油氣上竄速度計算方法修正與現場應用

任永利，蔣洪波，韓忠青，楊云鵬，禹貴成

中國石油塔里木油田分公司 監督中心（新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

鉆開油氣層后，地層中的油氣以擴散和滲濾兩種形式進入鉆井液并沿井筒上竄，單位時間內的油氣上竄高度稱為油氣上竄速度[1]，是定性評價油氣活躍程度、指導鉆井安全施工的重要參數，鉆井現場通過短程起下鉆并應用遲到時間法檢測油氣上竄速度，該方法受到遲到時間、循環排量等多種因素影響，且未考慮下鉆時鉆具排替、復合鉆具與井身結構的組合、油氣相對鉆井液運移的影響，弊端明顯，誤差較大，尤其在塔里木油田明確短程起下鉆檢測油氣上竄速度時，起至管鞋或安全井段直接下鉆的新要求下，鉆井液靜止時間變短，計算誤差成倍增加。通過調研大量文獻[2-6]，發現眾多學者對油氣上竄速度計算方法進行了改進，雖然在一定程度上提高了計算精度，但是這些方法或考慮因素單一，或計算繁瑣不符合鉆井現場實際，無法滿足新形勢下塔里木盆地超深井需準確檢測油氣上竄速度的要求。

因此，基于油氣運移過程對“遲到時間法”進行修正，修正后的計算方法更加貼近鉆井液從靜止（一般為短程起下鉆時間）到再次開泵見顯示整個過程中油氣在井筒內的運移規律，現場應用結果表明，新方法計算精度更高，對現場定性評價油氣活躍程度、準確指導鉆井安全施工具有重要意義。

1 短程起下鉆檢測油氣上竄速度的方法及原理

鉆井現場檢測油氣上竄速度一般采取短程起下鉆的方式進行，新版《塔里木油田鉆井井控實施細則》要求：短程起下鉆應起到安全井段，直井至少起10～15柱，水平井（大斜度井）起到直井段，然后直接下鉆到底循環，檢測油氣上竄速度。與以往不同的是減少了靜止觀察時間，即鉆井液靜止一段時間后（一般為短程起下鉆時間），開泵錄取后效資料，再通過“遲到時間法”計算所得。

式中：H油為油氣層深度，m；H鉆頭為循環時鉆頭深度，m；t為從開泵循環至見油氣顯示的時間，min；t遲為鉆頭深度的遲到時間，min；t靜為靜止時間，min。

上述計算方法是將全井筒視為等徑，短程起下鉆期間，鉆井液完全靜止的情況下，用油層位置減去開泵后油氣隨鉆井液上返高度，得到靜止時間內油氣上竄高度，繼而得到油氣上竄速度。而實際下鉆過程中，由于下部鉆具下入油氣界面以下會引起油氣界面上升；下鉆到底開泵循環，為了防止開泵過快，憋漏地層，通常采取小排量頂通，再逐漸提高至正常循環排量，且中途可能存在倒泵等特殊情況，導致遲到時間和實測值往往存在偏差；開泵到見顯示整個過程中，油氣不僅隨鉆井液上返，還存在與上返鉆井液的相對運動。以上3個因素都是“遲到時間法”計算油氣上竄速度的重要誤差來源。

很顯然，“遲到時間法”計算結果較為保守，計算值偏大，以此為根據評估鉆井施工中的井控安全，往往不會存在井控風險。但是當計算出的油氣上竄速度不滿足下步施工井控安全時，現場往往采取循環提密度、起鉆至一定高度壓重漿帽等措施來抑制油氣上竄，調研相關文獻并結合塔中某口風險探井實鉆資料[7]發現，提高鉆井液密度只能降低后效全烴值，并不能有效降低油氣上竄速度，相反會使油氣上竄速度越來越高，而對于壓力敏感性地層，由于計算誤差造成對井下情況的誤判而采取的以上不合理措施，會導致井漏等井下復雜以及漏轉溢的井控風險。

2 短程起下鉆期間油氣運移規律

結合現場實際，為便于后續理論計算，更直觀地認識油氣上竄規律，需對短程起下鉆及油氣上竄作如下限定：①短程起鉆前充分循環1.5周以上，進出口密度差不大于0.02 g/cm3,徹底排除已被油氣侵入的鉆井液；②井眼狀況良好，短起下無嚴重阻卡，中途不開泵沖劃；③油氣層以上300 m井段內起鉆速度不超過0.3 m/s，最大限度排除起鉆抽汲對油氣上竄速度的影響；④油氣上竄過程中不考慮在鉆井液中的滑脫和體積膨脹；⑤油氣從井底到井口運移過程中速度為勻速；⑥為防范井控風險，鉆開油氣層后鉆具內帶浮閥。

