壓井前井控難易程度的確定方法

摘 要

摘要：氣藏鉆井中溢流發(fā)生后需要及時(shí)采用壓井操作來(lái)控制，對(duì)新區(qū)塊探井或是復(fù)雜區(qū)塊開發(fā)井來(lái)講，所鉆遇地層的信息難以弄清，從而導(dǎo)致壓井操作工藝難以確定，風(fēng)險(xiǎn)很大。在分析地層系數(shù)
摘要：氣藏鉆井中溢流發(fā)生后需要及時(shí)采用壓井操作來(lái)控制，對(duì)新區(qū)塊探井或是復(fù)雜區(qū)塊開發(fā)井來(lái)講，所鉆遇地層的信息難以弄清，從而導(dǎo)致壓井操作工藝難以確定，風(fēng)險(xiǎn)很大。在分析地層系數(shù)和井底壓差等因素對(duì)關(guān)井壓力恢復(fù)特征影響的基礎(chǔ)上，提出利用關(guān)井壓力恢復(fù)曲線在壓井前來(lái)判斷鉆井井控難易程度的方法。為此，建立了關(guān)井壓力恢復(fù)圖版，分析了儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)井控難度的影響。研究表明，雖然滲透率無(wú)法控制，但有效厚度是可控的，在高滲條件下有效厚度的變化對(duì)井控難度影響極大，因此高滲情況下盡早發(fā)現(xiàn)溢流并實(shí)施井控就顯得尤為重要。
關(guān)鍵詞：氣藏；關(guān)井；壓力恢復(fù)；井控；鉆井；安全
氣藏鉆井中溢流的危害巨大[1～2]，溢流發(fā)生后井底氣體在滑脫上升過(guò)程中所攜帶壓力因得不到及時(shí)釋放，從而帶來(lái)井口壓力的升高，井口控制的難度和風(fēng)險(xiǎn)隨之增加，故需要及時(shí)采用壓井操作來(lái)控制[3～4]。對(duì)新區(qū)而言，所鉆遇地層信息難以搞清，導(dǎo)致壓井操作風(fēng)險(xiǎn)難以估計(jì)，因此有必要在壓井前就確定井控難易程度。而這方面的研究報(bào)道較少，筆者在分析關(guān)井壓力恢復(fù)特征與儲(chǔ)層參數(shù)變化關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出利用關(guān)井壓力恢復(fù)曲線來(lái)評(píng)估井控難度的方法，為現(xiàn)場(chǎng)壓井操作提供了依據(jù)。
1 影響氣藏鉆井井控難易程度的因素
氣藏鉆井井控難易程度主要受到井底欠平衡程度、儲(chǔ)層滲透率和儲(chǔ)層有效厚度等儲(chǔ)層參數(shù)的影響[5～6]。井底欠平衡程度對(duì)壓井難易程度的影響是顯而易見的，欠平衡程度越高，則井控風(fēng)險(xiǎn)越大，難度越高。而地層系數(shù)對(duì)井控難易程度的影響則復(fù)雜得多，故引入氣藏滲流達(dá)西定律[7]：
 
