周號(hào)博，牛新明，王 果，范紅康，高立攀

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中石化中原石油工程公司西南鉆井分公司，四川 成都 610052)

隨著油氣勘探開發(fā)逐步向深部復(fù)雜地層、深水、超深水發(fā)展，常遇到窄安全密度窗口地層油氣鉆采問題[1-2]。控壓鉆井技術(shù)(managed pressure drilling,MPD)能很好地解決這些鉆井難題，減少非生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)約鉆井成本。且隨著控壓鉆井技術(shù)逐步向精細(xì)控制方向發(fā)展，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)很可能是未來的首選鉆井方案。MPD技術(shù)不但能夠很好地解決窄密度窗口鉆井安全問題，同時(shí)還可用于對(duì)井下氣侵、溢流的動(dòng)態(tài)控制。在MPD中發(fā)生氣侵溢流時(shí)，通過井口節(jié)流管匯、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)氣侵進(jìn)行有效控制直至氣侵流體安全排出或壓入地層，而不是常規(guī)鉆井中的直接關(guān)井壓井操作?？貕恒@井系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣侵有效控制的關(guān)鍵因素是氣侵的早期監(jiān)測(cè)與最優(yōu)控制參數(shù)的制定。

氣侵早期監(jiān)測(cè)是指通過地面、井下鉆井工程參數(shù)對(duì)地層氣體侵入井筒進(jìn)行早期預(yù)測(cè)，其對(duì)確保油氣鉆井安全至關(guān)重要。目前，控壓鉆井氣侵早期監(jiān)測(cè)方法主要有微流量氣侵監(jiān)測(cè)與井底壓力特征分析監(jiān)測(cè)，微流量監(jiān)測(cè)方法主要是在循環(huán)出入口安裝高精度質(zhì)量流量計(jì)，通過實(shí)時(shí)質(zhì)量流量分析進(jìn)行溢流早期監(jiān)測(cè)，但在出入口同時(shí)安裝高精度質(zhì)量流量計(jì)成本較高，國外壓力特征分析監(jiān)測(cè)方法主要基于智能鉆桿海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，但智能鉆桿成本高、多用于模擬實(shí)驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用少，限制了該方法的推廣[3-9]。控壓鉆井氣侵控制是指監(jiān)測(cè)到氣侵后，不直接關(guān)井，首先利用控壓鉆井設(shè)備對(duì)溢流進(jìn)行控制。有學(xué)者對(duì)控壓鉆井氣侵控制進(jìn)行了研究，但現(xiàn)有研究成果主要集中在定性分析上，沒有系統(tǒng)的控壓鉆井氣侵控制方法理論分析及定量分析評(píng)價(jià)方法[10-15]。MPD氣侵監(jiān)測(cè)與控制是精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的重要組成部分，也是保證安全鉆進(jìn)的重要手段，本文基于控壓鉆井系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，基于氣侵壓力特征建立一種氣侵早期監(jiān)測(cè)方法，同時(shí)考慮地層、設(shè)備等因素建立一套合理的MPD氣侵控制方法，為MPD氣侵控制提供決策支持。

1 氣侵早期監(jiān)測(cè)方法

控壓鉆井過程中，當(dāng)井下無涌漏發(fā)生時(shí)，出入口流量基本相等，即Qin=Qout。當(dāng)井下一旦發(fā)現(xiàn)氣侵時(shí)，瞬時(shí)出口流量大于入口流量，即Qin

1.1 井口、井底壓力的時(shí)間導(dǎo)數(shù)

控壓鉆井多采用恒定井底當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)模式進(jìn)行控壓鉆進(jìn)，隨著井深增大，為維持井底ECD恒定，需要根據(jù)機(jī)械鉆速的大小對(duì)井口回壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，同時(shí)由于出口流量的瞬時(shí)變化也會(huì)引起回壓變化?？貕恒@進(jìn)過程中井口壓力計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：WHP為機(jī)械鉆速Rop時(shí)鉆進(jìn)Δt時(shí)間井底ECD恒定的實(shí)時(shí)套壓，Pa；Rop為機(jī)械鉆速，m/s；WHP0為初始套管壓力Δt為時(shí)間間隔，s；WHPΔQ為瞬間出口流量變化引起的井口套壓變化量，Pa。

