楊風杰,胡曉芬,魯 煜
(1.中國石化集團江漢石油工程有限公司鉆井一公司,湖北 潛江433121;2.中國石油塔里木油田公司教育培訓中心,新疆 庫爾勒541000)
鉆井、井下作業(yè)及試油的井控作業(yè)中,主要的任務就是關井后,在沒有發(fā)生井漏和地下井噴的情況下把侵入井內(nèi)的地層流體循環(huán)出地面。在這個過程中,控制井底壓力來平衡地層壓力是所有井控作業(yè)的關鍵。鉆井、井下作業(yè)及試油的井控現(xiàn)場作業(yè)中,溢流發(fā)生后如果操作不當,使井內(nèi)鉆井液噴空,在井內(nèi)全是天然氣的情況下,是以關井井口壓力來計算地層壓力,進行壓井作業(yè),這樣計算的地層壓力往往有偏差,使壓井失敗。在超深井的天然氣井井控作業(yè)中,用關井井口壓力來計算井底壓力有許多不確定的因素。
實踐證明,在鉆井、井下作業(yè)及試油的井控作業(yè)過程中,如果地質(zhì)設計上對可能鉆遇的地層壓力未能準確預測,或?qū)ζ涞貙訅毫ο禂?shù)掌握不準確,鉆進時的井底壓力就有可能低于地層壓力,極可能導致井噴或井噴失控事故的發(fā)生。地質(zhì)工作者和井控設計精確掌握井底壓力的計算方法,為準確地確定地層壓力及其壓力參數(shù),對鉆井、井下作業(yè)及試油的井控安全有著重要意義。
鉆井井控作業(yè)過程中,如果處理不當使井內(nèi)鉆井液噴空(試氣作業(yè)就相當于井內(nèi)鉆井液噴空),對于超深井這時的井底壓力計算特別重要。如果能關井,在不考慮溫度、壓力系數(shù)的影響時,對鉆井液噴空后的靜氣柱壓力梯度的理論推導和實際效驗,井底壓力的近似計算公式為式1:
式中:PG-關井井口壓力,MPa;PB-井底壓力,MPa;r-天然氣相對密度;e-自然對數(shù)(e=2.718);L-氣層中部深度,m。
現(xiàn)場用此公式計算地層壓力已經(jīng)接近真實的地層壓力,在超深井的天然氣井,鉆井液噴空后的井控作業(yè)過程中,為了壓井作業(yè)更安全可靠,就需要更精確的確定井底壓力的大小。顯然,利用式1計算沒有考慮天然氣的溫度和壓縮系數(shù)的影響,存在一定的偏差。如果考慮溫度、壓縮系數(shù)的影響,井底壓力的精確計算公式為式2:
式 中:PG-關井井口壓力,MPa;PB-井底壓力,MPa;e-自然對數(shù)(e=2.718);r-天然氣相對密度;L-氣層中部深度,m;Zcp-井筒平均壓縮系數(shù),Zcp是溫度和壓力的函數(shù),無因次;Tcp-井筒平均溫度,K;Tcp=t0+L/2Mo+273,t0-氣井所在地區(qū)常年平均溫度,℃;L-氣層中部深度,m;Mo-地熱增溫率,m/℃;Mo=實測產(chǎn)層溫度/(實測產(chǎn)層溫度-地面常年平均溫度)。
對于超深井的天然氣井,在高溫高壓的酸性氣藏中,二氧化碳、硫化氫、乙烷等組分在地下巖層的孔隙或裂縫中儲集,溫度和壓力常常高于其臨界溫度和臨界壓力,所以它們常常以“超臨界”組分出現(xiàn)。在儲層的天然氣就處于“超臨界”狀態(tài),進入井眼后部分在上部由于壓力減小和溫度的變化,轉(zhuǎn)換成氣相(臨界點);對鉆井現(xiàn)場的井控作業(yè)和井控安全影響較大。二氧化碳和乙烷的臨界溫度為30℃ 左右,容易在井口附近發(fā)生相變;硫化氫臨界溫度為100℃左右,在井筒中部發(fā)生相變。在井內(nèi)壓力高、溫度高的天然氣,靜氣柱壓力不是很小。
通過天然氣組分(甲烷79.05mol;乙烷4.61mol;丙烷2.00mol;異丁烷10.85mol;n-丁烷1.28mol;異戊烷0.21mol;n-戊烷0.34mol;乙烷0.84mol;庚烷0.78mol)的計算可以得出:在20.685MPa的壓力,溫度為76.7℃ 情況下,體積為229.5l的該天然氣的重量是45.36kg。顯然,對于超深井(壓力高、體積大)的天然氣井,在鉆井液噴空后的靜液柱壓力不是很小。在鉆井井控施工作業(yè)中必須精確確定井底壓力才能保證壓井施工安全。
