黃 振 周玳羽 付 新 賀華東 劉 鑫

(中國石油集團(tuán)測井有限公司青海分公司)

0 引 言

油氣上竄是指地層油氣層被鉆開后，油氣層壓力大于井筒內(nèi)鉆井液液柱壓力，在壓差作用下，油氣進(jìn)入井筒并隨環(huán)空內(nèi)鉆井液液柱向上流動(dòng)的過程[1]。單位時(shí)間內(nèi)油氣在井筒內(nèi)流動(dòng)上升的高度，即油氣上竄速度[1]。油氣上竄速度對于評(píng)價(jià)油氣水層和保障現(xiàn)場鉆井井控安全具有重要的意義[2],檢測油氣上竄速度對鉆井液密度的調(diào)整具有指導(dǎo)作用[3]。

隨著青海油田的鉆井深度越來越大，中途起鉆時(shí)的裸眼段越來越長，深井的起下鉆過程要進(jìn)行多次分段循環(huán)，來確保井控安全。分段循環(huán)過程中使用的排量不盡相同，循環(huán)時(shí)遲到時(shí)間也隨之發(fā)生了多次變化，沿用傳統(tǒng)的遲到時(shí)間法和容積法計(jì)算油氣上竄速度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場的需要，造成很多重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井的油氣上竄速度不準(zhǔn)確，不能給鉆井施工提供有效的數(shù)據(jù)支持。因此，嘗試應(yīng)用分段判定累計(jì)泵沖法對深井起下鉆過程中分段循環(huán)時(shí)的油氣上竄速度進(jìn)行計(jì)算。

1 青海油田傳統(tǒng)計(jì)算油氣上竄速度的方法

目前青海油田傳統(tǒng)的計(jì)算后效油氣上竄速度的方法有兩種：遲到時(shí)間法和容積法。

1.1 遲到時(shí)間法

v=[H-(h/t)(t1-t2)]/t0

式中：v為油、氣上竄速度,m/h;H為油、氣層深度,m;h為循環(huán)鉆井液時(shí)鉆頭所在井深，m；t為鉆頭所在井深的遲到時(shí)間,min;t1為見到后效油、氣顯示的時(shí)刻；t2為下鉆至井深h的開泵時(shí)刻；t0為井內(nèi)鉆井液靜止時(shí)間(指起鉆時(shí)停泵到下鉆至井深h時(shí)開泵的時(shí)間),h。

應(yīng)用遲到時(shí)間法計(jì)算油氣上竄速度，要求起下鉆時(shí)不能開泵循環(huán)，下鉆到循環(huán)位置時(shí)開泵循環(huán)，排量一定，鉆頭所在井深的遲到時(shí)間一定。如果中途多次分段循環(huán)會(huì)造成遲到時(shí)間不一致的情況，所以當(dāng)深井或超深井需要多次分段循環(huán)來保障井下安全時(shí)，這種方法就無法有效計(jì)算油氣上竄速度。

1.2 容積法

v=[H-(Q/Vc)(t1-t2)]/t0

式中：Q為鉆井液泵排量,L/min;Vc為井眼環(huán)形空間每米容積，L/m。

應(yīng)用容積法計(jì)算油氣上竄速度，要求開泵循環(huán)時(shí)所用的排量一定，不能有較大的變化，此外要求井眼的直徑是一致的。所以對于深井和超深井來說，有多次的不同直徑的套管下深，分段循環(huán)時(shí)的排量也經(jīng)常有變化，就造成容積法計(jì)算油氣上竄速度不能滿足深井和超深井的要求。

2 分段判定累計(jì)泵沖法原理

在深井或超深井起下鉆時(shí)，為了保障井下的安全，經(jīng)常進(jìn)行分段循環(huán)作業(yè)，導(dǎo)致排量不同和鉆頭位置不同，這時(shí)可以根據(jù)遲到時(shí)間的原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換。遲到時(shí)間等于對應(yīng)的環(huán)空體積除以單位時(shí)間的泵沖體積，那么累計(jì)泵沖體積就等于開泵后油氣上竄距離段對應(yīng)的環(huán)空體積，所以分段判定累計(jì)泵沖法公式如下：

v={H-V泵總/[(D/2)2π-(d/2)2π]}/t0

式中：V泵總為分段累計(jì)泵沖體積,m3;D為井眼直徑，m；d為井內(nèi)鉆具直徑，m。

3 分段判定累計(jì)泵沖法在不同情況下的應(yīng)用

3.1 后效氣顯示前只進(jìn)行一次循環(huán)

某井井深為H井，油氣層深度為H，循環(huán)鉆井液時(shí)，鉆頭所在井深為h, 累計(jì)泵沖體積V泵總=V1+V2，井眼直徑分為兩部分，分別為D1和D2, 井內(nèi)鉆具直徑為d，鉆頭位置到油氣上竄位置的環(huán)空體積為V3，井內(nèi)鉆井液靜止時(shí)間(指起鉆時(shí)停泵到下鉆至井深h時(shí)開泵的間隔時(shí)間)為t0，如圖1所示。