同理，根據(jù)井底壓力組成部分，為了達(dá)到井底恒定ECD，井底壓力計(jì)算公式見式(2)。

Pb=ρmgH0+Pa+WHP0+

(2)

式中：Pb為以機(jī)械鉆速Rop條件下鉆進(jìn)Δt時(shí)間時(shí)為了維持井底ECD恒定的實(shí)時(shí)井底壓力，Pa；Pa為井深H0時(shí)的環(huán)空壓降，Pa；Pa,ΔQ為出口流量的瞬時(shí)變化引起的環(huán)空壓降增量，Pa。

根據(jù)式(1)和式(2)，以機(jī)械鉆速Rop鉆進(jìn)Δt時(shí)間內(nèi)井口壓力變化量、井底壓力變化量，計(jì)算公式分別見式(3)和式(4)。

(3)

Pa,ΔQ+WHPΔQ

(4)

由上述公式可知，在Δt時(shí)間內(nèi)井口壓力變化要小于井底壓力變化量，井底壓力變化量除了套壓變化量外，還有Δt時(shí)間內(nèi)井深增大引起的靜液柱壓力、環(huán)空壓降的增加量。定義無因次壓力變化量計(jì)算公式見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中：ΔWHPdism為無因次套壓變化量，無因次；ΔPdism為無因次井底壓力變化量，無因次。

壓力導(dǎo)數(shù)在現(xiàn)代試井分析中廣泛應(yīng)用，主要通過監(jiān)測(cè)井底壓力與壓力隨時(shí)間的變化判斷油藏性質(zhì)、估算產(chǎn)能等。導(dǎo)數(shù)在數(shù)學(xué)意義上更能反映變量的變化特征。如前所述，在控壓鉆井過程中一旦發(fā)生氣侵必然引起井口壓力、井底壓力的變化，為了能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到這些變化，定義了井口壓力、井底壓力無因次變量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)為式(7)和式(8)。

(7)

(8)

1.2 氣侵壓力特征分析

在正常鉆進(jìn)狀態(tài)下，Δt趨近于0時(shí)，選擇前一時(shí)刻的井底壓力、井口壓力作為初始?jí)毫?，則RopΔt≈0，流量變化ΔQ≈0，因此可得控壓鉆井正常鉆進(jìn)過程中的壓力特征計(jì)算公式見式(9)和(10)。

ΔWHPdism≈0; ?WHPdism/?t≈0

(9)

ΔPdism≈0; ?Pdism/?t≈0

(10)

當(dāng)井下一旦發(fā)生氣侵，有流體瞬間侵入井筒ΔQ>0，井口安裝有節(jié)流閥，節(jié)流閥開度沒有改變，則在這一瞬間ΔWHPdism>0,無因次套壓瞬間增大，則其導(dǎo)數(shù)?WHPdism/?t>0;井底壓力也呈增大趨勢(shì)，主要由套管壓力增大與流量增大導(dǎo)致的環(huán)空壓降增大引起。因此得控壓鉆井氣侵的壓力特征見式(11)和式(12)。

ΔWHPdism>0; ?WHPdism/?t>0

(11)

ΔPdism>0; ?Pdism/?t>0

(12)

因此，可根據(jù)控壓鉆井過程中壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析結(jié)合出入口流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行氣侵的早期預(yù)警。

2 MPD氣侵控制方法

控壓鉆井過程中采用旋轉(zhuǎn)防噴器封閉井口，建立了一個(gè)密閉循環(huán)系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)氣侵溢流，可以采用的控制措施較傳統(tǒng)鉆井多。但控壓鉆井氣侵控制的關(guān)鍵是確定最優(yōu)控制參數(shù)，控制不當(dāng)可能導(dǎo)致壓裂地層、井口套壓過高等情況，因此需要對(duì)控壓鉆井的氣侵控制方法進(jìn)行優(yōu)選。

