恒進氣量欠平衡鉆井方式氣侵特征及井口壓力控制研究

張興全 李相方， 任美鵬 馬 龍 徐大融

（1.中國石油大學石油工程學院，北京 102249；2.中國石油大學機械儲運學院，北京 102249）

恒進氣量欠平衡鉆井方式氣侵特征及井口壓力控制研究

張興全1李相方1，2任美鵬2馬 龍1徐大融1

（1.中國石油大學石油工程學院，北京 102249；2.中國石油大學機械儲運學院，北京 102249）

欠平衡鉆井打開儲層后，隨著打開儲層的厚度不斷增加，儲層進入井筒中的氣體不斷增加，引起井口含氣率劇烈變化，從而造成井底壓力的失控。計算了欠平衡鉆井期間不同井深含氣率的變化，分析了不同進氣量和井口回壓對井筒含氣率的影響；在考慮井口回壓對井底壓力增加值影響的情況下，得到欠平衡鉆井打開儲層期間恒進氣量時井口回壓的計算方法。結果表明：井筒中的氣體在井口處急劇膨脹，井口回壓對井口段氣體含氣率影響很大，對500 m以下井段含氣率影響很小；在恒定進氣量下，打開儲層厚度越大，井口回壓越大，井筒恒進氣量越小，需施加的井口回壓越大。

欠平衡鉆井； 恒進氣量；井口回壓； 打開儲層厚度；氣侵

欠平衡鉆井過程中，進入井筒中的氣體體積與打開儲層的厚度和井底與地層的負壓差有關。根據(jù)欠平衡破巖機理可知，井底壓力和地層壓力負壓差越大，機械鉆速越高。在鉆開儲層后，井底與地層負壓差不變的情況下，隨著打開儲層的厚度增大，井底進氣量越來越大，進入井筒中的氣體可能會超出地面設備分離能力，或關井時井口壓力超過井口防噴器承壓能力，從而引起欠平衡鉆井井筒壓力的失控［1］。在小氣侵量下井筒底部兩相流流型為泡狀流，在鉆井液環(huán)境下泡狀流很快轉(zhuǎn)換為段塞流，在中氣侵量和大氣侵量時，井口出現(xiàn)攪拌流和環(huán)狀流［2-4］。當井口出現(xiàn)攪拌流和環(huán)狀流時，井控和攜巖都非常困難［5］。欠平衡鉆井只要能保證地層流體能進入鉆井環(huán)空即可，不必追求過高的欠壓值。大港油田欠平衡鉆井時欠壓值一般取 0.2～1 MPa［6］。

改變鉆井液密度和增加井口回壓能夠改變井底壓差［7］，從而控制井底進氣量。改變鉆井液密度不能改變井筒內(nèi)含氣率的分布，且打開儲層厚度后，需要改變的鉆井液密度范圍很小，不容易精確控制。改變井口回壓能夠改變井筒內(nèi)含氣率的分布，同時改變井底流動壓力，控制井底進氣量，且井口回壓方便操作，現(xiàn)場應用也證明通過控制井口回壓能夠控制井底壓力的變化［8］。在欠平衡鉆井打開儲層后，通過改變井口回壓來調(diào)整井底流壓和儲層壓力之間的壓差，保證進入井筒內(nèi)的氣體體積維持在一個恒定值，使井筒內(nèi)氣體流動處于穩(wěn)定狀態(tài)。筆者分析了氣體進入井筒后不同井深含氣率的變化和井口回壓對不同井深含氣率的影響，得到欠平衡鉆井恒進氣量時井口回壓變化規(guī)律，從而為欠平衡安全鉆井提供理論依據(jù)。

1 恒進氣量欠平衡鉆井氣侵特征

1.1 地層氣體進入井筒模型

地層氣體進入井筒遵循達西定律，在鉆井過程中，隨著打開儲層的厚度不斷增加，進入井筒中的氣體不斷增加。氣井產(chǎn)能用下式計算

式中，pwf為井底流壓，MPa；pe為儲層壓力，MPa；Qsc為氣井產(chǎn)能，m3/d；K為儲層的滲透率，mD；hi為打開儲層厚度，m；T為氣層溫度，K；μ為天然氣黏度，mPa·s；re、rw為氣井控制的外邊緣半徑和井底半徑，m；S為表皮因子；Z為氣體偏差因子。