根據(jù)分段判定累計(jì)泵沖法原理，可知油氣上竄速度為：

v={H-V1/[(D1/2)2π-(d/2)2π]-V2/[(D2/

2)2π-(d/2)2π]} /t0

由此可以看出：當(dāng)鉆頭位置在油氣上竄位置以下時(shí)，油氣上竄速度的計(jì)算與鉆頭深度無關(guān)。對比遲到時(shí)間計(jì)算油氣上竄速度，此時(shí)的鉆頭位置的遲到時(shí)間就等于(V1+V2+V3)/Q。此外井身結(jié)構(gòu)需要根據(jù)實(shí)際情況作出相應(yīng)的變化，井眼直徑可能分為一部分或幾部分，目的是準(zhǔn)確計(jì)算出鉆頭位置以上的環(huán)空體積。

圖1 測量后效時(shí)井內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖(一次循環(huán))

3.2 后效氣顯示前進(jìn)行多次循環(huán)

以同一井眼直徑為例進(jìn)行說明。

某井井深為H井，油氣層深度為H，井眼直徑為D, 井內(nèi)鉆具直徑為d，下鉆至井深h1時(shí)，鉆頭位置至井口的環(huán)空體積為V1，循環(huán)鉆井液時(shí)間為t01，累計(jì)泵沖體積為V11；下鉆至井深h2時(shí)，鉆頭位置至井口的環(huán)空體積為V2，循環(huán)鉆井液時(shí)間為t02，累計(jì)泵沖體積為V22；下鉆至井深h3時(shí)，鉆頭位置至井口的環(huán)空體積為V3，循環(huán)鉆井液時(shí)間為t3后出現(xiàn)后效油氣顯示，此時(shí)的累計(jì)泵沖體積為V33，起鉆時(shí)停泵到下鉆至井深h3時(shí)開泵的時(shí)間為t0(圖2)。

圖2 測量后效時(shí)井內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖(多次循環(huán))

由于下鉆至井深h3時(shí)，循環(huán)見后效油氣顯示，說明后效油氣已經(jīng)上竄至井深h3以上的位置。以下分別進(jìn)行討論。

(1)當(dāng)(V11+V22+V33)

v={H-(V11+V22+V33)/[(D/2)2π-(d/

2)2π]}/(t0-t01-t02)

(2)當(dāng)(V11+V22+V33)>V1時(shí)，說明后效油氣已經(jīng)上竄至井深h1以下的位置。這時(shí)在h1進(jìn)行的循環(huán)鉆井液工況，對進(jìn)行后效油氣上竄速度的計(jì)算無影響，可將這次循環(huán)鉆井液工況時(shí)間按鉆井液靜止時(shí)間處理，其t01時(shí)間的累計(jì)泵沖體積V11不計(jì)入后效計(jì)算的累計(jì)泵沖體積。

當(dāng)(V22+V33)

v={H-(V22+V33)/[(D/2)2π-(d/2)2π]}/

(t0-t02)

當(dāng)(V22+V33)>V2時(shí)，說明后效油氣已經(jīng)上竄至井深h2以下的位置。這時(shí)在h1和h2進(jìn)行的循環(huán)鉆井液工況，對進(jìn)行后效油氣上竄速度的計(jì)算無影響，可將前兩次循環(huán)鉆井液工況時(shí)間按鉆井液靜止時(shí)間處理，其t01和t02時(shí)間的累計(jì)泵沖體積V11和V22不計(jì)入后效計(jì)算的累計(jì)泵沖體積。

若此時(shí)V33

v={H-V33/[(D/2)2π-(d/2)2π]}/t0

(3)后效氣顯示前進(jìn)行三次以上的循環(huán)次數(shù)時(shí)，可以根據(jù)分段判定累計(jì)泵沖法計(jì)算后效油氣上竄速度的方法原理，進(jìn)行逐次情況論證，以達(dá)到精準(zhǔn)計(jì)算后效油氣上竄速度，為油氣勘探和鉆井施工安全提供保障的目的。

(4)此外，由于計(jì)算后效油氣上竄速度時(shí)，井徑不是很規(guī)則，需要用鉆進(jìn)時(shí)實(shí)測的遲到時(shí)間來反推算出裸眼段的實(shí)際體積，可以通過校正實(shí)際井眼直徑來進(jìn)行上竄高度的校正。實(shí)際的裸眼段體積公式為：

V裸眼=tQ-V套管+V鉆具

式中：V裸眼為裸眼段體積，m3；t為實(shí)測遲到時(shí)間，min；Q為排量，m3/min；V套管為套管內(nèi)非裸眼段體積，m3；V鉆具為井內(nèi)鉆具的體積，m3。

4 應(yīng)用效果

K井是一口重點(diǎn)探井，設(shè)計(jì)井深7 350 m，是青海油田的一口超深井。2020年9月21日08：00鉆進(jìn)至井深4 500.00 m三開完鉆，井身結(jié)構(gòu)為一開以660.4 mm鉆頭鉆至井深206.00 m完鉆，采用內(nèi)徑508.0 mm套管下至井深204.76 m，二開以444.5 mm鉆頭鉆至井深2 503.00 m完鉆, 采用內(nèi)徑315.32 mm套管下至井深2 501.57 m，三開以311.1 mm鉆頭鉆至井深4 500.00 m為裸眼段。

