欠平衡鉆井溢流風(fēng)險(xiǎn)分析方法

摘 要

摘要：川渝地區(qū)采用欠平衡鉆井技術(shù)提速效果明顯，但在鉆進(jìn)過程中，易發(fā)生發(fā)現(xiàn)氣層后關(guān)井不及時(shí)，壓井循環(huán)排氣套壓過高的問題。對(duì)欠平衡鉆井溢流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，可以為每口欠平衡井制訂
摘要：川渝地區(qū)采用欠平衡鉆井技術(shù)提速效果明顯，但在鉆進(jìn)過程中，易發(fā)生發(fā)現(xiàn)氣層后關(guān)井不及時(shí)，壓井循環(huán)排氣套壓過高的問題。對(duì)欠平衡鉆井溢流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，可以為每口欠平衡井制訂安全預(yù)案提供理論依據(jù)。為此，利用實(shí)鉆資料，對(duì)欠平衡鉆井潛在的溢流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，提出了欠平衡鉆井前開展溢流風(fēng)險(xiǎn)分析的方法。其核心是：根據(jù)欠平衡井鉆遇的地層特性，預(yù)測(cè)不同欠壓值下的地層出氣量，再通過壓井計(jì)算確定循環(huán)排氣時(shí)的最大套壓值，最后判定允許的溢流量及關(guān)井時(shí)間。以四川盆地合川構(gòu)造的合川X井為實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果相符，證明上述欠平衡鉆井溢流風(fēng)險(xiǎn)分析方法是切實(shí)可行的，并提出了控制欠平衡鉆井溢流風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策與措施。通過分析欠平衡鉆井溢流風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)范欠平衡操作、明確施工細(xì)節(jié)，可以確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、及時(shí)關(guān)井、嚴(yán)格控制溢流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速安全鉆井。
關(guān)鍵詞：欠平衡鉆井；鉆井提速；溢流風(fēng)險(xiǎn)；分析方法；壓井；溢流量；關(guān)井時(shí)間；川渝地區(qū)
川渝地區(qū)的欠平衡鉆井技術(shù)提速主要應(yīng)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(yán)重，且欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井相比，機(jī)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(shù)不確定，無法判斷是否鉆遇高產(chǎn)氣層，地面控壓也不清楚。此類因素極有可能導(dǎo)致溢流量過多、壓井循環(huán)排氣時(shí)套壓過高的情況。
2008年以來，為了縮短鉆井周期，對(duì)川渝地區(qū)部分區(qū)塊的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以四川I盆地合川構(gòu)造為例，表層套管下深至400m。這就對(duì)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(yàn)結(jié)果為10MPa)，套管鞋處地層破裂壓力低于地面設(shè)備安全承壓范圍以及套管強(qiáng)度，該處是井控安全的薄弱點(diǎn)。如果壓井循環(huán)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(jìn)入地表，使整個(gè)井場(chǎng)被易燃?xì)怏w淹沒，有可能引發(fā)爆炸著火、燒毀鉆機(jī)，甚至造成嚴(yán)重的人員傷亡。因此，預(yù)先開展溢流風(fēng)險(xiǎn)分析，確定欠平衡鉆井過程中的允許溢流量，制訂相應(yīng)對(duì)策，對(duì)確保井控安全意義重大。
1 潛在溢流風(fēng)險(xiǎn)分析
欠平衡鉆井技術(shù)通過設(shè)計(jì)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(xù)穩(wěn)定地流入井筒，因此，溢流始終伴隨著整個(gè)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(fā)現(xiàn)溢流后，須確保溢流在允許范圍值以內(nèi)及時(shí)關(guān)井。
但是，在現(xiàn)場(chǎng)開展的欠平衡鉆井作業(yè)中，仍潛在一定的溢流風(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)主要?dú)w咎于關(guān)井不及時(shí)，壓井循環(huán)排氣套壓過高。依據(jù)實(shí)鉆資料，通過對(duì)多口井的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)溢流風(fēng)險(xiǎn)主要基于以下原因：
    1) 鉆井隊(duì)對(duì)欠平衡鉆井技術(shù)掌握不熟練，鉆機(jī)設(shè)備老化，提游車慢，導(dǎo)致關(guān)井不及時(shí)，發(fā)生溢流過多的井多屬于此類。
   2) 所鉆儲(chǔ)層段物性差異較大，如果發(fā)現(xiàn)溢流小于1m3，多數(shù)情況下采用控壓處理和觀察，在短短幾分鐘內(nèi)，溢流量可能迅速上漲為4～6m3，從而延長(zhǎng)了關(guān)井時(shí)間，加大了井控風(fēng)險(xiǎn)。
    3) 不同構(gòu)造的關(guān)井時(shí)間未能較準(zhǔn)確的確定，導(dǎo)致地層壓力未能準(zhǔn)確計(jì)算。如四川盆地營(yíng)山構(gòu)造儲(chǔ)層較致密，套壓反應(yīng)較慢，按規(guī)定關(guān)井求壓控制在10～15min，而實(shí)際關(guān)井時(shí)間則可能更長(zhǎng)。
    以下是四川盆地合川構(gòu)造兩口井的溢流過多，壓井循環(huán)排氣套壓過高的實(shí)例。
    合川X井：清晨06：32發(fā)現(xiàn)溢流，錄井資料顯示溢流量為1.66m3(圖1)，此時(shí)，井深2385m，地層壓力系數(shù)為1.36，鉆井液密度為1.2g/cm3，繼續(xù)控壓鉆進(jìn)，至6：42才開始關(guān)井；在控壓鉆進(jìn)過程中，06：32-06：42間隔有10min，溢流量達(dá)到11.49m3，06：45關(guān)井成功，溢流量達(dá)到18.675m3，此時(shí)關(guān)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(zhǔn)備采取關(guān)井措施，直到00：39，關(guān)井才完成，期間耗費(fèi)時(shí)間4min，溢流量由3.4m3增加到16.2m3，此時(shí)，循環(huán)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(shí)際情況表明，兩口井壓井循環(huán)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(yàn)結(jié)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(shí)，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(jù)每口井的地質(zhì)特點(diǎn)開展溢流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，預(yù)測(cè)潛在的溢流風(fēng)險(xiǎn)，制訂相應(yīng)對(duì)策，確保安全。
2 溢流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法
    欠平衡鉆井溢流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的核心是：根據(jù)欠平衡井鉆遇的地層特性，預(yù)測(cè)不同欠壓值下的地層出氣量，再通過壓井計(jì)算確定循環(huán)排氣時(shí)的最大套壓值，最后判定允許的溢流量及關(guān)井時(shí)間(圖3)。
 

