不灌漿條件下的最大安全起鉆高度計(jì)算

聶 臻，梁奇敏，游子衛(wèi)

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.華北油田工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552)

在鉆井的過程中，由于鉆頭磨損需更換新鉆頭或鉆達(dá)完鉆深度等自然原因，或者起鉆打撈落魚等客觀需要，必然會(huì)進(jìn)行起鉆作業(yè)。在起鉆過程中，隨著起出鉆具的增多，如果不及時(shí)灌滿泥漿，由于井筒中鉆井液體積不變，必然會(huì)導(dǎo)致井筒中的環(huán)空液面下降，進(jìn)而導(dǎo)致井底壓力降低，這會(huì)給井控安全帶來很大風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。為了保證井控安全，往往會(huì)憑經(jīng)驗(yàn)作法和管理規(guī)范，每起出一定量的鉆具后就灌漿一次[4-5]。灌漿太頻繁(如每起出一柱鉆桿后灌漿一次)固然安全，但浪費(fèi)時(shí)間和人力。對(duì)于具體起出多少柱鉆桿后灌漿最合適，本文在保證井底壓力不變的基礎(chǔ)上，忽略抽吸壓力、泥包鉆具等影因素響，針對(duì)“干起”和“濕起”兩種起鉆工況，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)和鉆具的具體參數(shù)，給出科學(xué)的不灌漿起鉆的最大安全起鉆高度計(jì)算方法，可為安全起鉆作業(yè)提供指導(dǎo)。

1 環(huán)空液面允許下降最大值計(jì)算

起鉆過程中，只要井筒內(nèi)鉆井液對(duì)井底的液柱壓力大于等于井底地層壓力，理論上就可保證井控安全，見式(1)。

H×ρm×0.00981-Ha×ρm×0.00981-ΔPs=

H×ρp×0.00981

(1)

式中：H為起鉆時(shí)井底位置垂深，m；ρm為起鉆時(shí)井筒內(nèi)的鉆井液密度，g/cm3；ρp為地層壓力系數(shù)；Ha為不灌漿起鉆時(shí)環(huán)空液面允許下降的最大垂直高度，m；ΔPs是起鉆時(shí)的抽吸壓力，MPa。

因此，不灌漿起鉆時(shí)井筒中的環(huán)空液面允許下降的最大高度計(jì)算見式(2)。

(2)

顯然，通過上式計(jì)算的環(huán)空液面允許下降的最大高度的準(zhǔn)確程度，與起鉆時(shí)的抽吸壓力是有直接關(guān)系的。而抽吸壓力的影響因素很多[6-14]，如壓井液的靜切力、管柱的起下速度、環(huán)形節(jié)流、壓井液的黏度以及管子和井眼間的環(huán)形孔隙等，因此要準(zhǔn)確確定壓力值有一定困難，而且即使考慮全部的因素后，計(jì)算出的值往往與現(xiàn)場(chǎng)偏差較大。所以，在不同地區(qū)的油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，會(huì)根據(jù)情況取一個(gè)確定的經(jīng)驗(yàn)值作為抽吸壓力。本文為簡(jiǎn)化計(jì)算而不考慮該值(該值取為0)。因此，式(2)被簡(jiǎn)化為式(3)。

(3)

如果所作業(yè)井的井型不同，則不灌漿起鉆時(shí)環(huán)空液面允許下降的最大長(zhǎng)度的計(jì)算也不同，具體如下所述。

1) 對(duì)于直井：HL=Ha。

2) 對(duì)于定向井或者水平井：如果造斜點(diǎn)深度大于等于Ha：HL=Ha；如果造斜點(diǎn)深度小于Ha：需要根據(jù)定向井軌道具體計(jì)算[3]。HL為不灌漿起鉆時(shí)環(huán)空液面允許下降的最大長(zhǎng)度，m。

2 不灌漿起鉆的最大安全起鉆高度計(jì)算

2.1 “干起”工況下的計(jì)算方法

如果起鉆時(shí)卸開立柱或單根后，沒有泥漿從鉆桿里面往外噴，行業(yè)里稱這種起鉆工況為“干起”，如圖1所示。“干起”出的鉆桿在井筒內(nèi)的排代量為起出鉆桿管壁的體積，其計(jì)算公式見式(4)。

(4)

式中：Vpo為每米鉆桿開端排代量(包括接頭)，m3；ρp為某鋼級(jí)的鉆桿線重(包括接頭)，kg/m；ρs為某鋼級(jí)的鋼密度，g/cm3，本文取7.85 g/cm3。