2.1 最高允許套管壓力

最高允許套管壓力是井底壓力達(dá)到地層破裂壓力(或漏失壓力)所需的極限套管壓力。為了避免壓裂套鞋，井口最大允許套管壓力計(jì)算公式見式(13)。

Pc,Max-shoe=

0.00981(ρf,shoe-ESDshoe-ΔECDshoe)TVDshoe

(13)

式中：Pc,Max-shoe為避免壓破套管鞋得最高允許套管壓力，MPa；ρf,shoe為套鞋處的地層破裂壓力梯度，g/cm3；ESDshoe為套管鞋處的靜態(tài)當(dāng)量泥漿密度，g/cm3；ΔECDshoe為套鞋處由于循環(huán)壓降引起的附加當(dāng)量密度，g/cm3；TVDshoe為套鞋處垂深，m。

此外，裸眼段也可能存在地層破裂壓力(漏失壓力)低的情況，裸眼地層薄弱點(diǎn)最高允許套壓計(jì)算公式見式(14)。

Pc,Max-BH1=

0.00981(ρf,BH1-ESDBH1-ΔECDBH1)TVDBH1

(14)

式中：Pc,Max-BH1為壓破薄弱地層最高允許套管壓力，MPa；ρf,BH1為對(duì)應(yīng)破裂壓力梯度，g/cm3；ESDBH、ΔECDBH1為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的靜態(tài)當(dāng)量密度及循環(huán)附加當(dāng)量密度，g/cm3；TVDBH1為垂深，m。

根據(jù)上述方程計(jì)算最高允許極限套管壓力，計(jì)算過程中如果地層漏失壓力系數(shù)較地層破裂壓力系數(shù)低，則需采用地層漏失壓力系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。此外，根據(jù)鉆井工程條件計(jì)算得到允許套管壓力極限值Pc,Max-drill后，還需要與井口設(shè)備所能承受的最高井口壓力進(jìn)行對(duì)比分析，確定氣侵控制的最高允許套壓。

2.2 期望套管壓力

期望套壓是指當(dāng)氣侵發(fā)生時(shí)，為抑制地層流體進(jìn)一步侵入井筒，能夠?qū)⒁缌饔行Э刂撇⑵浒踩h(huán)出井所需的套管壓力。在以下分析中，均假設(shè)在正常鉆進(jìn)過程中發(fā)生氣侵，且氣侵位置為井底。循環(huán)排溢所需井口回壓計(jì)算公式見式(15)。

Pc,Exp=Pc,init+0.00981ΔρUBTVDBH+

ΔPstatic+ΔPaf,ΔQ+ΔPsf

(15)

式中：Pc,Exp為控制氣侵所需的井口壓力，MPa；Pc,init為氣侵發(fā)生前的初始套管壓力，MPa；ΔρUB為發(fā)生氣侵前井底欠壓值，g/cm3；ΔPstatic為氣侵發(fā)生后井筒內(nèi)的靜液柱壓力降低值，MPa；ΔPaf,ΔQ為循環(huán)排溢過程中排量變化所引起的環(huán)空壓降變化量，MPa；ΔPsf為安全系數(shù)，MPa。

根據(jù)式(15)對(duì)一定強(qiáng)度氣侵所需的井口回壓進(jìn)行計(jì)算分析。這里需要指出，氣侵后井筒內(nèi)的靜液柱壓力降低值是隨著氣體上移而不斷變化的，需要結(jié)合氣液兩相流模型進(jìn)行計(jì)算分析后得到[16]。在循環(huán)排溢過程中，一般當(dāng)氣體運(yùn)移至井口所需的井口壓力最高、靜液柱壓力降低最大，因此一般將氣體循環(huán)至井口所需井口壓力設(shè)置為期望套管壓力。

