李 黔 楊先倫 伍賢柱
1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院 3.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司
在常規(guī)壓井過(guò)程中雖然對(duì)套壓變化規(guī)律研究較多,但是作為控制井底壓力變化的節(jié)流閥操作基本上是應(yīng)用立壓控制法。充分利用立壓和套壓數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),使用節(jié)流閥來(lái)產(chǎn)生回壓,以保證井底壓力略大于地層壓力的條件下排除溢流和進(jìn)行壓井,該方法稱(chēng)為井底壓力控制法[1-2]。井底壓力控制法對(duì)井底壓力的控制能更平穩(wěn),更及時(shí),避免了井涌的二次產(chǎn)生和地下井噴的風(fēng)險(xiǎn)[3]。隨著隨鉆井底壓力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展[4-5],可以使現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆遇的壓力系統(tǒng)做出快速準(zhǔn)確的抉擇,顯示出處理井控復(fù)雜方面的應(yīng)用前景。
司鉆法壓井第一循環(huán)周用原鉆井液排除地層侵入流體,當(dāng)氣體從井底到井口環(huán)空上返的過(guò)程中套壓都是逐漸上升的,氣體在接近井口時(shí)上升較快,到達(dá)地面時(shí)套壓達(dá)到最大。當(dāng)氣體循環(huán)出井口時(shí)套壓急劇下降。溢流排完時(shí)套壓等于關(guān)井立壓。司鉆法第二循環(huán)周時(shí),壓井液從井口向鉆頭下行時(shí),套壓維持不變,當(dāng)壓井液從井底環(huán)空上返時(shí),套壓逐漸降低,壓井結(jié)束時(shí),套壓為零。
工程師法壓井,氣體在環(huán)空上返時(shí)套壓逐漸升高,氣體接近進(jìn)口時(shí)套壓上升較快,氣體到達(dá)地面時(shí)套壓達(dá)到最大。排除氣體的過(guò)程中,套壓逐漸下降至零[6]。
為保證壓井成功規(guī)避井控風(fēng)險(xiǎn),在壓井作業(yè)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)井控問(wèn)題尤為關(guān)鍵。套壓作為重要的井控參數(shù),能及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓井過(guò)程中出現(xiàn)的井控問(wèn)題并解決(表1),以保障壓井作業(yè)的順利進(jìn)行。
表1 壓井中可能發(fā)生的井控問(wèn)題表
在油氣井鉆進(jìn)中,由于地層壓力預(yù)測(cè)方法本身的缺陷而存在一定的誤差[7],這種誤差還只有依靠實(shí)鉆監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,尤其在新區(qū)和新層中的鉆井作業(yè)中。井涌強(qiáng)度越高,地層流體侵入量越大,則需要控制的井口回壓越高。套壓越高,井筒壓力安全性的考驗(yàn)就越大[8-9]。因此,檢測(cè)到溢流就需要立即關(guān)井。操作節(jié)流閥,借助它的開(kāi)啟和關(guān)閉維持一定的套壓,將井底壓力變化控制在一定窄小的范圍內(nèi)。為避免套壓過(guò)高,壓漏井筒薄弱地層,必要時(shí)需要降低套管壓力極限,保證井筒安全。
1)降低流體侵入量:提高早期溢流監(jiān)測(cè)能力,及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流,建議關(guān)井方式選擇硬關(guān)井。
2)增加壓井排量:環(huán)空壓耗大(分布在整個(gè)環(huán)空)有助于不使地層過(guò)載而又增大井底壓力。
3)超重密度壓井液:超重密度鉆井液到達(dá)環(huán)空時(shí),附加的靜液柱壓力將有效地降低套壓。
4)氣涌高于套管鞋時(shí):氣體靜壓力梯度低,當(dāng)氣體在套管鞋上方時(shí),作用在地層上的靜液柱壓力會(huì)減小。在不壓裂地層的情況下,套壓可以適當(dāng)增大。
在壓井作業(yè)中,溢流物從井底運(yùn)移到井口,如果地層流體是氣體,必然發(fā)生膨脹,為保持井底壓力大于地層壓力,必須增加井口套壓。立壓控制法在常規(guī)壓井中應(yīng)用廣泛,然而在運(yùn)用該法壓井中,因壓力傳遞存在的延遲性,對(duì)節(jié)流閥操作人員技術(shù)要求高[10]。壓力傳遞如圖1所示,立壓控制法比套壓控制法壓力傳遞路徑長(zhǎng)1倍,壓力傳遞時(shí)間多1倍,壓力傳遞延遲性,前者遠(yuǎn)比后者長(zhǎng)。為了消除壓力延遲,更好地處理氣柱膨脹帶來(lái)的壓力變化,節(jié)流閥開(kāi)度應(yīng)盡量保證不變,操作平穩(wěn),這樣保證了控制壓力的準(zhǔn)確性和及時(shí)性[11]。因此運(yùn)用套壓控制法調(diào)節(jié)節(jié)流閥能更精確更及時(shí)地保持井底壓力在安全窗口的范圍。
圖1 壓力傳遞路徑圖
常規(guī)壓井中套壓的應(yīng)用必須由被動(dòng)的參數(shù)記錄,壓井過(guò)程后期分析的簡(jiǎn)單應(yīng)用向主動(dòng)指導(dǎo)壓井施工方向發(fā)展。積極運(yùn)用套壓,可以把套壓極限問(wèn)題減到最低程度,并且可以盡量消除壓力傳遞的延遲性。
