伍 葳，魏云錦，郭建華，付 志，楊華建

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，四川成都610000；2.中國(guó)石油西南油氣田公司開(kāi)發(fā)事業(yè)部，四川成都610000）

近年來(lái)國(guó)內(nèi)石油公司勘探開(kāi)發(fā)思路不斷革新，愈發(fā)重視儲(chǔ)層保護(hù)。因而一方面使得鉆井液密度與地層孔隙壓力差值呈縮小之勢(shì)；另一方面，地層孔隙壓力預(yù)測(cè)難以保證絕對(duì)精確，故而其存在不確定性，尤其是在國(guó)內(nèi)油氣資源增儲(chǔ)上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)——深部海相碳酸鹽巖地層。實(shí)鉆中地層孔隙壓力大于設(shè)計(jì)鉆井液密度而引發(fā)溢流的情況頻發(fā)，井控安全形勢(shì)不容小覷。因此，如何從“工程源頭”——鉆井工程設(shè)計(jì)中加強(qiáng)對(duì)井控工作的把控就顯得重要。提出在鉆井工程設(shè)計(jì)中加入關(guān)井井涌余量的認(rèn)識(shí)，并結(jié)合實(shí)例分析，得出關(guān)于關(guān)井井涌余量生產(chǎn)應(yīng)用的若干結(jié)論和建議。

1 井涌余量

溢流應(yīng)在各油田規(guī)定數(shù)量?jī)?nèi)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，且發(fā)現(xiàn)溢流顯示應(yīng)立即按關(guān)井操作規(guī)程迅速關(guān)井[1]。實(shí)鉆中溢流關(guān)井后，現(xiàn)場(chǎng)工程師會(huì)獲取控制溢流所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)確定能否安全完成關(guān)井和壓井作業(yè)。這對(duì)成功進(jìn)行井控作業(yè)，避免損壞井口裝置、井筒套管及壓破套管鞋處薄弱地層是必要的。

關(guān)于井涌余量（Kick Tolerance）的描述較多，其核心概念指井涌發(fā)生時(shí)能安全關(guān)井且循環(huán)壓井過(guò)程中，以不壓漏井筒內(nèi)薄弱層段為前提，所允許進(jìn)入井筒的最大溢流量[2-8]，是油氣井鉆井設(shè)計(jì)與施工作業(yè)中的一個(gè)重要參數(shù)，其表征溢流發(fā)生后，能否安全關(guān)井和壓井過(guò)程中有多少剩余能力的量，也可認(rèn)為是一個(gè)安全系數(shù)，表示關(guān)井和處理溢流的安全程度。井涌余量越大，越安全；越小，越危險(xiǎn)[9]。其有兩種表達(dá)方式[10-13]：一種是以密度單位表示的井涌余量Ki，被定義為溢流發(fā)生后，允許的最大井底壓力當(dāng)量泥漿密度（即一定井深時(shí)不致壓漏地層）與地層壓力當(dāng)量泥漿密度的差值；另一種是以體積單位表示的井涌余量KT，即在給定井筒鉆井液密度和實(shí)際地層壓力下，能夠?qū)崿F(xiàn)將被污染鉆井液循環(huán)出井筒而套管鞋處不發(fā)生破裂的最大氣侵體積。

鉆井作業(yè)過(guò)程中，需根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)的變化計(jì)算井涌余量是否滿足常規(guī)井控作業(yè)。在南海深水鉆井施工中，已將井涌余量更新數(shù)據(jù)納入鉆井設(shè)計(jì)與生產(chǎn)日?qǐng)?bào)中以為下部井段鉆進(jìn)決策提供參考[14]。不同工況下，如關(guān)井、司鉆法壓井、工程師法壓井及超重泥漿壓井，均對(duì)應(yīng)著不同的井涌余量值[15]。在特定工況下求出對(duì)應(yīng)井涌余量，若Ki＞0或KT＞ΔV（溢流體積，即循環(huán)罐多返量），則意味著能夠在安全前提下順利實(shí)施該作業(yè)。主要論述關(guān)井工況下井涌余量在鉆井工程設(shè)計(jì)中的必要性。