1.2 氣體在井筒內(nèi)的分布

氣體在鉆井液中主要以段塞流形式流動，忽略在井筒底部小段泡狀流，采用段塞流模型來計算不同井筒深度下氣體截面含氣率［9］。

根據(jù)經(jīng)驗公式，液相段數(shù)區(qū)持液率計算公式為

段塞流動氣體主要以Taylor氣泡的形式運移，則Taylor氣泡的上升速度為

液相段內(nèi)氣泡速度為

因此，可以得到段塞流動平均持液率

氣體在井筒中的分布遵循氣體的狀態(tài)方程

式中，Hlls為液相段塞持液率；vsg為氣相表觀速度，m/s；vm為混合物速度，m/s；vtb為 Taylor泡上升速度；D為管道直徑，mm；ρ1為鉆井液密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；vgls為液相段塞內(nèi)氣泡速度，m/s；σ為表面張力，N/m；Hlsu為平均持液率。

井口無回壓情況下，井筒不同進氣量時，井筒內(nèi)含氣率分布見圖1。

圖1 不同進氣量下含氣率隨井深的變化

井底進氣量為0.05 kg/s時，井口不同回壓時井筒內(nèi)的含氣率分布見圖2，可以看出，井口回壓對井口段0～100 m 井段氣體含氣率影響很大，對500 m以下井段含氣率影響很小。

圖2 不同井口回壓下含氣率隨井深的變化

2 井口壓力控制參數(shù)計算

根據(jù)欠平衡鉆井破巖機理可知，井底壓力和地層壓力負壓差越大，機械鉆速越高。當鉆達儲層時，負壓差越大，進入井筒中的氣體體積越大。在欠平衡鉆井過程中，隨著打開儲層的厚度不斷增大，若使進入井筒中的氣體體積不變，應通過增加井口回壓從而減小井底與地層之間的負壓差。在恒進氣量情況下，井底壓力為

由圖2可知，井口壓力的增加使得井筒內(nèi)含氣率發(fā)生變化。井口壓力的增加，截面含氣率減小，井筒內(nèi)靜液柱壓力增加，進一步增大井底壓力。井口回壓與井底壓力增加值的關系如圖3所示。

式中，pwf為井底流壓，MPa；pa為井口回壓，MPa；ph為井筒內(nèi)靜液柱壓力，MPa；pf為兩相流在井筒內(nèi)的摩阻，MPa。

圖3 井口壓力與井底壓力增加值關系

井口回壓影響井筒內(nèi)氣液兩相分布，改變井筒內(nèi)靜液柱壓力，從而改變井底流壓。即：

式中，Δph為因井口回壓變化引起的靜液柱壓力的變化，MPa；Δpwf為因井口回壓變化引起的井底流壓的變化，MPa。

3 計算分析

井深為3 000 m，儲層壓力35 MPa，滲透率為20 mD，鉆井液密度1 200 kg/m3，鉆井液排量為30 L/s，井口溫度25 ℃，井底溫度100 ℃，氣體黏度為0.3 mPa·s，打開儲層前井底流壓為34 MPa。隨著打開儲層厚度的增大，保持進氣量不變，則井底壓力的變化如圖4所示。

圖4 恒進氣量下打開儲層厚度與井口和井底壓力的關系

由圖4可以看出，恒進氣量為0.05 kg/s時，在打開儲層厚度5 m時，開始增加井口壓力，在打開儲層厚度20 m后，井口壓力基本穩(wěn)定在0.5 MPa；恒進氣量為0.01 kg/s時，在打開儲層厚度1 m時，開始增加井口壓力，在打開儲層厚度10 m后，井口壓力基本穩(wěn)定在0.6 MPa。井筒允許的恒進氣量越小，井口回壓和井底流壓越大；井筒允許進氣速度越大，井口開始加回壓時打開儲層厚度越大，井口回壓和井底流壓穩(wěn)定時的打開儲層厚度越大。