起出鉆桿的體積是套管和鉆具之間的環(huán)空以及鉆具內(nèi)部的液面下降后的總體積，所以，“干起”每米鉆桿后環(huán)空液面下降的高度計(jì)算見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中：Dpo為“干起”每米鉆桿后環(huán)空液面下降的高度，m；Vci為每米套管內(nèi)容積，m3；Dci為套管內(nèi)徑，mm。

“干起”不灌漿工況下的最大安全起鉆高度HO計(jì)算見式(7)。

HO=Ha/Dpo

(7)

2.2 “濕起”工況下的計(jì)算方法

圖1 “干起”的示意圖Fig.1 “Dry trip” schematic diagram

圖2 “濕起”的示意圖Fig.2 “Wet trip” schematic diagram

如果起鉆時(shí)卸開立柱有泥漿往外噴，不論噴出量的多少，行業(yè)里稱這種起鉆工況為“濕起”，如常見的鉆頭水眼被堵后起鉆時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種典型現(xiàn)象，如圖2所示。保守起見，本文按照鉆柱底端完全堵死情況處理，則“濕起”時(shí)起出的鉆桿在井筒內(nèi)時(shí)排代量為起出鉆桿管體部分體積與鉆桿內(nèi)容積之和，也就是套管和鉆具的環(huán)空液面下降后減少的體積。所以，“濕起”每米鉆桿后環(huán)空液面下降的高度Dpx(m)計(jì)算公式見式(8)～(10)。

(8)

Vpx=Vpi+Vpo

(9)

(10)

式中：Vpx為每米鉆桿閉端排代量，m3；Vpi為每米鉆桿內(nèi)容積，m3；Dpi為鉆桿內(nèi)徑，mm。

“濕起”不灌漿工況下的最大安全起鉆高度HX(m)，其計(jì)算公式見(11)。

HX=Ha/DpX

(11)

以上公式從井控安全角度出發(fā)，考慮起出鉆具后導(dǎo)致井筒內(nèi)剩下鉆具排代量減少，可以直觀反映環(huán)空中液面的下降程度，具有計(jì)算簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。但需要地層壓力值準(zhǔn)確才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，才能完全滿足指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3 算 例

X油田XX井，鉆至油氣層，斜深2 500 m，造斜點(diǎn)700 m，垂深2 000 m，地層壓力系數(shù)1.15，井眼尺寸216 mm，127 mm鉆桿(內(nèi)徑108.61 mm)，244.48 mm套管(內(nèi)徑224.41 mm)下深500 m，鉆進(jìn)時(shí)泥漿比重1.20 g/cm3，每柱平均28.5 m。結(jié)合鉆井手冊(cè)，E級(jí)、G級(jí)、S級(jí)鉆桿的平均每米重量(包括接頭)分別為31.09 kg/m、32.62 kg/m，33.62 kg/m。采用本文介紹方法針對(duì)“干起”和“濕起”兩種工況，計(jì)算得到不同鋼級(jí)鉆桿在不灌漿的情況下最大安全起鉆柱數(shù)見表1。

表1 不灌漿的兩種工況下不同鋼級(jí)鉆桿的最大安全起鉆高度Table 1 Maximum safe trip height of drill pipe withdifferent steel grades under two workingconditions without filling up

從以上的計(jì)算結(jié)果可以看出，同一工況條件下，由于不同鋼級(jí)的鉆桿每米線重不同而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不同；不論“濕起”還是“干起”，最大安全起鉆高度隨著鉆桿的鋼級(jí)增加而變短，但是變化范圍不大。在其他條件相同的情況下，相同鋼級(jí)的鉆桿“濕起”比“干起”的最大安全起鉆高度短，因而“濕起”需要更及時(shí)、頻繁地灌漿。

4 結(jié) 論

1) 確定起鉆時(shí)不連續(xù)灌漿條件下的最大安全起鉆高度時(shí)，需要分“干起”和“濕起”兩種工況，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、鉆柱等具體參數(shù)計(jì)算，而不是按同一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值執(zhí)行。

2) 在其他條件相同的情況下，“濕起”比“干起”的最大安全起鉆高度低，井控風(fēng)險(xiǎn)更大，因而“濕起”需要更頻繁地灌漿。

3) 不論“干起”還是“濕起”，最大安全起鉆高度隨著鉆桿鋼級(jí)的增加而變低，但是變化范圍不大。