改進(jìn)的井底壓力控制法[12]和常規(guī)壓井法在壓力控制原則是一樣的,即井底恒壓。唯一不同的是在操作程序上,充分利用了立壓和套壓,即在壓井不同時(shí)間段節(jié)流閥操作依據(jù)不一樣。套壓變換越小,越平穩(wěn)越平緩甚至無(wú)變化,就采用套壓控制法;套壓變換迅速就采用立壓控制法。
井底壓力控制法應(yīng)用了立壓和套壓,壓井過(guò)程中根據(jù)壓力變化交叉綜合運(yùn)用,解決了初始立管壓力到終了循環(huán)壓力,操作節(jié)流閥的難度問(wèn)題,消除了壓力延遲性的影響,并且對(duì)壓井作業(yè)中的異?,F(xiàn)象做了分析。根據(jù)以上分析,壓力保持平穩(wěn)變化越小,壓力延遲就越小,節(jié)流閥操作越容易,壓力控制越精確。立管壓力變化趨勢(shì)越劇烈,采用套壓控制井底壓力能更好地處理井下氣體膨脹問(wèn)題。3種壓力控制法對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 3種壓力控制法比較表
PWD可直接精確測(cè)量環(huán)空井底壓力,能更早發(fā)現(xiàn)壓力變化,這對(duì)消除壓力計(jì)算模型計(jì)算值的不確定性,具有重要的意義[13]。壓力數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸,在停泵模式下,測(cè)得的最大、最小和平均壓力,當(dāng)循環(huán)開(kāi)始通過(guò)鉆井液脈沖傳輸?shù)降孛?。測(cè)量結(jié)果提供的信息,能直接判斷溢流物類(lèi)型(油氣侵),判斷分析井涌余量、井下是否井漏,避免溢流、井涌等復(fù)雜情況的發(fā)生,減少壓漏地層出現(xiàn)地下井噴的風(fēng)險(xiǎn)[14]。PWD測(cè)量數(shù)據(jù)在井控中的應(yīng)用主要有:井涌檢測(cè)、破裂壓力試驗(yàn)和關(guān)井壓井壓力曲線分析,指導(dǎo)壓井施工。
圖2顯示一種典型的鹽水溢流。在接單根后鉆進(jìn)至井深2 057m時(shí)(鉆井液密度2.01g/cm3)液面上漲1.9m3,發(fā)現(xiàn)溢流,PWD記錄的井底壓力小于了地層流體壓力。由于地層流體的侵入,測(cè)量的當(dāng)量鉆井液密度減小至2.04g/cm3。立即停止鉆井作業(yè)并進(jìn)行關(guān)井作業(yè),PWD記錄了關(guān)井—壓井過(guò)程中壓力恢復(fù)曲線。傳感器中得到了溢流至關(guān)井井底鉆井液當(dāng)量密度的減小過(guò)程,在關(guān)井時(shí)已減小到1.98g/cm3(停泵環(huán)空壓耗消失)。關(guān)井求壓得地層壓力當(dāng)量密度2.06 g/cm3。在地層壓力恢復(fù)期間調(diào)配密度2.06g/cm3壓井液,壓井方案采用工程師法準(zhǔn)備實(shí)施壓井作業(yè)。開(kāi)泵實(shí)時(shí)PWD數(shù)據(jù)記錄了將鉆井液密度由2.01g/cm3提高至2.06g/cm3,用壓井排量15L/s循環(huán)排除侵入流體,重新建立井筒壓力平衡的鉆井液當(dāng)量密度曲線。開(kāi)泵注入高密度鉆井液循環(huán)壓井,開(kāi)關(guān)節(jié)流閥控制井口回壓排除侵入流體產(chǎn)生了井底壓力當(dāng)量密度波動(dòng)。由圖2所示當(dāng)量密度波動(dòng)范圍為2.04~2.10g/cm3,主要是因?yàn)榫诨貕嚎刂撇缓侠碓斐傻?。根?jù)PWD記錄數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整回壓鉆井液當(dāng)量密度由2.08↓2.04↑2.10↓2.05↑2.08g/cm3最終趨于穩(wěn)定,說(shuō)明井口回壓控制合理正常能夠滿(mǎn)足井底恒壓的原則。壓井結(jié)束后鉆井液面回到了溢流前位置,成功實(shí)現(xiàn)溢流的排除。
圖2 溢流時(shí)PWD壓力記錄曲線和常規(guī)錄井曲線圖
從圖2中也可以直觀地發(fā)現(xiàn)當(dāng)井底當(dāng)量鉆井液密度有下降趨勢(shì)的時(shí)候,泥漿池液面變化并不明顯,因此根據(jù)PWD數(shù)據(jù)能有效識(shí)別井底地層流體氣侵狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流,是早期溢流監(jiān)測(cè)方案的有利補(bǔ)充,為油氣井發(fā)生溢流后的二次井控創(chuàng)造更為有利的條件。
實(shí)時(shí)PWD數(shù)據(jù)與常規(guī)鉆井液錄井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合,能夠用于解決井控問(wèn)題,指導(dǎo)井隊(duì)安全有效壓井,可提高壓井成功率,降低井控風(fēng)險(xiǎn)。
1)通過(guò)立壓控制法和套壓控制法的對(duì)比,提出了井底壓力控制法的操作程序和使用原則,為其現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)一步應(yīng)用提供了借鑒。
2)在壓井單上,建議增加套壓變化數(shù)據(jù)和曲線,以保證節(jié)流閥操作人員更為方便和快捷的操作節(jié)流閥。
3)隨鉆井底壓力測(cè)量技術(shù)能實(shí)時(shí)獲得真實(shí)的壓力數(shù)據(jù),可以?xún)?yōu)化鉆井液密度和當(dāng)量循環(huán)密度,建議進(jìn)一步加強(qiáng)研究軟件硬件配套技術(shù),對(duì)常規(guī)壓井技術(shù)進(jìn)行有效改進(jìn)。
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