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

   對(duì)于水平井，首先計(jì)算水平的有效井筒半徑，再計(jì)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(jì)算參照本文參考文獻(xiàn)[8]。
   通過上述方法，可計(jì)算出不同鉆井液密度下的地層出氣量。
   欠平衡鉆井允許發(fā)生的溢流量除與地質(zhì)因素相關(guān)外，還與設(shè)計(jì)的鉆井液密度、泵排量、關(guān)井時(shí)間等相關(guān)，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(fā)生的溢流量與后期的壓井循環(huán)排氣中的套壓值密切相關(guān)，溢流量越大，壓井循環(huán)排氣的套壓越大，井控風(fēng)險(xiǎn)越大。壓井方法不同，循環(huán)排氣時(shí)的套壓值也就不同。
   在實(shí)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(gè)循環(huán)周完成，第一個(gè)循環(huán)周在平衡地層壓力的情況下，循環(huán)排除環(huán)空侵污鉆井液，之后停泵關(guān)井，繼續(xù)觀察壓力變化，并準(zhǔn)備壓井鉆井液；第二個(gè)循環(huán)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(fā)生溢流關(guān)井后，立即準(zhǔn)備重泥漿，替入井中，在一個(gè)循環(huán)周內(nèi)排除溢流并壓住井。工程師法壓井過程中，由于環(huán)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(shí)，壓井在一個(gè)循環(huán)周結(jié)束，施工時(shí)間短。
   采用司鉆法或工程師法壓井的計(jì)算方法，可確定不同構(gòu)造、不同層位的允許溢流量及關(guān)井時(shí)間。
3 應(yīng)用實(shí)例及效果分析
   合川X井是一口開發(fā)井，鄰井鉆探情況見表1，鄰井物性參數(shù)見圖4。
   從表1中可看出，鄰井的上三疊統(tǒng)須家河組須二段是主要產(chǎn)氣層，若采用欠平衡方式進(jìn)行鉆井，必須預(yù)測(cè)在設(shè)計(jì)鉆井液密度下的地層出氣量。
 

