氣竄速度計算方法探討與應用

王顯光, 柴 龍, 何 仲, 商 森, 雷 敏

(1中國石化石油工程技術研究院 2中國石化西北油田分公司 3江漢鉆井二公司西部分公司)

氣竄是指油氣進入井筒后因密度差而導致的滑脫上移現象，油氣進入井筒包括破巖、井筒液壓欠平衡、氣液置換和擴散等[1]，油氣上竄速度為單位時間內油氣滑脫上升的距離，即平均氣竄速度[2]。

隨著油氣開發技術的不斷發展，深部的油氣和頁巖氣資源成為新的開發熱點，但在鉆完井施工過程中，當鉆至含天然氣的儲層后，在起鉆前按照井控管理規定必須測試氣竄速度，如果氣竄速度計算不準確，一方面可能導致井涌、井噴等嚴重的井控事故;另一方面可能因盲目提高鉆井液密度而發生漏失造成儲層傷害，還會因不滿足井控氣竄速度要求而采取循環排后效、長期靜止測試氣竄速度等措施進行驗證，浪費了大量的寶貴時間。因此，選擇合適的氣竄速度計算方法對于提高鉆井施工安全和效率具有重要意義[3]。

目前氣竄速度計算方法主要包括遲到時間法和容積法，由于前者計算公式中的遲到時間參數和后者計算公式中的排量參數均受到泵排量不穩定影響[4]，導致現場無法計算或者計算結果與實際差別較大，本文通過分析現用氣竄速度計算方法的特點及存在問題，據現場實際情況，考慮鉆具和井身結構、鉆具替排、泵上水效率、靜止時間、錄井數據延遲、后效起始點選擇和歸位井深等因素，建立操作性更強、更科學的替排液面復位法進行氣竄速度計算。

一、現場氣竄速度計算影響因素分析

1. 遲到時間的確定

遲到時間為鉆頭位置井漿返至井口的時間，現場錄井人員采用電石作為示蹤劑，通過返出時全烴值的變化實測遲到時間，求得的數據較為準確[5]。但在實際施工中隨著鉆具結構、井深和鉆頭位置等改變，都需要重新測定遲到時間，這在鉆井施工中較為不便。目前現場常用的方法是通過鉆頭所在位置的上部環空容積和泵排量來求得，為了提高計算精度，可利用實測遲到時間或替漿作業對泥漿泵上水效率進行校核，提高遲到時間法計算的準確性。

實際施工中，遲到時間受到泵排量不穩定的影響難以確定或誤差較大。例如在下鉆到底排后效過程中，開泵前期排量低于正常循環排量，循環過程中難免倒泵作業，特別是不同尺寸缸套泥漿泵之間的倒換，直接影響遲到時間參數的求取，這也是目前影響遲到時間法氣竄速度計算的一個重要因素。

2. 后效起始點的選取

根據中國石油天然氣行業標準SY/T 5788.2-2008《油氣探井氣測錄井規范》中3.4氣測異常的解釋為氣測值在基值背景基礎上明顯升高的現象，但有時在鉆至油氣儲層后，排后效過程的全烴值變化曲線比較平緩，難以界定全烴的起始點，如圖1，靜置5 h后排后效過程中全烴值為2.28%和全烴值為2.74%之間的時間間隔為5 min，折合井筒內的鉆井液環空高度為317 m，如果選擇第一個點為見顯示點，那么計算出的氣竄速度差值為υ誤差=317/5=63.4 m/h。張世明[5]等對全烴起始點的選擇進行了分析，認為全烴起始點選擇為基準值的2倍左右較為合理，同時在現場12口井中也進行了成功應用，證明該方法合理有效。

此外，由于錄井儀器管線管路存在延遲時間的問題，后效起始點的時間選擇也應考慮該影響，在氣竄速度計算中去除其對遲到時間或排出鉆井液體積的影響，這個時間一般為2～5 min左右，具體時間可以用在脫氣器口注樣的方法進行實測。

