關于淺層氣井壓井液安全附加值的探討

2013-10-25 06:43:54姚展華趙世華任秋軍蔡茂佳李曉祥宿永鵬

石油地質與工程 2013年4期

姚展華，趙世華，任秋軍，蔡茂佳，李曉祥，宿永鵬

（1.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津 300283；2.中國石油大港油田公司勘探事業部）

根據埋藏深度天然氣藏可分為淺層、中層、深層和超深層氣。目前各國對于深淺層的劃分無統一的標準，我國的學者們認識也不完全統一，一般認為，淺層氣埋深小于1500 m，中層氣埋深1500～3500 m，深層氣埋深3500～4500 m，超過4500 m為超深層氣。

預防淺層氣井井噴是一個世界性的井控技術難題，國內外幾乎每年都有淺層氣井井噴的事故發生。大港油田港西、港東等油區淺層氣分布較廣，在這些地區的勘探開發中，先后有多口井發生過淺層氣井井噴事故，造成井眼報廢、井噴著火等嚴重后果。許多人認為淺氣層地層壓力低，不會造成井控事故，而實際上，井越淺，平衡地層壓力的壓井液液柱壓力也越小，一旦失去平衡，淺層的油氣上竄速度很快，很短時間就能到達井口，淺氣層的存在往往是發生井噴事故的潛在危險。常規的檢測儀器與方法很難滿足淺氣層井控需要，利用經驗與數學模型描述淺氣層的流動很困難。因此在淺層氣井試油氣時，我們一定要準確確定壓井液密度，做好一次井控，這就需要針對淺層氣井的特殊情況合理選擇壓井液安全附加值。

1 淺層氣井井噴的原因及特點

1.1 淺層氣井井噴原因［1］

（1）地層壓力異常，一旦井噴，能使油氣井迅速卸載，層位淺使報警信號反應時間短，天然氣可能在幾乎沒有報警的情況下就到達地面，很容易讓人措手不及。

（2）由于壓井液密度較低，加上起管柱時的抽吸作用，以及向井內灌壓井液不及時等因素，試油過程中發生井噴可能性大。

（3）在靜止狀態下，氣體主要通過擴散作用侵入井眼，在一段時間內，氣體會逐漸產生積聚現象，慢慢地形成氣柱。由于天然氣密度低，具有可壓縮、易膨脹的特點，在置換作用下，氣柱會逐漸上升，隨著作用在氣柱上壓力的降低，氣柱體積不斷膨脹，并最終導致井噴。

（4）井漏后，液柱壓力下降，在淺氣層己鉆開的情況下，容易發生井噴。

1.2 淺層氣井井噴特點［2－3］

（1）易發生，速度快。淺層氣埋深淺，一旦侵入井眼，比油、水侵入井筒的速度快，短時間內就會運移到井口，造成井噴。從溢流出現到井噴發生，往往只間隔幾分鐘，在如此短的時間內很難采取有效措施控制井噴。

（2）處理困難。淺層氣埋藏淺且地層疏松，地層壓力與地層破裂壓力相差很小，表層一般是薄弱地層，容易憋裂，井噴處理難度比常規井大。

（3）危害大。淺層氣井井噴屬于嚴重的井噴事故，危害極大，常會引起火災，造成人員傷亡、油氣井報廢、燒毀井架；井噴塌陷時，作業平臺與設備可能下沉；噴出的氣體不管有沒有毒都會污染環境。

（4）在淺層氣井起下管柱時，井筒壓井液液柱壓力稍不平衡，天然氣就會迅速進入井眼，造成井噴；起帶有大直徑工具時尤其危險，可能使井筒內所有壓井液噴出。

2 淺層氣井氣侵運移規律

天然氣侵入井眼后，呈氣－液兩相流動狀態，形成泡狀流、段塞流等形態。壓井液循環時，氣體隨著壓井液循環在井內上返，同時在壓井液中滑脫上升。壓井液不循環時，壓井液中的氣體由于密度小，在壓井液中置換上升。

