減小硬關井水擊問題探討

蔡金亮(重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331)

溢流硬關井時通常發生水擊現象，這是由于井內鉆井液具有慣性及壓縮性等特點。當選擇硬關井時，閘板防噴器瞬間關閉，鉆井液依舊維持原有的運動狀態，導致井筒內壓力急劇改變，產生水擊。如果水擊壓力過大，不僅能夠損毀井口設備，壓力向下傳播也有可能壓漏地層，給溢流壓井帶來更嚴重問題。因此，鉆井中尤其重視井口及地層薄弱處的受水擊影響情況。目前，還未見到較好的處理硬關井中水擊壓力的措施，大多采用軟關井來減緩水擊壓力的破壞，但軟關井作業時間較長，井內將侵入更多的流體。而硬關井具有關井時間短，操作簡便。通過采用其他技術手段減少硬關井時的水擊壓力，將會極大降低井控風險，有利于后續的壓井施工。

1 影響水擊壓力大小的因素

探討水擊壓力大小首先要先研究水擊波速。常規水擊波速公式考慮了固體顆粒、液體及氣體含量，管道彈性尺寸、模量和撓度等因素。水擊波速計算公式[1]為:

式中：E1、Es、Eg分別為液體、固體和氣體的彈性模量；Cs、Cg分別為固體和氣體的百分含量；D為管道內徑；δ為管壁厚度；am為水擊波速。

由水擊波速公式可知，不同性質的泥漿在井內傳播速度不同，井內氣相體積分數越大波速越小；固相體積分數越大波速也越大；套管彈性模量越大波速越小。

直接水擊壓力的計算公式：

式中：vm0為初始出口流速；ρ為泥漿密度。

由水擊壓力計算公式可以看出，水擊壓力的大小與泥漿密度、井口流速和水擊波速直接相關。井口初始流速越大，關井時水擊壓力越大，水擊波速越大水擊壓力越大。該水擊壓力計算式反映的只是井口處最大水擊壓力，與時間參數無關。

2 減小水擊壓力的方法

由于硬關井能在在短時間內產生較大的水擊壓力，對井控產生不利影響。因此采取必要措施減小水擊壓力產生的危害，才能保證后續井控作業的順利進行。

2.1 延長閥門的關閉時間

適當延長井口閥門的關閉時間可以有效減小水擊壓力[3]，這在油氣運輸管道中廣泛采用。石油鉆井中采用的軟關井方式其實就是延長閥門關閉時間較小水擊壓力的一種方法。軟關井時，節流閥由半開到全關再到關閉平板閥，井口流量逐漸減小，水擊壓力大為降低，關井相對安全。

2.2 溢流氣體早發現

及早發現溢流，尤其是氣體溢流，可以減少關井時井口的流速，降低水擊壓力。我國目前溢流監測大多采用泥漿液面觀測，其精度不高，發現溢流較遲。當關井操作時噴勢往往較大，這時如果采用硬關井，井口將承受較大的水擊壓力，對井控安全不利。如果能夠做到溢流的早發現，一旦溢流發生立即關井，這時井口流速不大，即使采用硬關井也不會產生較大水擊壓力。

2.3 適當增大鉆井液粘度

通過分析水擊壓力控制方程，增加泥漿粘度可以減小水擊壓力。但泥漿粘度的增加要根據實際情況做適當調節，如果粘度過高會導致泥漿井筒內摩阻升高井內壓力增加，同樣給井控安全帶來隱患。

2.4 空氣罐減小水擊壓力

在井口裝置上加裝空氣罐是目前研究較多的減小水擊壓力的方法。空氣罐[2]的原理類似于泥漿泵上面的空氣包。空氣罐內裝有一層較高壓力的壓縮空氣，下層與鉆井泥漿接觸。當采用硬關井時，井口壓力激增，泥漿進入空氣罐壓縮里面的帶壓空氣，同時消耗一部分水擊能量，當負壓波至空氣罐內時，壓縮空氣向外做工，抵消這部分水擊壓力，如此反復達到減小硬關井水擊壓力的效果。但這種方法尚未見到應用試驗，其適用性有待后續研究。

圖1 帶空氣罐的井口裝置圖

3 結論與建議

3.1 硬關井水擊壓力的大小受井口流量和水擊波速的影響較大，減小水擊壓力應從降低這兩個參數入手。

3.2 延長閥門關閉時間和增大泥漿粘度都有其局限性。延長閥門關閉時間有可能導致氣體進一步侵入井內，增加泥漿粘度會導致井內摩阻阻力增加，這些都不利于井下安全。

3.3 溢流的早發現有待溢流監測技術手段的提高，在現有的技術條件下應當加強人員的管理和關井操作的熟練程度，避免過大溢流量和井口操作導致的壓力劇烈波動。

3.4 空氣罐可以較好的解決硬關井水擊問題，但現實生產中并未廣泛得到應用。應繼續加強和完善相關方面的研究，盡早在全國推廣。

[1]駱發前,何世明等.硬關井水擊問題及減小水擊措施的探討[J].石油鉆采工藝.2006,28（3）:68-70.

[2]李欽華.水擊現象與水擊消除器[J].石油庫與加油站.2005,14（4）:34-36.

[3]李榮,何世明.溢流關井水擊壓力的計算及結果討論[J].西南石油學院學報.2005,27（2）:37-40.