式中：Q為氣井產(chǎn)量，m3/d；K為滲透率，10-3μm2；h為有效厚度，m；μ為地層氣體黏度，mPa·s；pe、pw分別為地層壓力、井底壓力，MPa；Re、rw分別為驅(qū)動(dòng)半徑、井眼半徑，m。
由式(1)可推斷出井控難易程度受地層系數(shù)(Kh)的影響有兩點(diǎn)：①地層系數(shù)越大，溢流時(shí)地層流體流量越大，則關(guān)井前井底壓力降低越快，流體產(chǎn)出壓差越大，導(dǎo)致地層流體流量加大，形成惡性循環(huán)，當(dāng)井筒中地層流體總量足夠大、流速足夠高時(shí)導(dǎo)致井噴的發(fā)生；②地層系數(shù)越大，地層流體侵入井筒潛在能力越大，既導(dǎo)致井控措施容易失敗，又使井控難度增大，風(fēng)險(xiǎn)增高。
因此在現(xiàn)場(chǎng)操作中，高地層系數(shù)情況比低地層系數(shù)情況時(shí)更加需要及早發(fā)現(xiàn)地層氣體侵入井筒，及早關(guān)井并實(shí)施壓井措施。
地層系數(shù)是滲透率和有效厚度的乘積，雖然有效厚度是可控的，但滲透率則被視為不可控的參數(shù)。由氣藏滲流達(dá)西定律知：高滲與低滲的情況相比，增加相同有效厚度時(shí)其地層氣體產(chǎn)出流量增加較多，帶來(lái)的井控難度和風(fēng)險(xiǎn)增加都較大。因此，對(duì)高滲儲(chǔ)層鉆井盡早發(fā)現(xiàn)溢流并實(shí)施井控尤為必要。
2 關(guān)井壓力恢復(fù)參數(shù)與儲(chǔ)層參數(shù)關(guān)系
2.1 地層系數(shù)對(duì)關(guān)井壓力恢復(fù)參數(shù)特征的影響
發(fā)現(xiàn)溢流關(guān)井后，地層氣體在地層壓力與井底壓力的壓差作用下會(huì)向井筒續(xù)流，續(xù)流作用的強(qiáng)弱取決于井底壓差和地層系數(shù)的大小。續(xù)流過(guò)程中地層氣體侵入體積公式可表示為：
 
式中：V為續(xù)流t時(shí)間地層氣體侵入總體積，m3；t為續(xù)流時(shí)間，min。
由式(2)得出，關(guān)井壓力恢復(fù)過(guò)程中關(guān)井井口壓力的升高值取決于進(jìn)入井筒的地層流體體積與關(guān)井壓力恢復(fù)結(jié)束的時(shí)刻(即地層流體侵入最多的時(shí)刻)。在欠平衡壓差一定(即最大關(guān)井井口壓力一定)的前提下，地層流體侵入體積是相等的，所以地層系數(shù)與恢復(fù)時(shí)間成反比。可以由最大關(guān)井井口壓力值與恢復(fù)時(shí)間的比值為斜率來(lái)表征地層系數(shù)。在關(guān)井壓力恢復(fù)曲線上反映出來(lái)的特征是：最大關(guān)井壓力值點(diǎn)與恢復(fù)起始點(diǎn)連線的斜率越大，首次出現(xiàn)最大關(guān)井壓力值點(diǎn)的時(shí)刻出現(xiàn)越早，則地層系數(shù)越大。利用關(guān)井壓力恢復(fù)曲線可以判斷地層系數(shù)的大小，進(jìn)而判斷井控的難易程度。