2 關(guān)井井涌余量計(jì)算方法

選用最大氣侵體積量KT來(lái)表示關(guān)井井涌余量。計(jì)算中作以下假設(shè)：①工程背景選為直井段；②給定一組井涌強(qiáng)度KI，即溢流時(shí)地層孔隙壓力與原井筒鉆井液密度的差值為一組定值；③裸露地層薄弱點(diǎn)選為上開(kāi)次套管鞋處[16]；④氣體在井筒內(nèi)以單相氣柱形式存在，且為理想氣體；⑤忽略溫度變化、氣體壓縮因子、氣體溶解度及滑脫效應(yīng)等因素。

具體步驟如下：

1）計(jì)算最大允許溢流氣體高度Hmax

發(fā)生溢流后關(guān)井，井筒與鉆具環(huán)形空間內(nèi)侵入一定高度氣柱而達(dá)到“U形管”水力系統(tǒng)平衡，經(jīng)環(huán)空與水眼兩側(cè)壓力平衡等式可推出此時(shí)的最大氣柱高度Hmax為：

式中：Hmax為最大氣柱高度，m；ρ鉆井液為鉆井液密度，g/cm3；Ggas為氣柱壓力梯度，MPa/m；MAASP為最大允許關(guān)井環(huán)空壓力，MPa，MAASP=P破裂-P鉆井液=（ρ破裂-ρ鉆井液）×D管鞋×0.009 8；SIDPP為溢流關(guān)井立壓，MPa，SIDPP=P地層-P鉆井液=（ρ地層-ρ鉆井液）×D井深×0.009 8=KI×D井深×0.009 8。

2）計(jì)算井底溢流氣柱體積V1

求出井筒內(nèi)氣體高度后，則進(jìn)一步可求得此時(shí)的氣侵量：

式中：V1為氣侵量，m3；SOH-BHA為井眼與底部鉆具之間的單位長(zhǎng)度環(huán)空容積，m3/m。

3）計(jì)算氣柱頂部到達(dá)管鞋處溢流體積V′

式中：V′為氣柱頂部到達(dá)管鞋處溢流體積，m3；SOH-DP為井眼與鉆桿之間的單位長(zhǎng)度環(huán)空容積，m3/m。

4）計(jì)算溢流時(shí)地層孔隙壓力P地層

式中：P地層為溢流時(shí)地層孔隙壓力，MPa；P鉆井液為鉆井液液柱壓力，MPa。

5）計(jì)算氣柱頂部到達(dá)管鞋處對(duì)應(yīng)井底工況條件下最大氣侵體積V2

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（PV=nRT）可以求出V2：

式中：V2為氣柱頂部到達(dá)管鞋處對(duì)應(yīng)井底工況條件下最大氣侵體積，m3；P破裂為上開(kāi)管鞋處地層破裂壓力，MPa。

6）計(jì)算關(guān)井井涌余量KT

比較V1與V2大小，取較小值為該工況下的關(guān)井井涌余量KT，即為溢流發(fā)生后為確保安全關(guān)井而允許地層氣體進(jìn)入井筒的最大侵入體積量。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

在給定井涌強(qiáng)度KI的前提下，通過(guò)上述計(jì)算我們能夠得到鉆井工程設(shè)計(jì)中每一開(kāi)次鉆進(jìn)中不同深度對(duì)應(yīng)的關(guān)井井涌余量。以川渝地區(qū)A氣田L(fēng)J-20三開(kāi)?311.1 mm井眼鉆進(jìn)為例，對(duì)如何在鉆井工程設(shè)計(jì)中加入關(guān)井井涌余量并指導(dǎo)實(shí)鉆井控工作進(jìn)行說(shuō)明。

LJ-20井為1口直井，其?339.7 mm表層套管下至850 m，下開(kāi)次?244.5 mm套管下至2 311 m；設(shè)計(jì)下開(kāi)次?311.1 mm井眼鉆進(jìn)使用鉆井液密度為1.08 g/cm3；?311.1 mm井眼鉆進(jìn)中底部鉆具組合當(dāng)量外徑為?215.9 mm，鉆桿外徑為?127 mm，則對(duì)應(yīng)單位長(zhǎng)度環(huán)空容積分別為0.039 m3/m、0.069 m3/m；根據(jù)鄰井資料，溢流后氣柱壓力梯度取為0.002 27 MPa/m；?339.7 mm表層套管管鞋處地層巖性主要為砂巖，通過(guò)試驗(yàn)得出管鞋處地層破裂壓力當(dāng)量密度為1.76 g/cm3，則可進(jìn)一步算出最大允許關(guān)井環(huán)空壓力MAASP為5.65 MPa。

