溢流環空壓力峰值確定套管下深方法

霍宏博 許杰 謝濤 李金蔓 幸雪松 林海

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司；2.海洋石油高效開發國家重點實驗室

孫振純［1］曾指出中國鉆井井控技術是在付出慘重代價并經過長期艱苦探索和不懈努力后形成的。預防和控制井噴是一個世界性的難題，各種井噴事故時有發生［2］，2010年美國墨西哥灣井噴再次為世人敲響警鐘［3］。在國內，楚 29 井［4］、毛壩 1 井［5］、勝利油田老區［6］等鉆井過程中發生溢流壓井時都曾有過壓漏地層的情況。套管下入深度是鉆井設計階段考慮控制地層漏失的重要因素，已有學者對井身結構與井控安全關系進行了研究，高德利［7］論述過井身結構套管設計方法，郝俊芳［8-10］、曾明昌［11］、劉凱［12］分析了關井壓力對套管下深影響和井涌余量對影響套管下深選擇，郝希寧［13］論證了影響井涌余量的相關因素，指出井涌強度是井涌余量的主控因素之一。地層壓力預測的不確定性使井控變得復雜［4］，筆者提出通過計算不同深度、不同井涌強度下壓井過程環空所達到的壓力峰值，結合地層破裂壓力確定套管下深。該設計方法可令地層壓力不確定性可控，套管下深能夠保證壓井中地層不漏。

1 壓井過程中環空液柱情況

Situation of annulus fluid column in the process of well killing

影響壓井中環空壓力峰值的因素包括：地層壓力、井涌溢流量、關井時間、鉆井液性能、溢流類型等。地層壓力是影響壓井過程中環空壓力峰值最重要的因素，關井后溢流氣柱壓力接近地層壓力，地層壓力越高，關井壓力越高［14-15］，壓井過程環空壓力峰值也越高，液體侵入井筒對環空壓力影響較小，文中只研究氣體溢流。

假設條件：給定井涌溢流量（關井后流體溢出量）和關井時間，侵入氣體以單相連續氣柱形式存在，采用司鉆法壓井，忽略氣體溶解度影響，不考慮巖屑等固體影響，將關井時間、鉆井液性能、壓井排量等因素按照現場通用參數分析。循環排氣過程為［16］：當鉆進至某垂深，地面監測到溢流，硬關井，讀取關井立壓、關井套壓。保持立管壓力不變，用鉆井液按照鉆井排量的1/4～1/2進行循環，將地層溢流物循環出井筒，氣柱上升過程中由于壓力降低，體積增加，氣體在環空中情況如圖1所示。

圖1 環空氣體分布示意圖Fig. 1 Schematic distribution of annulus gas

2 環空壓力峰值計算方法

Calculation method for peak annulus pressure

氣體上升至井口之前，在井筒這個密閉空間中，環空壓力的改變為氣柱體積變化在環空截面積下的液柱所產生的壓力，以及環空循環壓耗的疊加，即

忽略氣體自重影響，氣柱內壓力為井底壓力減去泵入鉆井液產生液柱壓力

此時氣柱長度為［17］

合并公式（1）～（3），經過移項可得到開始循環后環空壓力pa'的計算式

關井時，pa與pb關系為

氣頂上升至井口前在任意時間的套壓為

則地層任意一點x處，氣頂未上升至該位置時，地層壓力為

通過溢流強度Sk表征地層壓力，使地層壓力預測的不確定性可控，地層壓力pb可以表示為

循環中，氣體頂部到達到的位置壓力最高［16］，到達峰值的時刻t為

根據公式（7）～（9）可計算出地層某位置在壓井過程中所承受的最大環空壓力。

式中，V為關井溢流量，m3；pa為關井套管壓力，MPa；pa'為壓井循環過程中套管壓力，MPa；pb為地層壓力，MPa；pfa為環空循環壓耗，MPa；Zb、Zx分別為天然氣在井底和井深x處的壓縮系數，無量綱；Tb、Tx分別為天然氣在井底和井深x處的溫度，K；pL為氣柱壓力，MPa；A為環空截面積，m2；h為井垂深，m；t為開泵循環時間，s；Q為循環排量，m3/s；hw、hx分別為關井氣柱高度和循環一段時間后氣柱長度，m；Gm為鉆井液壓力梯度，MPa/m；Sk為溢流強度，t/m3；g為重力加速度。

