壓井過程中井底壓力的控制方法

李 黔 楊先倫 伍賢柱

1．西南石油大學石油工程學院 2．陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院 3．中國石油川慶鉆探工程公司

在常規壓井過程中雖然對套壓變化規律研究較多，但是作為控制井底壓力變化的節流閥操作基本上是應用立壓控制法。充分利用立壓和套壓數據變化趨勢，使用節流閥來產生回壓，以保證井底壓力略大于地層壓力的條件下排除溢流和進行壓井，該方法稱為井底壓力控制法［1－2］。井底壓力控制法對井底壓力的控制能更平穩，更及時，避免了井涌的二次產生和地下井噴的風險［3］。隨著隨鉆井底壓力測量技術的發展［4－5］，可以使現場對鉆遇的壓力系統做出快速準確的抉擇，顯示出處理井控復雜方面的應用前景。

1 氣侵時常規壓井中套壓的變化

司鉆法壓井第一循環周用原鉆井液排除地層侵入流體，當氣體從井底到井口環空上返的過程中套壓都是逐漸上升的，氣體在接近井口時上升較快，到達地面時套壓達到最大。當氣體循環出井口時套壓急劇下降。溢流排完時套壓等于關井立壓。司鉆法第二循環周時，壓井液從井口向鉆頭下行時，套壓維持不變，當壓井液從井底環空上返時，套壓逐漸降低，壓井結束時，套壓為零。

工程師法壓井，氣體在環空上返時套壓逐漸升高，氣體接近進口時套壓上升較快，氣體到達地面時套壓達到最大。排除氣體的過程中，套壓逐漸下降至零［6］。

1．1 套壓是保障壓井作業順利進行的關鍵

為保證壓井成功規避井控風險，在壓井作業中實時監測預測井控問題尤為關鍵。套壓作為重要的井控參數，能及時發現壓井過程中出現的井控問題并解決（表1），以保障壓井作業的順利進行。

表1 壓井中可能發生的井控問題表

1．2 套壓是衡量井控風險的重要指標

在油氣井鉆進中，由于地層壓力預測方法本身的缺陷而存在一定的誤差［7］，這種誤差還只有依靠實鉆監測進行實時處理，尤其在新區和新層中的鉆井作業中。井涌強度越高，地層流體侵入量越大，則需要控制的井口回壓越高。套壓越高，井筒壓力安全性的考驗就越大［8－9］。因此，檢測到溢流就需要立即關井。操作節流閥，借助它的開啟和關閉維持一定的套壓，將井底壓力變化控制在一定窄小的范圍內。為避免套壓過高，壓漏井筒薄弱地層，必要時需要降低套管壓力極限，保證井筒安全。

1）降低流體侵入量：提高早期溢流監測能力，及時發現溢流，建議關井方式選擇硬關井。

2）增加壓井排量：環空壓耗大（分布在整個環空）有助于不使地層過載而又增大井底壓力。

3）超重密度壓井液：超重密度鉆井液到達環空時，附加的靜液柱壓力將有效地降低套壓。

4）氣涌高于套管鞋時：氣體靜壓力梯度低，當氣體在套管鞋上方時，作用在地層上的靜液柱壓力會減小。在不壓裂地層的情況下，套壓可以適當增大。

1．3 套壓在常規壓井中的運用

在壓井作業中，溢流物從井底運移到井口，如果地層流體是氣體，必然發生膨脹，為保持井底壓力大于地層壓力，必須增加井口套壓。立壓控制法在常規壓井中應用廣泛，然而在運用該法壓井中，因壓力傳遞存在的延遲性，對節流閥操作人員技術要求高［10］。壓力傳遞如圖1所示，立壓控制法比套壓控制法壓力傳遞路徑長1倍，壓力傳遞時間多1倍，壓力傳遞延遲性，前者遠比后者長。為了消除壓力延遲，更好地處理氣柱膨脹帶來的壓力變化，節流閥開度應盡量保證不變，操作平穩，這樣保證了控制壓力的準確性和及時性［11］。因此運用套壓控制法調節節流閥能更精確更及時地保持井底壓力在安全窗口的范圍。

圖1 壓力傳遞路徑圖

2 常規壓井技術井底壓力控制改進

2．1 壓力控制方法對比及改進

常規壓井中套壓的應用必須由被動的參數記錄，壓井過程后期分析的簡單應用向主動指導壓井施工方向發展。積極運用套壓，可以把套壓極限問題減到最低程度，并且可以盡量消除壓力傳遞的延遲性。