2.2 欠平衡程度對(duì)關(guān)井壓力恢復(fù)參數(shù)特征的影響
欠平衡程度(即井底壓差)的大小對(duì)關(guān)井壓力恢復(fù)參數(shù)特征的影響顯而易見，欠平衡程度越高，則關(guān)井壓力恢復(fù)完成時(shí)的最大關(guān)井壓力越大。因此，可利用關(guān)井壓力恢復(fù)曲線來(lái)評(píng)估欠平衡程度的大小。
3 基于關(guān)井壓力恢復(fù)判斷井控難易程度
3.1 關(guān)井壓力恢復(fù)圖版建立
“評(píng)價(jià)點(diǎn)”的壓力值代表井底欠平衡程度，亦代表最大關(guān)井井口壓力，因此需要用幾條壓力值線來(lái)區(qū)分壓力級(jí)別[8]。從起始恢復(fù)點(diǎn)到該評(píng)價(jià)點(diǎn)的連線的斜率表示關(guān)井壓力恢復(fù)的快慢，取決于地層氣體侵入井筒能力的大小，代表著地層系數(shù)的大小。因此需要用始于起始恢復(fù)點(diǎn)的幾條不同斜率的直線來(lái)區(qū)分地層系數(shù)級(jí)別。這樣，關(guān)井壓力恢復(fù)圖版應(yīng)包括幾條壓力級(jí)別水平線和幾條地層系數(shù)級(jí)別斜線。圖1中關(guān)井壓力恢復(fù)圖版中的低中壓界限和中高壓界限為兩條水平線(壓力值分別為4MPa和10MPa)，用以界定關(guān)井壓力恢復(fù)評(píng)價(jià)點(diǎn)的幅值，低中地層系數(shù)界限和中高地層系數(shù)界限為兩條斜線(斜率分別為25°、50°)，用以界定關(guān)井壓力恢復(fù)的斜率，即關(guān)井壓力恢復(fù)的快慢。
圖1中各區(qū)所反映出的欠平衡程度、地層系數(shù)大小和井控難度如下描述：①A區(qū)，低壓差、低地層系數(shù)，井控安全；②B區(qū)，中壓差、低地層系數(shù)，井控安全；③C區(qū)，高壓差、低地層系數(shù)，井控有一定風(fēng)險(xiǎn)；④D區(qū)，低壓差、中地層系數(shù)，井控安全；⑤E區(qū)，中壓差、中地層系數(shù)，井控有一定風(fēng)險(xiǎn)；⑥F區(qū)，高壓差、中地層系數(shù)，井控風(fēng)險(xiǎn)較大，難度較大；⑦G區(qū)，低壓差、高地層系數(shù)，井控有一定難度；⑧H區(qū)，中壓差、高地層系數(shù)，井控風(fēng)險(xiǎn)很大，難度較大；⑨I區(qū)，高壓差、高地層系數(shù)，井控風(fēng)險(xiǎn)和難度都非常大。
 