3 套管下深圖版

Chart of casing setting depth

以渤海某油田設計為例，該油田目的層垂深2600 m，預測地層孔隙壓力為常壓地層，地層破裂壓力見表1，模擬鉆進至垂深1 200 m，發現2 m3溢流后關井。

表1 地層破裂壓力Table 1 Formation fracture pressure

模擬溢流強度Sk取0.05～0.09 t/m3，垂深420 m處環空壓力隨時間的變化如圖2所示。

圖2 循環排氣過程環空壓力隨時間變化Fig. 2 Variation of annulus pressure over the time in the process of circulating out of the gas

將不同溢流強度下的壓力峰值繪制在以井涌強度為橫坐標，以壓力為縱坐標的圖中，可得到套壓峰值隨井涌強度的變化如圖3所示。

當井涌強度為0.07 t/m3時，環空壓力峰值為7 MPa，達到垂深420 m的破裂壓力，即該油田套管下入至垂深420 m可以滿足井涌強度0.07 t/m3的井控安全。

按上述方法，模擬300 m、340 m、380 m、420 m、460 m處的壓力峰值變化，得到井筒內不同井深處，隨井涌強度變化的壓力峰值圖版，如圖4所示。

圖3 環空壓力峰值隨井涌強度變化Fig. 3 Variation of peak annulus pressure with the well kick strength

圖4 垂深1 200 m井涌強度圖版Fig. 4 Chart of well kick strength at the vertical depth of 1 200 m

通過圖4可知，下入至垂深380 m可以保證0.05～0.06 t/m3井涌余量的壓井安全，下入至垂深460 m可以保證0.10 t/m3井涌余量的壓井安全。

4 結論

Conclusions

（1）該方法針對從溢流關井至污染鉆井液循環出井筒的全過程，建立了基于環空最高壓力的套管下深計算方法，得到井控過程中任意位置環空壓力動態變化規律。

（2）應用該圖版，可由環空壓力峰值確定套管下深，明確循環排氣過程中壓漏地層的風險。

（3）本方法可明確套管下深對井控安全的影響。

References:

［1］孫振純，汪海閣，崔龍連 . 石油鉆井催人奮進——中國鉆井 60 年縮影［J］. 中國工程科學，2010，12（5）：91-96.

SUN Zhenchun, WANG Haige, CUI Longlian. Inspirng China’s oil drilling-60 year microcosm of China oil drilling［J］. Engineering Sciences, 2010, 12（5）: 91-96.

［2］李琪，徐英卓. 鉆井事故災難應急信息共享與決策指揮系統研究［J］. 石油鉆采工藝，2012，34（5）：102-106.

LI Qi, XU Yingzhuo. Research on information sharing and decision making systemfor drilling accident emergency［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2012, 34（5）:102-106.

［3］魏超南，陳國明. “深水地平線”鉆井平臺井噴事故剖析與對策探討［J］. 鉆采工藝，2012，35（5）：18 -21.

WEI Chaonan, CHEN Guoming. Analysisandprecaution of the blow-out on deep horizon rig［J］. Drilling &Production Technology, 2012, 35（5）: 18 -21.

［4］王延恒. 楚29井氣侵溢流的分析與處理［J］. 鉆采工藝，1995，17（3）：22-27.

WANG Yanheng. Analysis and treating of gas overflow in Chu29 well［J］. Oil Drilling & Production Technology,1995, 17（3）: 22-27.

［5］趙金洲，李真祥. 毛壩1井鉆井井控實踐［J］. 天然氣工業，2003，23（5）：44 -47.

ZHAO Jinzhou, LIZhenxiang. Practice of well control in drilling well Moba-1［J］. Natural Gas Industry, 2003, 23（5）: 44-47.