   根據(jù)鄰井須二段的孔滲關(guān)系(圖4)及鉆井液密度、井身結(jié)構(gòu)圖(圖5)，采用式(1)可計(jì)算出隨著井深增加，地層出氣的情況。計(jì)算參數(shù)：滲透率取0.5mD，鉆井液密度設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)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(guān)系，若發(fā)現(xiàn)溢流后，繼續(xù)鉆進(jìn)，溢流量將以累計(jì)的方式增加。因此，在鉆遇氣層發(fā)現(xiàn)溢流后，必須停止鉆進(jìn)，防止繼續(xù)揭開氣層，避免溢流過多。
    為求取壓井循環(huán)排氣的允許套壓，采用工程師法壓井進(jìn)行計(jì)算。
    計(jì)算參數(shù)：原鉆井液密度為1.23g/cm3；關(guān)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(guān)系曲線，可以看出，溢流量越大，壓井最高套壓越大。在實(shí)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(jì)算結(jié)果為15.8MPa，與計(jì)算結(jié)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(fēng)險(xiǎn)分析實(shí)例計(jì)算表明：在開展欠平衡鉆井技術(shù)前，開展溢流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)能為安全順利的欠平衡鉆井提供技術(shù)支持；量化分析不同溢流量情況下，壓井循環(huán)排氣的井口套壓，可提高對(duì)溢流量控制的以識(shí)水乎。
4 對(duì)策與措施
    為了在川渝地區(qū)安全推廣欠平衡鉆井技術(shù)，必須對(duì)欠平衡操作進(jìn)行規(guī)范，明確操作細(xì)節(jié)，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、及時(shí)關(guān)井、嚴(yán)格控制溢流量。具體措施如下：
    1) 坐崗人員按要求嚴(yán)格坐崗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流顯示。錄井連續(xù)監(jiān)測(cè)液面，井隊(duì)坐崗人員除按要求的時(shí)間間隔測(cè)量記錄外，間隔期間坐崗人員仍需注意液面變化，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)通報(bào)。
    2) 溢流1m3，坐崗人員應(yīng)及時(shí)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(fā)出信號(hào)、關(guān)井；欠平衡鉆井值班人員在停泵后立刻關(guān)閉欠平衡節(jié)流管匯節(jié)流閥協(xié)助關(guān)井，在旋轉(zhuǎn)控制頭控制壓力允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，減小溢流量。
    3) 關(guān)井求得真實(shí)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(huán)形防噴器應(yīng)急關(guān)井。
5 結(jié)論
    1) 川渝地區(qū)的欠平衡提速效果明顯，但最大問題就是發(fā)現(xiàn)氣層后關(guān)井不及時(shí)、溢流量過多、壓井循環(huán)排氣套壓過高，增加了井控風(fēng)險(xiǎn)。因此做好溢流風(fēng)險(xiǎn)分析和執(zhí)行有效的應(yīng)急措施是解決問題的關(guān)鍵。
    2) 采用工程師法壓井的計(jì)算方法，對(duì)不同溢流量情況下在后期壓井中井口套壓的變化進(jìn)行了量化分析，提高了嚴(yán)格控制溢流量的必要性認(rèn)識(shí)。
    3) 采用本文所述方法進(jìn)行的溢流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，能為每口欠平衡提速井制訂安全預(yù)案提供理論依據(jù)。
    4) 通過分析欠平衡鉆井溢流風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)欠平衡操作進(jìn)行了規(guī)范，明確了操作細(xì)節(jié)，以確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、及時(shí)關(guān)井、嚴(yán)格控制溢流量。
符號(hào)說明
    Qgv為直井氣體產(chǎn)量，104m3/d；h為氣層有效厚度，m；Kh為水平滲透率，D；T為儲(chǔ)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(shù)；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(qū)域的長(zhǎng)半軸，m；L為水平井的井筒長(zhǎng)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(chǎn)量，104m3/d；Sh為水平井的表皮系數(shù)；Kv為垂直滲透率，D；dS為水平井表皮因子隨水平段長(zhǎng)度的增長(zhǎng)系數(shù)，m-1；ps為標(biāo)準(zhǔn)壓力，MPa；Ts為標(biāo)準(zhǔn)溫度，℃。
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(本文作者：潘登 魏強(qiáng) 肖潤(rùn)德 楊玻 祝秀娟 川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)