2.3 其他影響因素

在進(jìn)行氣侵控制參數(shù)選擇時(shí)我們還要考慮旋轉(zhuǎn)防噴器的壓力級(jí)別、循環(huán)排量變化、控壓鉆井系統(tǒng)的最高可控井口壓力、最高允許的循環(huán)立管壓力等，在計(jì)算所得期望井口壓力高于旋轉(zhuǎn)控制頭的壓力級(jí)別或系統(tǒng)的最高可控壓力范圍時(shí)，則需要采用BOP關(guān)井。

2.4 氣侵控制參數(shù)的確定

確定氣侵控制參數(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合計(jì)算分析，獲取最優(yōu)的氣侵控制參數(shù)。詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 控壓鉆井氣侵控制參數(shù)確定流程Fig.1 The schematic diagram of gas influx control parameters optimization

當(dāng)確定發(fā)生溢流后，可采用圖1的控壓鉆井氣侵控制流程，如果計(jì)算所得期望套管壓力能夠滿足要求，則可以直接排溢；如果不能滿足要求，需要迭代求取最優(yōu)排量確定是否有滿足需求的循環(huán)排量，如均不能滿足要求則需采用BOP關(guān)井。

3 試?yán)?yàn)證與評(píng)價(jià)

3.1 模擬井筒試驗(yàn)驗(yàn)證

在中石化中原全尺寸科學(xué)試驗(yàn)井進(jìn)行了模擬氣侵測(cè)試試驗(yàn)，該井在表層套管756 m處聯(lián)通有2in注氣寄生管，可通過寄生管向井筒內(nèi)注入壓縮氣體模擬地層氣侵。現(xiàn)以井下注入0.3 m3壓縮氣體為例對(duì)控壓鉆井過程中的氣侵監(jiān)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試過程中，保持井底注入氣體體積流量恒定，Qsg=4.5 L/s，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井口壓力，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,在氣侵瞬間井口回壓有一定上升，但不明顯；但通過實(shí)時(shí)計(jì)算其無因次壓力導(dǎo)數(shù)可以看出在注入氣體瞬間，壓力導(dǎo)數(shù)有一個(gè)異常增大。運(yùn)用導(dǎo)數(shù)可以對(duì)氣侵的起始瞬間進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)(圖2)。

圖2 氣侵套壓導(dǎo)數(shù)與套壓關(guān)系曲線Fig.2 The curves of WHP derivative and WHP

圖3 壓力導(dǎo)數(shù)與總池體積增量關(guān)系曲線Fig.3 The curves of WHP derivative and pit gain

套壓導(dǎo)數(shù)與總池體積增量對(duì)比結(jié)果如圖3所示，由圖3可以看出,氣侵瞬間套壓導(dǎo)數(shù)有異常凸起，在氣侵過程中壓力導(dǎo)數(shù)波動(dòng)較大，因此可以根據(jù)氣侵的壓力導(dǎo)數(shù)進(jìn)行氣侵早期監(jiān)測(cè)。同時(shí)，為了避免誤判，結(jié)合質(zhì)量流量計(jì)計(jì)算得到的總池體積增量可以準(zhǔn)確地對(duì)氣侵進(jìn)行早期預(yù)警。

由于在全尺寸試驗(yàn)井套管內(nèi)進(jìn)行氣侵模擬實(shí)驗(yàn)，不存在壓漏地層與套鞋的風(fēng)險(xiǎn)，采用直接排溢進(jìn)行了溢流控制，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，基于本文提出的溢流控制方法能夠很好地控制溢流，井底壓力控制結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合很好，當(dāng)氣侵流體運(yùn)移至井口壓力略有波動(dòng)，但能夠保持井底壓力維持恒定，避免氣侵進(jìn)一步發(fā)生。

圖4 排溢過程壓力控制結(jié)果Fig.4 The pressure results during circulating the influx

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

某井鉆進(jìn)至1 675 m處發(fā)生氣侵，根據(jù)出入口流量計(jì)算檢測(cè)到5 min內(nèi)侵入0.55 m3氣體，運(yùn)用前述氣侵監(jiān)測(cè)方法對(duì)氣侵進(jìn)行了早期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，氣侵發(fā)生瞬間，套管壓力導(dǎo)數(shù)響應(yīng)特征明顯，再一次證明了運(yùn)用壓力導(dǎo)數(shù)對(duì)氣侵進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)的可行性。

