水平井工程師法壓井技術探索

董黎明，顏廷杰，馬曉明，王 松，陳忠恒，公 慧，喻海霞

(1中石化勝利工程公司技術發展處 2中石化勝利工程公司培訓中心)

近年來，隨著水平井鉆井技術的不斷提升，水平井的應用范圍越來越廣，但由于井下情況復雜，水平井鉆井期間也存在較多井控風險。如某油田2017年和2018年鉆井期間共發生溢流事件32井次，其中水平井溢流占比高達27井次，占總發生井次的84%。目前水平井井控管理和處理方法仍然采用直井的管理方式，既不利于水平井溢流的發現、監測、控制及處理，也不利于卡鉆、井漏等預防和處理。

本文根據多年國內外井控的現場管理經驗，總結了水平井鉆井溢流的特點及預防管理措施，提出了四點式水平井工程師法壓井控制理論，并制訂了具體的、行之有效的控制程序和步驟，確保水平井鉆井期間的井控安全及井下安全，對提高水平井壓井期間精確控制井底壓力、預防壓差卡鉆[1]及壓漏地層有重要意義。

一、水平井鉆井溢流特點

1.溢流早期檢測難度大

對于水平井鉆井來說，溢流早期檢測報警是至關重要的。處于水平段、斜井段的氣體溢流對井眼液柱壓力的影響和直井的不同，無法通過井口壓力直接讀取，故水平井溢流早期檢測報警就格外困難。

(1)即使在平衡條件下，由于起鉆抽汲作用也會造成氣侵，氣體在整個水平段運移過程中，對井眼液柱壓力無影響[2]，關井套壓和立壓均為零，易造成無溢流的假象。

(2)當井底欠平衡時，儲層氣體就會大量涌入水平段環空，此時關井套壓和關井立壓雖有顯示，但是兩者相等，無法根據關井套壓與關井立壓的差值來判斷水平井井段溢流侵入程度。

(3)井眼凈化問題。實鉆的水平井段會上下起伏，在其頂部形成“口袋”[3](如圖1所示)。

圖1 水平段頂部的“口袋”及巖屑床的形成

由于氣體密度小，進入水平段的氣體會被封閉在井眼頂部的“口袋”中，這些氣體難以被循環排除干凈。再者，在水平井段鉆進時,巖屑由于重力作用易在水平段底邊沉淀堆積，形成巖屑床，增加了起鉆抽汲作用，造成更大溢流，且增加卡鉆的機率。

2.危害性及處置難度大

水平井與直井的儲層暴露面積對比見圖2。由此可知，水平井儲層的暴露面積是直井的幾十倍，甚至上百倍[4]，所以，水平井段鉆井時一旦出現欠平衡，其溢流量和溢流速度將遠超直井，其危害性更大。

圖2 直井與水平井的儲層暴露面積對比圖

二、溢流的預防與應急措施

為了有效地規避上述不利影響，首先應從鉆井工程設計、井控現場管理和操作等方面進行優先考慮。

1.鉆井工程設計方面

(1)水平井套管柱設計時，套管下深應盡可能接近水平井段,實現“專層專打”，以防壓井期間上部裸眼井段出現復雜情況。

(2)可適當提高環空返速、鉆井液密度、劃眼頻度和在鉆具組合中適當加入清砂工具等手段，來提高井眼凈化效果，減少巖屑床產生。

2.井控現場管理和操作方面

(1)水平井段鉆進時應適當降低鉆速，并分段循環觀察，以利早期發現。

(2)應先采用平衡地層壓力當量密度的壓井液進行循環，以最大程度地排除水平段頂部的“口袋”氣。

(3)起鉆前測油氣上竄速度，滿足安全起鉆的要求，否則應循環加重。

(4)發現溢流及時關井，疑似溢流關井觀察。

(5)下鉆到井底前，應循環一周以上，確保進出口密度小于0.02 g/cm3。

三、水平井工程師法壓井方法及實施步驟

直井工程師壓井法只需按井口處和鉆頭處兩點連成的直線控制立壓即可，方法簡單。水平井工程師壓井法計算點的多少取決于水平井的段制數量。本文以現場常見的直-增-穩三段制剖面為例推導出水平井工程師法壓井的計算模式、方法和步驟。即分別計算出井口、造斜點、穩斜點以及鉆頭四處的總循環壓力，繪制出從井口至造斜點、造斜點至穩斜點、穩斜點至鉆頭處三條斜率不一的直線，并且計算出各井段的定沖數循環立管壓力變化值。

1.基礎數據

1.1 井眼基本數據及鉆具組合

井眼的尺寸:?215.9 mm，測深：4 750 m，垂深：3 700 m；套管尺寸:?244.5 mm，測深：3 051 m，垂深：3 051 m；造斜點的測深：3 100 m，垂深：3 100 m，穩斜點的測深：4 050 m，垂深：3 700 m；在用井眼內鉆井液密度：ρm=1.43 g/cm3；鉆具組合：?127 mm鉆桿×3 100 m +?127 mm加重鉆桿×420 m+?127 mm鉆桿×1 230 m+下部鉆具組合(長度忽略不計)。(鉆桿容積：9.26 L/m；加重鉆桿容積：4.56 L/m；鉆具與裸眼環空容積：23.93 L/m；鉆桿與套管環空容積：26.16 L/m)。

1.2 地層強度試驗數據

1.3 低泵速試驗數據

在40沖/min時pci=5.8 MPa；泵實際排量為18 L/沖。

1.4 鉆具水眼和環空對應的沖數

(1)從井口到造斜點鉆具水眼對應的沖數:

S@KOP=(9.26 L/m×3100 m)÷18 L/沖=1595沖

(2)從井口到穩斜點鉆具水眼對應的沖數:

S@EOB=[9.26 L/m×(3100+530)m+4.56 L/m×420 m]÷18 L/沖=1974沖

(3)從井口到鉆頭鉆具水眼對應的沖數:

S@bit=[9.26 L/m×(3100+530+700)m+4.56 L/m×420 m]÷18 L/沖=2334沖

(4)裸眼及套管環空對應的沖數:

S環空=(26.16 L/m×3051 m+23.93 L/m×1699 m)÷18 L/沖=6693沖

(5)井眼總體積對應的沖數:

S井眼=S@bit=S環空=9027沖

2.溢流數據

關井立壓pd=6 MPa；關井套壓pa=6.8 MPa；池增量ΔV=5.5 m3。

3.壓井模型推導、壓井數據計算程序和實施步驟

3.1 壓井液密度ρk(計算結果進位取大)

3.2 初始總循環立管壓力pri

pri=pci+pd=5.8+6=11.8 MPa

3.3 終了總循環立管壓力pTf

3.4 壓井液沿鉆具下行至X點井深時的總循環立管壓力pT@X

根據井底常壓法壓井原理可知：壓井液沿鉆具下行至X點井深時總循環立管壓力pT@X共由兩個部分組成：一是壓井液泵入鉆具后的循環壓耗pc@X；二是壓井液泵入鉆具后剩余關井立管壓力pd@X。

因為，壓井液沿鉆具水眼下行至X點時的低泵速循環壓耗pc@X和剩余關井立管壓力值pd@X分別為：

(1)

(2)

式中：pc@X—壓井液沿鉆具水眼下行至X點時的低排量循環壓耗，MPa；M@X—X點的井眼(鉆具)測深，m；M@bit—井眼(鉆具)總測深，m；pd@X—壓井液下行至X點井深時剩余關井立管壓力值，MPa；H@X—X點的井眼(鉆具)垂深，m；H@bit—井眼(鉆具)總垂深，m。

(3)

根據式(3)可得壓井液到達造斜點時的總循環立管壓力:

(4)

式中:pT@KOP—壓井液到達造斜點時的總循環立管壓力值,MPa；M@KOP—造斜點井眼(鉆具)測深，m；H@KOP—造斜點井眼(鉆具)垂深，m。

同樣根據式(3)可得壓井液到達穩斜點時的總循環立管壓力pT@EOB：

(5)

經整理，得：

(6)

式中：pT@EOB—壓井液到達穩斜點時的總循環立管壓力，MPa；M@EOB—穩斜點井眼(鉆具)測深，m；H@EOB—穩斜點井眼(鉆具)垂深，m。

井口處、造斜點、穩斜點及鉆頭處的坐標分別是(0，11.8)、(1595，7.3)、(1974,6.4)、(2334,6.5)。

3.5 各井段的定沖數循環立管壓降值

分別計算出從井口至造斜點、造斜點至穩斜點、穩斜點至鉆頭的定沖循環立管壓降值(定沖一般為100～200沖，本文選200沖)。

(1)從井口至造斜點每200沖的循環立管壓降ΔpT@KOP:

(7)

(2)從造斜點至穩斜點每200沖的循環立管壓降ΔpT@EOB:

(8)

(3)從穩斜點至鉆頭每200沖的循環立管壓降ΔpT@bit:

(9)

3.6 壓井液泵入沖數與循環立管壓力對應關系及關鍵操作步驟

(1)壓井液泵入沖數與循環立管壓力對應關系見表1。

(2)水平井工程師壓井法立壓控制曲線見圖3。

圖3 水平井工程師壓井法立壓控制曲線

(3)關鍵操作步驟。①緩慢開泵,同時調節節流閥,保持套壓等于關井套壓(6.8 MPa)不變；②泵速逐漸達到40沖/min時保持泵速不變。在壓井液(1.6 g/cm3)從井口到造斜點期間按表1給出的數據將立壓從11.8 MPa逐漸降至7.3 MPa(每泵入200沖，立壓降低0.5 MPa)。從造斜點到穩斜點期間將立壓從7.3 MPa逐漸降至6.4 MPa(每泵入200沖，立壓降低0.4 MPa)。從穩斜點到井底鉆頭處期間將立壓從6.4 MPa逐漸增至6.5 MPa(每泵入200沖，立壓增加0.05 MPa)。當壓井液從鉆頭返出后始終控制立壓等于終了循環立管總壓力ptf=6.5 MPa即可，直到壓井液返出地面，停泵關節流閥，此時pd=pa=0，則證明壓井成功。

表1 泵入壓井液沖數與循環立管壓力對應表

四、結論

(1)水平井工程師壓井法應首先分別計算出井口、造斜點、穩斜點、鉆頭四個點的總循環立管壓力值，再將相鄰兩點以直線相連，最后分別計算出井口-造斜點、造斜點-穩斜點、穩斜點-鉆頭三段的定沖壓降值，并作成如表1所示施工數據表即可。泵入壓井液期間，在不同井段控制不同的壓降值，作為循環立管壓力控制操作的依據，就可順利實現水平井井底常壓法壓井的目的。

(2)水平井工程師法壓井中，壓井液一旦進入水平段(穩斜點)，其循環立管壓力降至最小值，且小于終了循環立管壓力。水平井段越長，兩者差值就越大。因此，在現場壓井操作中應按實際循環立管壓力控制，不可忽視。否則，極易引起井下復雜情況，甚至造成事故。