9月21日08:00-11:00雙泵以排量3 000 L/min循環(huán)鉆井液，井底理論遲到時(shí)間為93 min，實(shí)測遲到時(shí)間為96 min，油氣層位置為4 450.00～4 456.00 m,鉆具外徑d為139.7 mm。

11:00-16:00短起鉆至井深2 500.00 m。

16:00-18:00下鉆至井深3 100.00 m有磨阻現(xiàn)象，此時(shí)鉆頭位置以上的環(huán)空體積V1為193.31 m3。

18:00-18:30循環(huán)鉆井液并上提下放鉆具，排量為2 820 L/min，累計(jì)泵沖體積V11為84.60 m3。

18:30-20:00下鉆至井深3 900.00 m有磨阻現(xiàn)象，此時(shí)鉆頭位置以上的環(huán)空體積V2為241.86 m3。

20:00-20:30循環(huán)鉆井液并上提下放鉆具，排量為2 700 L/min，累計(jì)泵沖體積V22為81.00 m3。

20:30-22:00下鉆至井深4 500.00 m，此時(shí)鉆頭位置以上的環(huán)空體積V3為278.27 m3。

22:00-22:30循環(huán)鉆井液，排量為3 000 L/min，循環(huán)30 min后見后效油氣顯示，累計(jì)泵沖體積V33為90.00 m3。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 K井鉆井?dāng)?shù)據(jù)

由上述數(shù)據(jù)可以看出，K井在這次短起下鉆過程中，進(jìn)行了三次分段循環(huán)，而且三次循環(huán)時(shí)的排量各不相同，遲到時(shí)間隨之也有不同的變化，這種情況用遲到時(shí)間法或容積法來計(jì)算后效油氣上竄速度，很難得出正確的結(jié)果。而分段判定累積泵沖法就可以解決這類情況的油氣上竄速度的計(jì)算問題。

(1)因?yàn)槁阊劬卫碚擉w積和實(shí)際體積有一定的差距，所以先進(jìn)行裸眼井段體積的校正。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可計(jì)算理論的裸眼井段體積為:

V裸眼=(311.1/2 000)2×3.14×(4 500-2 501.57)

=151.83 m3

可計(jì)算實(shí)際的裸眼井段體積為:

V裸眼=tQ-V套管+V鉆具=161.54 m3

可見理論體積和實(shí)際體積有9.71 m3的誤差，從而裸眼段井徑由鉆頭直徑311.1 mm校正為320.9 mm。

(2)根據(jù)所提供的數(shù)據(jù)，V11+V22+V33=255.60 m3大于V1(193.31 m3)，所以第一次循環(huán)鉆井液時(shí)，后效油氣未上竄到3 100.00 m以上，根據(jù)累計(jì)泵沖法原理，第一次循環(huán)鉆井液不計(jì)入后效油氣上竄速度的計(jì)算中，將循環(huán)時(shí)間視為鉆井液靜止時(shí)間處理。

V22+V33=171.00 m3小于V2(241.86 m3)，所以得出第二次循環(huán)鉆井液時(shí)，后效油氣已經(jīng)上竄到3 900.00 m以上，根據(jù)累計(jì)泵沖法原理計(jì)算過程如下：

v={H-(V22+V33)/[(D/2)2π-(d/2)2π]} /(t0-t02)={4 450-171.00/[(320.9/2 000)2×3.14-(139.7/2 000)2×3.14]}/(11-0.5) =175.17 m/h

式中：t02為下鉆至井深3 900 m時(shí)循環(huán)鉆井液時(shí)間,h；t0為起鉆時(shí)停泵到下鉆至4 500 m時(shí)開泵的時(shí)間，h。

計(jì)算結(jié)果表明，本次短起下鉆測得油氣上竄速度為175.17 m/h，未達(dá)到鉆井安全起鉆電測周期，所以井隊(duì)要進(jìn)行循環(huán)加重處理鉆井液，將鉆井液密度上提，再進(jìn)行短起下鉆施工，重新測量后效油氣上竄速度，直到滿足安全起鉆電測的施工周期，才能進(jìn)行下一步施工。

5 結(jié)論與建議

隨著青海油田的鉆井深度越來越大，中途起鉆時(shí)的裸眼段越來越長，深井的起下鉆過程要確保井控安全，必須準(zhǔn)確計(jì)算油氣上竄速度。遲到時(shí)間法和容積法已經(jīng)無法適應(yīng)深井的油氣上竄速度的計(jì)算。

采用分段判定累計(jì)泵沖法計(jì)算油氣上竄速度，可以準(zhǔn)確計(jì)算深井起下鉆過程多次分段循環(huán)時(shí)的油氣上竄速度，為青海油田深井和超深井的起下鉆過程提供一定的保障，具有在油田范圍內(nèi)進(jìn)行推廣的價(jià)值。