該井地層孔隙壓力系數(shù)1.28 g/cm3、1 300 m處易漏失， 漏失壓力系數(shù)1.5 g/cm3、 套鞋處破裂壓力系數(shù)2.2 g/cm3；鉆井液密度1.32 g/cm3,表層采用13-3/8”套管下至557.34 m，隨后采用12-1/4”鉆頭、5-1/2”鉆桿鉆進(jìn)，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算了不同回壓時(shí)井筒ECD分布情況及環(huán)空壓降。

圖5 某井氣侵監(jiān)測(cè)壓力導(dǎo)數(shù)及溢流量Fig.5 The WHP derivative and pit gain results ofkick detection

由圖6(a)可知，當(dāng)鉆進(jìn)至1 675 m處時(shí)，井口回壓達(dá)到1.8 MPa時(shí)井深1 300 m處ECD達(dá)到漏失壓力臨界點(diǎn)，因此，為了控制本次氣侵，套管壓力最高不允許超過1.8 MPa。圖6(b)給出了不同排量下環(huán)空壓降，由結(jié)果可知排量變化對(duì)井底壓力影響較小，因此，在循環(huán)排溢過程中排量對(duì)采用正常排量循環(huán)排溢即可。運(yùn)用多相流模擬分析計(jì)算了將侵入0.55 m3氣侵流體安全循環(huán)出井筒所需的井口壓力，計(jì)算最高所需井口套壓為0.8 MPa，該壓力小于允許最高壓力且小于旋轉(zhuǎn)防噴器壓力級(jí)別，因此可以將該股氣體循環(huán)出井筒。

圖6 氣侵控制參數(shù)計(jì)算分析Fig.6 The results of kick control parameters

根據(jù)計(jì)算分析選擇直接循環(huán)加回壓控制方法將氣體循環(huán)出井筒，以井底恒壓模式對(duì)氣侵溢流進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井口壓力、出入口流量變化，最終將氣侵流體安全循環(huán)出井口。圖7給出了整個(gè)氣侵發(fā)生至將其安全循環(huán)出井口的整個(gè)控制過程。由圖7可以看出,井口套管壓力控制結(jié)果與前述模擬計(jì)算分析結(jié)果基本吻合，井底壓力控制效果也很好。

圖7 循環(huán)排溢壓力控制結(jié)果Fig.7 The results of pressure control during circulating

4 結(jié) 論

1) 分析了氣侵過程中井口壓力、井底壓力的變化規(guī)律，建立了井口、井底壓力導(dǎo)數(shù)的氣侵響應(yīng)特征及其計(jì)算方法，最終建立了基于氣侵壓力特征的氣侵早期監(jiān)測(cè)方法；該方法可應(yīng)用于控壓鉆井過程中的實(shí)時(shí)氣侵早期監(jiān)測(cè)，確保及早發(fā)現(xiàn)微溢流，為溢流安全控制提供基礎(chǔ)支撐。

2) 分析了MPD氣侵控制方案制定的影響因素，綜合考慮地層、設(shè)備特性、鉆井工況，建立了控壓鉆井氣侵控制與安全排溢參數(shù)的優(yōu)選方法，MPD發(fā)生氣侵時(shí)，通過該方法可以確定最優(yōu)的氣侵控制參數(shù)，為氣侵控制安全控制提供基礎(chǔ)參數(shù)

3) 運(yùn)用中原實(shí)驗(yàn)井氣侵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)氣侵早期監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了應(yīng)用分析，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性與實(shí)用性；運(yùn)用某井氣侵實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)氣侵監(jiān)測(cè)模型、氣侵控制方法進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用分析，監(jiān)測(cè)與控制效果與實(shí)際吻合很好，證明本文提出的氣侵早期監(jiān)測(cè)及控制方法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。