針對(duì)不同地區(qū)，若井控技術(shù)水平或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不同，則圖版中的低中壓、中高壓、低中地層系數(shù)和中高地層系數(shù)界限等4條界限應(yīng)相應(yīng)調(diào)整。
3.2 利用關(guān)井壓力恢復(fù)曲線評(píng)估井控難易
關(guān)井壓力恢復(fù)曲線的特征受到欠平衡程度和儲(chǔ)層參數(shù)的影響。欠平衡程度除受地層壓力梯度、鉆井液壓力梯度影響外，還受到地層鉆遇深度的影響。儲(chǔ)層參數(shù)中有效厚度指的是所鉆穿的有效厚度，因此它受到鉆速和該儲(chǔ)層鉆遇時(shí)間的共同影響。針對(duì)這些影響因素，取3次鉆井實(shí)例中的3組參數(shù)，如表1所示。測(cè)得3種情況下的關(guān)井壓力恢復(fù)過(guò)程中壓力隨時(shí)間的變化曲線，將其顯示在關(guān)井壓力恢復(fù)圖板上，如圖2所示。
 

表1 關(guān)井壓力恢復(fù)測(cè)試基本數(shù)據(jù)與結(jié)果表
序號(hào)
井深(m)
滲透率(10-3μm2)
地層壓力梯度(MPa/100m)
鉆井液密度(g/cm3)
鉆速(m/h)
鉆遇時(shí)間(h)
井控難度
1
4100
800
1.35
1.08
2
0.89
大
2
3300
120
1.25
1.04
2.5
0.76
中
3
2500
40
1.27
1.15
2
0.53
小
從圖2可看出，評(píng)價(jià)點(diǎn)的壓力值反映了欠平衡壓力程度，即地層壓力梯度與鉆井液壓力梯度的差值同井深的乘積的大小。評(píng)價(jià)點(diǎn)處的斜率(即最大關(guān)井井口壓力與恢復(fù)時(shí)間的比值)反映了關(guān)井壓力恢復(fù)的快慢，即滲透率與有效鉆遇厚度的乘積的大小。由于評(píng)價(jià)點(diǎn)A、B、C分別落在評(píng)估圖版的I、E和A區(qū)，因此鉆井井控難度分別為：井控風(fēng)險(xiǎn)和難度都非常大、井控有一定風(fēng)險(xiǎn)、井控安全。
3.3 儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)井控難度影響
關(guān)井壓力恢復(fù)快慢直接影響井控難度，然而在實(shí)際鉆井過(guò)程中，針對(duì)滲透率和有效鉆遇厚度對(duì)井控難度的影響需要注意兩點(diǎn)。第一，鉆遇高滲層還是低滲層是不可預(yù)料的，在同一個(gè)儲(chǔ)層鉆進(jìn)過(guò)程中垂向上滲透率差別很小，因此，一旦井涌，滲透率所影響的井控難度是不可控制的。第二，在某一儲(chǔ)層鉆進(jìn)的過(guò)程中，即鉆穿長(zhǎng)度增加的過(guò)程中，儲(chǔ)層有效厚度在增大，因此，儲(chǔ)層有效鉆遇厚度是可控的。
本方法以評(píng)價(jià)點(diǎn)與起始點(diǎn)間連線的斜率(pHmax/t)即最大關(guān)井井口壓力與恢復(fù)時(shí)間的比值來(lái)表征關(guān)井壓力恢復(fù)的快慢。那么分析滲透率和有效厚度變化下斜率的表現(xiàn)即可判斷不同滲透率或有效厚度情況下井控難度。
在其他參數(shù)相同的前提下，即井深為3500m、地層壓力梯度為1.3MPa/100m、鉆井液密度為1.05g/cm3的條件下，取具代表性的一組滲透率10×10-3、100×10-3、2000×10-3μm2和一組有效鉆遇厚度1、2、4m和8m，其計(jì)算得到的曲線見圖3。
 

由圖3可看出，在同一有效厚度情況下，滲透率增大帶來(lái)連線斜率的急劇增大，即井控難度的急劇增大。每條曲線的抬高都表示有效厚度越大則井控難度增大，說(shuō)明了及早發(fā)現(xiàn)溢流從而及早停止鉆進(jìn)對(duì)井控難度的控制作用。從3條曲線的對(duì)比可看出，滲透率越大，則井控難度隨有效厚度增大而加速增加。因此，對(duì)高滲儲(chǔ)層必要盡早發(fā)現(xiàn)溢流，盡早關(guān)井實(shí)施井控措施。
4 結(jié)論
1) 利用關(guān)井壓力恢復(fù)曲線可以判斷氣藏鉆井井控難易程度，最大關(guān)井井口壓力值越大，關(guān)井壓力恢復(fù)越快，則井控難度越大，提出關(guān)井壓力恢復(fù)圖版法來(lái)判斷氣藏鉆井井控難易程度。
2) 建立了關(guān)井壓力恢復(fù)圖版，利用本圖版能夠判斷出地層系數(shù)和欠平衡程度的大小，關(guān)井壓力恢復(fù)評(píng)價(jià)點(diǎn)在圖版中位置越靠上則欠平衡程度越大，評(píng)價(jià)點(diǎn)與起始點(diǎn)連線斜率越大則地層系數(shù)越大，都帶來(lái)井控難度的增加。
3) 根據(jù)關(guān)井壓力恢復(fù)圖版，分析不同儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)井控難易程度的影響。滲透率所影響的井控難度是不可控制的，有效厚度的影響是可控的。溢流發(fā)現(xiàn)越早，停鉆關(guān)井就越早。在高滲條件下井控難度隨鉆進(jìn)過(guò)程增長(zhǎng)的較快，因此更有必要及早發(fā)現(xiàn)溢流，實(shí)施井控。
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(本文作者：許寒冰 李相方 中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)