天然氣剛侵入井內時，處在井底，受到的壓力大，體積小，對壓井液密度影響小。天然氣從井底向井口上升過程中，由于所受液柱壓力逐漸減小，氣泡就逐漸膨脹，體積增大，單位體積壓井液中天然氣體積增多，壓井液密度則逐漸減小。當氣泡上升至接近地面時，氣泡體積膨脹到最大，而壓井液密度降低到最小。天然氣侵入井內后，井內壓井液密度隨井深自下而上逐漸變小［4－5］。

根據波義耳定律繪制了淺層氣氣侵體積與井深的關系圖（圖1），密度為1.20 g／cm3的壓井液在井底1500 m處僅侵入了0.1 m3的氣體，而隨著氣體沿井筒上升，氣體體積逐漸膨脹。侵入氣體在1500 m至450 m處體積變化相對較小，但此階段是發現溢流、控制井口的的最佳時機，當氣體上升至距井口300 m處時體積由0.1 m3增至約6 m3；上升至150 m處時，氣體體積增長到約12 m3；150 m處至井口氣體迅速增大至100 m3。

圖1 淺層氣氣侵體積與井深關系

3 壓井液安全附加值的分析

3.1 附加密度和附加壓力的關系

許多人把附加密度和附加壓力認為是等同的關系，這是認識上的誤區。實際上，到底采用附加密度法好還是采用附加壓力法好，要根據具體情況來定。

圖2是井深與附加壓差關系圖，圖3是壓差為3 MPa、5 MPa時井深與壓井液密度附加值的關系曲線。從這兩個圖可以看出：采取當量密度附加法，氣井的附加密度為0.07～0.15 g／cm3。對于淺井此法確定的壓井液密度值小，安全底線是壓井液密度足以平衡環空壓耗和起管柱抽汲的共同作用，保證起下管柱安全。采取井底壓差附加法，按氣井井底壓差3.0～5.0MPa確定當量密度。這種方法對于淺井設計出的壓井液密度值大，足以抵消環空壓耗和起管柱的抽汲力。但是，要防止壓井液密度過大壓漏地層，造成先漏后噴。

上述是以計分模式為基礎的客觀性題目等級設定方式，正在主觀題等級設定方面，需選擇使用安戈夫的改進方法。其中，良好等級的標準就是每個試題最低分數是2分。所以，如果主觀題的試題數量是8個，那么良好等級的標準就是16分。通常來講，如果一套試題當中包含了客觀題與主觀題兩種類型，在判定等級標準的時候應按照以下方法進行：

圖2 井深與附加壓差關系圖

圖3 壓差為3MPa／5MPa時井深與壓井液附加值關系曲線

3.2 氣侵后的壓井液密度計算及氣侵后液柱壓力減小值

（1）天然氣侵入壓井液密度計算式為：

式中：ρmh——在井深H 處氣侵壓井液密度，g／cm3；a——地面氣侵壓井液密度與氣侵前壓井液密度的比值；ρm——未氣侵壓井液密度，g／cm3；Ps——地面壓力，MPa（開井時取0.098 MPa，關井時取關井套壓值）；H——計算井深，m。

（2）氣侵壓井液柱壓力減小值公式為：

式中：ΔPm——受侵壓井液柱壓力減小值，MPa；其它符號意義同上。

表1給出了密度為1.20 g／cm3的壓井液受氣侵后在各個井深點的靜夜柱壓力減少值，壓力降低百分比。可以看出，隨著井深增加，受氣侵后壓井液柱壓力減少值也在增加，而壓力降低百分比則是隨著井深增加而減少，而且百分比降低幅度相對較大；當氣侵后即使壓井液密度減半，變為0.60 g／cm3時，各個井深點的壓力損失值最大為0.669 MPa，損失極小，而各個井深點的壓力降低百分比最大則為9.819%（井深305 m處）。由此可以看出，壓井液受氣侵后，在淺井處壓力損失值雖然最小，但是其壓力損失百分比卻是最大，所以在淺層氣井壓井液附加安全值應適當加大，建議取值0.20 g／cm3。