［6］高德利，覃成錦，李文勇. 南海西江大位移井井身結構與套管柱設計研究［J］. 石油鉆采工藝，2003，25（4）：1-4.

GAO Deli, TAN Chengjin, LI Wenyong. Designs of well structure and casing strings for Xijiang extended reach wells in South-China sea［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2003, 25（4）: 1-4.

［7］劉天科. 勝利油田老區調整井鉆井井控技術［J］. 石油鉆采工藝，2011，33（3）：9-11，16.

LIU Tianke. Applicationof well control technology on adjustment wells［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2011, 33（3）: 9-11, 16.

［8］郝俊芳. 如何計算井涌余量［J］. 西南石油學院院報，1983，5（3）：45-50.

HAO Junfang. How to calculate kick tolerance［J］.Journal of Southwest Petroleum Institute, 1983, 5（3）: 45-50.

［9］郝俊芳. 司鉆法壓井過程中套壓及地層受力變化規律與計算方法［J］. 石油鉆采工藝，1983，5（2）：9-13.

HAO Junfang. Change law and method to calculateof standpipe pressure and formation stressduring well killing by driller method ［J］. Oil Drilling & Production Technology, 1983, 5（2）: 9-13.

［10］郝俊芳. 井控過程中防止井漏的若干理論問題［J］.石油鉆采工藝，1984，6（3）：1-6.

HAO Junfang. Some theoretical problems of preventing well leakage in well control process［J］. Oil Drilling& Production Technology, 1984, 6（3）: 1-6.

［11］曾明昌，高自力，鄭述全，毛建華. 氣井最高允許關井壓力確定及鉆井現場幾個井控問題研究關［J］. 天然氣工業，2005，25（11）：45-47.

ZENG Mingchang, GAO Zili, ZHENG Shuquang, MAO Jianhua. Highest shut-in pressure allowed by gas well and some well control problems in drilling site［J］.Natural Gas Industry, 2005, 25（11）: 45-47.

［12］劉凱. 如何認識和計算井涌余量［J］.西南石油學院學報，1990，12（1）：37-45.

LIU Kai. How to recognize and calculate kick tolerance［J］. Journal of Southwestern PetroleumInstitute, 1990,12（1）: 37-45.

［13］郝希寧，蘇峰，蔣世全. 南海深水鉆井井涌余量主控因素分析［J］石油鉆采工藝，2015，37（1）：60-63.

HAO Xining, SU Feng, JIANG Shiquan. Main control factors of kick tolerance for deepwater drilling in South China Sea［J］. Oil Drilling & Production Technology,2015, 37（1）: 60-63.

［14］任美鵬，李相方，劉書杰，王元嬌. 鉆井井噴關井期間井筒壓力變化特征［J］中國石油大學學報（自然科學版），2015，39（3）：113-119.

REN Meipeng, LI Xiangfang, LIU Shujie, WANG Yuanjiao. Characteristics of wellbore pressure change during shut in after blowout［J］. Journal of China University of Petroleum, 2015, 39（3）: 113-119.

［15］何英明，劉書杰，耿亞楠，謝仁軍，任美鵬，夏強. 鶯歌海盆地高溫高壓水平井井控影響因素［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（6）：771-775.

HE Yingming, LIU Shujie, GENG Ya’ nan, XIE Renjun,REN Meipeng, XIA Qiang. Factors influencing the well control of HTHP horizontal wells in the Yingehai Basin［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2016,38(6): 771-775.

［16］袁波，劉剛，王果. 壓井施工的精細計算［J］. 斷塊油氣田，2006，13（6）：65-68.

YUAN Bo, LIU Gang, WANG Guo. Exactcalculation of kill Job［J］. Fault-Blockoil & Gas Field, 2006, 13（6）:65-68.

［17］張艷，翟曉鵬. 深水鉆井司鉆法壓井過程中立管壓力和地層受力變化規律［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（5）：14-16，21.

ZHANG Yan, ZHAI Xiaopeng. Change law of standpipe pressure and formation stressduring well killing by driller method in deep water drilling［J］. Oil Drilling& Production Technology, 2015, 37（5）: 14-16, 21.