4 結論

（1）井口回壓能夠有效控制氣體的膨脹。氣體進入井筒環(huán)空后，氣體體積在井筒下部變化很小，在井口位置氣體膨脹，含氣率快速增大，井口回壓能夠改變井口處氣體壓力，控制井口的處截面含氣率。

（2）根據(jù)恒進氣量下井口回壓與井底壓力增加值的關系，可以得到不同儲層深度下井口回壓大小；允許進入井筒的恒進氣量越小，打開儲層時井口壓力變化越大，井口回壓趨于穩(wěn)定時的儲層厚度段越小。根據(jù)井筒進入的恒進氣量不同，優(yōu)化井口壓力，從而更好地控制欠平衡鉆井井筒氣體的體積。

［1］陳永明. 液流鉆井下的負壓差設計與控制［J］. 鉆采工藝，2000，23（2）：11-13.

［2］李相方，莊湘琦，隋秀香，等. 氣侵期間環(huán)空氣液兩相流動研究［J］. 工程熱物理學報， 2004，25（1）：73-76.

［3］李相方，剛濤，隋秀香，等.欠平衡鉆井期間地層流體流入規(guī)律研究［J］. 石油學報， 2002，23（2）：48-52.

［4］莊湘琦，李相方，剛濤，等. 欠平衡鉆井井口回壓控制理論與方法［J］. 石油鉆探技術，2002，30（6）：12-14.

［5］徐小峰，陳玉峰，靳鵬菠，等. 欠平衡鉆氣井井口回壓控制理論及實踐［J］. 天然氣技術，2010，4（4）：21-23.

［6］何衛(wèi)濱. 流體欠平衡鉆井壓力控制［J］. 鉆采工藝，2000，24（2）：7-9.

［7］楊虎，鄢捷年. 欠平衡鉆井中鉆井液密度的確定與控制方法［J］. 石油鉆采工藝，2003，25（6）：5-9.

［8］周英操，王廣新，唐麗華，等. 欠平衡技術在汪深 1 井中的應用［J］. 鉆采工藝，2005，28（5）：10-13.

［9］王衛(wèi)陽，陳聽寬，羅毓珊. 垂直井筒氣液段塞流壓力梯度的簡便算法［J］. 中國石油大學學報：自然科學版，2006，30（4）：75-77.

（修改稿收到日期 2013-03-19）

Characteristics of gas kick in underbalanced drilling with constant air intake fl ow and of wellhead pressure management

ZHANG Xingquan1, LI Xiangfang1,2, REN Meipeng2, MA Long1, XU Darong1

（1. College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China;2. College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China）

In the process of penetrating the reservoir by underbalanced drilling, with the increase of the penetrated reservoir thickness, the volume of gas kicking into the wellbore increases, which causes the drastic change of wellhead void fraction, leading to the bottom-hole pressure out of control. The changing of void fractions in different well depths are calculated during underbalanced drilling,and the inf l uence of different air intake fl ow and wellhead back pressure on wellbore void fractions is analyzed. In consideration of wellhead pressure adding value on bottom hole pressure, the computing method of wellhead pressure of constant air intake fl ow is obtained for penetrating the reservoir by underbalanced drilling. The results show that gas rapidly expands when it reaches the surface, and the wellhead back pressure have a enormous effect on the void fractions at wellhead while have a little inf l uence on the void fraction under 500 meters. Keeping the air intake fl ow constant, with the increase of the penetrated reservoir thickness, the wellhead pressure increases.The smaller the air intake fl ow, the bigger the wellhead pressure needs to load.

underbalanced drilling; constant air intake fl ow; wellhead back pressure; penetrated reservoir thickness; gas kick

張興全，李相方，任美鵬，等.恒進氣量欠平衡鉆井方式氣侵特征及井口壓力控制研究 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：19-21.

TE249

A

1000 – 7393（2013） 03 – 0019 – 03

國家科技重大專項“南海深水油氣開發(fā)示范工程”（編號：2011ZX05056-001-03）部分內(nèi)容。

張興全，1986年生。現(xiàn)主要從事井控和多相流動研究，碩士研究生。E-mail：zxq336998@163.com。

〔編輯

薛改珍〕