對(duì)于井涌強(qiáng)度，結(jié)合區(qū)塊鄰井在該段所獲取的實(shí)際地層壓力資料，鉆井設(shè)計(jì)中給定KI=0.06 g/cm3，KI=0.12 g/cm3，KI=0.16 g/cm3。即假定溢流時(shí)地層孔隙壓力與原井筒鉆井液密度的差值分別為0.06 g/cm3、0.12 g/cm3、0.16 g/cm3；對(duì)于深度，在三開(kāi)鉆進(jìn)井段850～2 311 m之間間斷選取若干點(diǎn)。通過(guò)相關(guān)計(jì)算公式得出不同KI值條件下三開(kāi)鉆進(jìn)中不同深度的關(guān)井井涌余量，結(jié)果見(jiàn)表1—表3。

對(duì)結(jié)果進(jìn)行平滑等數(shù)據(jù)處理作出圖1，可在設(shè)計(jì)中作三開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)的井深—關(guān)井井涌余量關(guān)系圖。據(jù)此可以得出在3種KI值情況下，三開(kāi)鉆井中任一井深對(duì)應(yīng)的關(guān)井井涌余量。由圖1可知：某一給定KI值工況下，井眼越深，井涌余量逐漸變小。即隨著三開(kāi)鉆進(jìn)中進(jìn)尺增加，井控風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大。KI值越大，即井涌強(qiáng)度越高，相同條件下同一井深處的井涌余量越小。即溢流發(fā)生后關(guān)井取資料計(jì)算出的實(shí)際地層壓力當(dāng)量密度與原井筒鉆井液密度之差越大，井控工作越嚴(yán)峻。

當(dāng)三開(kāi)鉆進(jìn)中發(fā)生溢流，關(guān)井取得立壓值后，可反推出當(dāng)前地層孔隙壓力當(dāng)量密度，進(jìn)一步得到實(shí)際KI值。在圖1選定該KI值所對(duì)應(yīng)曲線后，按照當(dāng)前井深即可查到目前工況下的具體關(guān)井井涌余量值。再根據(jù)關(guān)井前的泥漿池多余返出量，即溢流量，可判斷目前關(guān)井行為是否安全。同時(shí)根據(jù)該關(guān)井井涌余量，可初步判斷下一步安全壓井的可能性。比如，三開(kāi)鉆進(jìn)至1 000 m時(shí)發(fā)生溢流，循環(huán)罐多返鉆井液量為1.8 m3。關(guān)井后測(cè)得立壓值為0.59 MPa，推算出實(shí)際地層壓力當(dāng)量密度為1.14 g/cm3，即KI值為0.06 g/cm3。由圖1可知，在該工況條件下當(dāng)井深為1 000 m時(shí)的關(guān)井井涌余量為23.6 m3，大于此時(shí)的溢流量1.8 m3。這證實(shí)了此次溢流發(fā)生后的關(guān)井行為是安全可行的，同時(shí)也初步表明后續(xù)安全完成壓井作業(yè)的可能性。

表1 KI=0.06 g/cm3工況下關(guān)井井涌余量值Table1 Kick tolerance value of shut-in asKI=0.06 g/cm3

表2 KI=0.12 g/cm3工況下關(guān)井井涌余量值Table2 Kicktolerancevalueofshut-inasKI=0.12g/cm3

表3 KI=0.16 g/cm3工況下關(guān)井井涌余量值Table3 Kicktolerancevalueofshut-inasKI=0.16g/cm3

圖1 LJ-20井?311.1 mm井眼井深—關(guān)井井涌余量Fig.1 Relation of well depth and kick tolerance of shut-in in?311.1 mm wellbore of well LJ-20

4 結(jié)論

1）提出在陸上油氣井鉆井工程設(shè)計(jì)中加入關(guān)井井涌余量，并給出一種關(guān)于關(guān)井井涌余量的計(jì)算方法。

2）通過(guò)LJ-20井?311.1 mm井眼鉆進(jìn)實(shí)例示范如何運(yùn)用鉆井工程設(shè)計(jì)中關(guān)井井涌余量以判斷和處理溢流，初步表明關(guān)井井涌余量在鉆井工程設(shè)計(jì)中的必要性。

3）通過(guò)選取若干組KI值討論了個(gè)別井涌強(qiáng)度情況下的井涌余量，不具有絕對(duì)的代表性。由于深部產(chǎn)層的地層壓力具有較強(qiáng)不確定性，如何令KI值動(dòng)態(tài)化以針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具有普遍適用性，需要繼續(xù)探索。