圖1 后效起始點的選擇示意圖

3. 歸位井深的選取

歸位井深為油氣顯示層的井深，理論認為是油氣發生滑脫上移前的初始位置。但實際在油氣儲層的鉆進中，油氣顯示層往往有多個，如果后效顯示多峰則可分別計算對應油氣層的氣竄速度，如果多峰不明顯且只有一個最高峰時，則會給歸位井深選擇帶來困難，如果按照“寧緊勿寬”的原則，選擇最后一層為歸位井深，那么計算出的氣竄速度將存在一定誤差，特別是在這兩個油氣層距離較遠且測后效靜置時間較短的情況下誤差會更大。以新疆順北地區一口井為例，該井鉆井時停泵單根峰對應兩個油氣層位置，第一個油氣層頂部位置為7 376 m，最后一個油氣層頂部位置為7 667 m，靜置5 h后進行排后效氣竄速度計算，兩個油氣層位置計算的氣竄速度理論差值為(7 667-7 376)/5=58.2 m/h，該差值遠大于目前井控細則中起鉆前氣竄速度小于30 m/h的要求，嚴重影響現場下步施工方案的制定。

對于現場有多個油氣層的情況，可利用停泵接鉆具后的單根峰進行歸位井深的判斷選擇，將第一個全烴值大于正常循環全烴基值兩倍的單根峰氣層所對應的井深，作為歸位井深進行氣竄速度計算。

4. 靜止時間的確定

目前靜止時間定義為停泵起鉆至下一次下鉆到底開泵之間的總時間，但實際情況是油氣在鉆井液中的滑脫上移作用不僅存在于鉆井液靜止期間，而且在循環運動的鉆井液中也存在這種現象，因為油氣在上返過程中受到的浮力不變，則油氣相對于運動的鉆井液向上的運移速度與靜止期間的速度是相同的[6-7]，所以在短時間靜止或深井開泵循環到見后效這段期間的油氣上竄時間不能忽略，計算氣竄速度過程中的時間應為停泵后的靜止時間與開泵到見后效期間的時間總和。

5. 鉆具替排作用的影響

鉆具替排作用是指下鉆過程中由于鉆柱的下入而導致環空鉆井液液面的上升而返出的現象。按照石油鉆井井控要求，在鉆進油氣層后每趟鉆鉆具需帶內防噴工具，所以在下鉆過程中整個鉆具處于閉排下鉆狀態，替排出的鉆井液體積等于進入其鉆具的閉排體積。特別是在裸眼段中鉆挺的替排作用會更加明顯，這將導致環空中的油氣界面大幅度上移，直接影響氣竄高度的判斷，最終影響氣竄速度的計算結果，特別是短起下測油氣上竄速度的過程中，替排作用引起的誤差將會更大。

二、替排液面復位氣竄速度計算方法

為了減少氣液相對滑脫造成的誤差和便于現場操作計算，計算中假定氣體從井底滑脫至井口過程中的速度是一致的，替排液面復位氣竄速度計算方法是基于優化后的累計泵沖體積法而構建，考慮了鉆具替排和循環排氣過程中氣體相對于鉆井液滑脫作用，消除遲到時間受排量不穩定影響的問題，將后效起始點選擇為全烴基準值的兩倍位置，同時考慮錄井管線延遲時間和開泵見后效時間的因素，并根據實鉆過程中的單根峰情況，選擇合理的油氣層作為歸位井深，在考慮以上影響因素的前提下，根據現場具體施工情況進行氣竄速度計算。

現場氣竄速度計算一般在長起或短起下鉆后兩種情況下進行，后一種情況中要注意判斷下鉆前鉆頭相對于油氣靜止上竄后的位置，當鉆頭位于氣頂上方時，可認為鉆具進入氣頂至下鉆到底后，被替排作用后的氣頂位置之下的環空體積等于未被替排前氣頂之下的井眼體積，即將下鉆后氣頂之下環空鉆井液體積在空井筒中自下而上進行體積還原，以此來計算出替排前的油氣頂界位置,同時結合其它計算參數，對氣竄速度進行較為精確的計算。