現(xiàn)場鉆井、井下作業(yè)和試油井控作業(yè)中認為井內(nèi)氣相與液相是各自分開,互不相融,也就是理想的井底一小部分氣柱,一大部分鉆井液。這種認為簡單并且可操作性強,對于資料來源不多比較適用。它的理論依據(jù)是當井底壓力小于地層壓力時一定量的天然氣進入井眼環(huán)形空間,使地面鉆井液體積增加,當坐崗人員發(fā)現(xiàn)溢流后立刻關井。在用原鉆井液壓井循環(huán)過程中,認為氣體在環(huán)形空間以等溫膨脹,再根據(jù)流體力學理論計算壓井過程循環(huán)過程中的立壓或套壓的變化,來指導節(jié)流循環(huán)和壓井施工。下面以二次循環(huán)法壓井為例來計算壓井過程中的壓力變化。
鉆井、井下作業(yè)和試油的井控現(xiàn)場,地層流體進入井眼環(huán)形空間可以是氣柱的形式,也可以是鉆井液與氣體混合存于井眼環(huán)形空,鉆井現(xiàn)場實際上地層流體進入井眼環(huán)形空間是以“針狀”或“海綿狀”存在于井眼環(huán)空;天然氣進入井眼是以一定的上竄速度和循環(huán)速度在不斷向上運移;進入井內(nèi)的天然氣為干氣,天然氣進入井眼,關井后會導致井口壓力上升,滿足氣態(tài)方程。
如圖1所示,設進入井內(nèi)天然氣頂部距離地面距離為h,氣柱高為x,井深為H,進入井眼的天然氣體被循環(huán)到井眼環(huán)形空間的任意位置時的井底壓力Pb可用式3計算:
如果關井后天然氣向上運移,則井底壓力可用式4計算:
式中:Pb-井底壓力,MPa;PP-地層壓力,MPa;g=0.00981;Pf-氣柱壓力,MPa;h-井內(nèi)天然氣頂部距離地面距離,m;x-氣柱高,m;H-井深,m。
從式4可以得出,關井后天然氣向上運移,井底壓力不斷升高,長時間關井有壓漏地層的可能。通過式3與氣態(tài)方程PbVb/TbZb=PxVx/TxZx聯(lián)立解方程,可以求出二次循環(huán)法壓井循環(huán)的井口壓力,也就是進入井內(nèi)天然氣頂部在井內(nèi)任意地方的壓力計算公式如式5:
式5中:B=PP-gρm(H-x)-Pf;PP-地層壓力,MPa;ρm-鉆井液密度,g/mg3;H-井深,m;x-氣柱在環(huán)空中高度,m;Pf-氣柱壓力(用鉆井液增量計算出),MPa;Tx-氣柱所在位置的溫度,K;Zx-氣柱所在位置處的壓縮系數(shù);Ab-井底環(huán)空面積,m2;hb-井底氣柱高度(沒有運移),m;g=0.00981。
式5在合理地處理井內(nèi)天然氣在井內(nèi)的運移(體積法放壓法)與二次循環(huán)法壓井循環(huán)出進入井內(nèi)的天然氣是相同的,鉆井井控現(xiàn)場可以用式5計算進入井內(nèi)的天然氣氣柱頂在套管鞋處的壓力,為避免壓裂套管鞋處(或薄弱)的地層有重要意義,壓井過程中的最大套壓也可用式5計算。在鉆井井控現(xiàn)場簡單并且很實用。式5在鉆井井控現(xiàn)場適用于天然氣進入井內(nèi)的體積較小,坐崗人員及時發(fā)現(xiàn)天然氣進入井內(nèi),在及時關井的情況下成立。但針對“超臨界”狀態(tài)的天然氣進入井眼后,這時的井控問題還需要理論研究和現(xiàn)場實踐。
1)鉆井液噴空后的井底壓力可以精確地計算,為正確地保證井底壓力大于或等于地層壓力提供科學的數(shù)據(jù)。
2)鉆井液噴空后的深井超深井的天然氣井,關井后的靜氣柱壓力不是很小。
3)鉆進過程中天然氣進入井底,這時的井底壓力可以精確計算,為壓井提供科學依據(jù)。
4)井內(nèi)有鉆井液(或修井液)井底進入天然氣時,井底壓力在合理地處理井內(nèi)天然氣在井內(nèi)的運移(體積法放壓法)與二次循環(huán)法壓井循環(huán)出進入井內(nèi)的天然氣是相同的,為鉆井井控現(xiàn)場為避免壓裂套管鞋處或地層壓力低的地層提供了可靠的依據(jù)。
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