改進的井底壓力控制法［12］和常規壓井法在壓力控制原則是一樣的，即井底恒壓。唯一不同的是在操作程序上，充分利用了立壓和套壓，即在壓井不同時間段節流閥操作依據不一樣。套壓變換越小，越平穩越平緩甚至無變化，就采用套壓控制法；套壓變換迅速就采用立壓控制法。

井底壓力控制法應用了立壓和套壓，壓井過程中根據壓力變化交叉綜合運用，解決了初始立管壓力到終了循環壓力，操作節流閥的難度問題，消除了壓力延遲性的影響，并且對壓井作業中的異常現象做了分析。根據以上分析，壓力保持平穩變化越小，壓力延遲就越小，節流閥操作越容易，壓力控制越精確。立管壓力變化趨勢越劇烈，采用套壓控制井底壓力能更好地處理井下氣體膨脹問題。3種壓力控制法對比見表2。

表2 3種壓力控制法比較表

2．2 隨鉆井底壓力測量（PWD）在井控中的應用

PWD可直接精確測量環空井底壓力，能更早發現壓力變化，這對消除壓力計算模型計算值的不確定性，具有重要的意義［13］。壓力數據可實時傳輸，在停泵模式下，測得的最大、最小和平均壓力，當循環開始通過鉆井液脈沖傳輸到地面。測量結果提供的信息，能直接判斷溢流物類型（油氣侵），判斷分析井涌余量、井下是否井漏，避免溢流、井涌等復雜情況的發生，減少壓漏地層出現地下井噴的風險［14］。PWD測量數據在井控中的應用主要有：井涌檢測、破裂壓力試驗和關井壓井壓力曲線分析，指導壓井施工。

圖2顯示一種典型的鹽水溢流。在接單根后鉆進至井深2 057m時（鉆井液密度2．01g／cm3）液面上漲1．9m3，發現溢流，PWD記錄的井底壓力小于了地層流體壓力。由于地層流體的侵入，測量的當量鉆井液密度減小至2．04g／cm3。立即停止鉆井作業并進行關井作業，PWD記錄了關井—壓井過程中壓力恢復曲線。傳感器中得到了溢流至關井井底鉆井液當量密度的減小過程，在關井時已減小到1．98g／cm3（停泵環空壓耗消失）。關井求壓得地層壓力當量密度2．06 g／cm3。在地層壓力恢復期間調配密度2．06g／cm3壓井液，壓井方案采用工程師法準備實施壓井作業。開泵實時PWD數據記錄了將鉆井液密度由2．01g／cm3提高至2．06g／cm3，用壓井排量15L／s循環排除侵入流體，重新建立井筒壓力平衡的鉆井液當量密度曲線。開泵注入高密度鉆井液循環壓井，開關節流閥控制井口回壓排除侵入流體產生了井底壓力當量密度波動。由圖2所示當量密度波動范圍為2．04～2．10g／cm3，主要是因為井口回壓控制不合理造成的。根據PWD記錄數據及時調整回壓鉆井液當量密度由2．08↓2．04↑2．10↓2．05↑2．08g／cm3最終趨于穩定，說明井口回壓控制合理正常能夠滿足井底恒壓的原則。壓井結束后鉆井液面回到了溢流前位置，成功實現溢流的排除。

圖2 溢流時PWD壓力記錄曲線和常規錄井曲線圖

從圖2中也可以直觀地發現當井底當量鉆井液密度有下降趨勢的時候，泥漿池液面變化并不明顯，因此根據PWD數據能有效識別井底地層流體氣侵狀態，及時發現溢流，是早期溢流監測方案的有利補充，為油氣井發生溢流后的二次井控創造更為有利的條件。

實時PWD數據與常規鉆井液錄井數據結合，能夠用于解決井控問題，指導井隊安全有效壓井，可提高壓井成功率，降低井控風險。

3 結論和建議

1）通過立壓控制法和套壓控制法的對比，提出了井底壓力控制法的操作程序和使用原則，為其現場的進一步應用提供了借鑒。

2）在壓井單上，建議增加套壓變化數據和曲線，以保證節流閥操作人員更為方便和快捷的操作節流閥。

3）隨鉆井底壓力測量技術能實時獲得真實的壓力數據，可以優化鉆井液密度和當量循環密度，建議進一步加強研究軟件硬件配套技術，對常規壓井技術進行有效改進。

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