除了長起鉆外，如何判斷短起后下鉆前鉆具是否位于氣頂之上，可采用下鉆后氣頂之下環空鉆井液體積V環-NQ與下鉆前鉆頭以下空井眼體積進行比較，如圖2，如果前者體積小于后者，那么可判斷為下鉆前鉆頭位于氣頂之上；反之位于氣頂下方，在下方計算時要考慮環空中鉆具的體積，下鉆后氣體被替排后情況。

圖2 下鉆后氣體被替排的狀態

下鉆前氣頂位于第i段套管內，氣頂距離井底的高度Hg見式(1)：

(1)

替排液面復位氣竄速度見式(2)：

(2)

式中：i≥1，n≥1；υ氣竄—氣體平均上竄速度，m/h；Hg—下鉆前氣頂距井底高度，m；H歸—歸位井深，m；HB—井底深度，m；H1、H2…Hi—下鉆前井內各同類型段長度，m；S1、S2…Si—下鉆前井內各同類型段環空截面積，m2；V環—下鉆后鉆井液環空體積，m3；N—循環見后效時總泵沖數(去除管線延遲時間)，沖；Q—每沖體積，m3/沖；t靜—停泵起鉆至下鉆排后效時的總時間，h；t排—循環到見后效的時間，h。

三、現場應用

利用替排液面復位氣竄速度計算方法在新疆塔河及外圍多口氣侵嚴重的井中進行應用，包括順北2井、順南7、躍進3-5H、順北評1H、順北3和TK879CH等井共30余井次，以下分為下鉆前鉆頭位于氣層上方和位于氣層下方兩種實例進行介紹，基本可涵蓋現場井大部分施工情況，每種實例中分別采用現場常用的遲到時間法和替排液面復位法進行氣竄速度計算。

1. 應用實例一(下鉆前鉆頭位于氣層上方)

順北評1H井井身結構及鉆具如表1，在四開直井眼取心作業后長起，后下鉆至7 752.50 m開泵排后效，井深7 765 m，開泵時間04:58，中途停泵34 min，后效起始時間08:16，靜止49.05 h，全烴初始值1.324%，最高至99%。

表1 順北評1H井取心時鉆具及井身結構

遲到時間法計算參數：鉆頭位置遲到時間225 min，靜止時間49.05 h，歸位井深7 661 m(最后一層油氣顯示)，開泵見顯示時間164 min，計算結果為41.05 m/h。

替排液面復位法計算參數：氣竄時間52.35 h(其中3.3 h為開泵至見后效時間)，歸位井深7 376 m(單根峰全烴超過基值2倍所對應的氣層位置)，去除管線延遲時間后開泵至出后效總泵沖數為5 732沖(按上水效率95%計算每沖體積19.72 L)，計算結果為25.65 m/h。

2. 應用實例二(下鉆前鉆頭位于氣層下方)

順北評1H在四開直井眼(表2)，短起至套管內7 353 m靜止測后效，后下鉆至7 753 m循環排后效，靜止時間7.78 h，開泵時間10:53，后效起始時間13:31，全烴初始值2.112%，最高值為99%。

表2 順北評1H井中完測井前鉆具及井身結構

遲到時間法計算參數：鉆頭處遲到時間189 min，靜止時間7.78 h，歸位井深7 661 m(最后一層油氣顯示)，開泵見顯示時間158 min，計算結果為153.28 m/h。

替排液面復位法計算參數：油氣上竄時間10.41 h(其中2.63 h為開泵至見后效時間)，歸位井深7 376 m(單根峰全烴超過基值2倍所對應的氣層位置)，去除管線延遲時間后開泵至出后效總泵沖數為6 737沖(按上水效率95%計算每沖體積19.72 L)，計算結果為89.24 m/h。

四、結論

(1)與替排液面復位法相比，現場常用的遲到時間法計算出的氣竄速度偏大，給井控安全的判斷和下步施工方案的制定帶來困擾，而采用替排液面復位法計算出的氣竄速度更為合理，利用該數據進行的后續施工未出現井控安全問題。

(2)雖然該計算方法盡量消除了部分在循環排后效過程中因油氣相對滑脫上升的影響，但仍未考慮油氣在上升過程中的膨脹等因素，有待后期進一步研究和完善。