產量，104m3/d；h為氣層有效厚度，m；Kh為水平滲透率，D；T為儲層溫度，℃；μg為天然氣地下黏度，mPa·s；Z為氣體平均壓縮因子，無因次；Sv為直井的表皮系數；Rev為直井泄油半徑，m；rwv為直井的井筒半徑，m；pe為地層壓力，MPa；pwf為井底流壓，MPa；rwh為水平井井筒半徑，m；Aa為水平井泄油區域的長半軸，m；L為水平井的井筒長度，m；r′w為水平井有效井筒半徑，m；Reh為水平井泄油半徑，m；Qgh為水平井氣體產量，104m3/d；Sh為水平井的表皮系數；Kv為垂直滲透率，D；dS為水平井表皮因子隨水平段長度的增長系數，m-1；ps為標準壓力，MPa；Ts為標準溫度，℃。
參考文獻
[1] 甘升平，徐英，吳先忠，等.磨溪氣田快速鉆井技術及其應用[J].天然氣工業，2007，27(1)：54-56.
[2] 夏家祥.川西深井提速的實踐與認識[J].鉆采工藝，2009，32(6)：1-4.
[3] 伍賢柱.川渝氣田深井和超深井鉆井技術[J].天然氣工業，2008，28(4)：9-13.
[4] 潘登，邢景寶，林然，等.九龍山構造欠平衡鉆井提速的可行性分析[J].天然氣丁業，2010，30(10)：53-55.
[5] 鄭有成，凌忠，鄧虎，等.LG地區提高超深井鉆井速度的技術途徑[J].天然氣工業，2009，29(10)：51-53.
[6] 鄧林.銳意進取開拓創新[N].四川工人日報，2009-7-29(4).
[7] 劉振武.中國石油集團公司技術創新案例[M].北京：石油工業出版社，2006：260-262.
[8] 程林松，李忠興，黃世軍，等.不同類型油藏復雜結構井產能評價技術[M].東營：中國石油大學出版社，2007：83-85.
[9] 郝俊芳.平衡鉆井與井控[M].北京：石油工業出版社，1992：123-138.
 
(本文作者：潘登 魏強 肖潤德 楊玻 祝秀娟 川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)