2.1 停泵短起下過程

停泵短起下，以擴散和滲濾兩種方式進入井筒的油氣受到浮力、自身重力、界面張力作用，當向上的浮力大于自身重力和界面張力之和時，油氣就沿鉆井液自動上升，在短起下鉆時間內上竄高度為h靜；下鉆過程中，鉆頭必然要穿過油氣界面，下至油層位置以下，下入油氣界面以下的鉆具會導致油氣界面進一步升高，此為鉆具排替高度Δh，根據鉆頭位置與油氣層位置的相對關系，可分為從油氣界面上、下兩種方式下鉆。

2.1.1 從油氣界面上部下鉆

根據起鉆前鉆頭位置、油氣層位置及短起鉆完鉆頭位置之間的相對位置關系，短起鉆完面臨從油氣界面上部或者下部下鉆兩種可能性，若滿足下式則從油氣界面上部下鉆，否則從油氣界面下部下鉆：

鉆具進入油氣界面后排開鉆井液的體積等于油氣界面上升高度的環空容積：

式中：V上-下為鉆具從h鉆頭上到h鉆頭下段的鉆具閉排體積，m3；h鉆頭上為短起鉆完時的鉆頭位置，m；h鉆頭下為下鉆完的鉆頭位置，m；h鉆井液為開泵見顯示過程中鉆井液頂替高度，m；A為(h鉆頭上-h鉆井液)段對應的環空截面積，m2；A鉆具為鉆具閉排截面積，m2；A裸眼為裸眼截面積，m2。

從油氣界面上部下鉆時的鉆具排替高度為：

2.1.2 從油氣界面下部下鉆

若短起鉆完從油氣下部下鉆，則公式變為：

從油氣界面下部下鉆時的鉆具排替高度為：

2.2 開泵見顯示過程

短起下鉆完，開泵錄取后效資料，此過程中鉆井液攜帶油氣上返，至出口見顯示止，令鉆井液頂替高度為h替，通過計算鉆井液頂替高度[8]，既可以避免求取遲到時間引起的誤差，又能充分考慮鉆具組合和井身結構的影響。

2.2.1 鉆井液推動油氣界面上返的高度

鉆井液推動油氣界面上移的高度對應的環空容積等于環空鉆井液排除的體積。

式中：S為開泵到見顯示的總泵沖，沖；n為泵每沖的排量，L/沖；V出為開泵到見顯示排出鉆井液的體積，m3；Hi為第i段鉆具與對應井身結構的有效長度，m；Ai為第i段鉆具與對應井身結構的環空截面積，m2。

判斷油氣界面在某一段鉆具與井身結構的組合中，若滿足以下不等式：

則說明油氣界面在第i段鉆具與井身結構組合中，由此可進一步計算油氣界面在第i段鉆具與井身結構組合中的長度Hi：

鉆井液頂替高度為：

2.2.2 油氣界面相對鉆井液向上運移

開泵到見顯示過程中，油氣不僅隨著鉆井液沿井筒上返，還存在與上返鉆井液的相對運動。不考慮上竄過程中油氣在鉆井液中的滑脫和體積膨脹，且認為油氣從井底到井口運移過程中速度為勻速，則油氣相對上返鉆井液的速度為油氣上竄速度v：

式中：v相對為油氣相對上返鉆井液的速度，m/h；t靜為鉆井液靜止時間，h；h靜為短起下鉆時間內油氣上竄高度，m。

3 “遲到時間法”修正

基于“遲到時間法”計算油氣上竄度速度見式（1）。通過對油氣上竄過程分析可知：

將式（14）代入式（13）整理后得：

將式（16）代入式（15）整理后得：

式中：v鉆井液×t見為開泵見顯示鉆井液頂替高度，m；t靜+t見為短起下鉆從停泵靜止到再次開泵見顯示時間，h。即：

4 實例應用

以塔里木油田阿深1號構造上的一口風險探井QT1井為例，該井鉆進至井深6 217.37 m，油氣層顯示層位置5 821 m，鉆具組合：241.3 mm鉆頭+177.8 mm鉆鋌×17根+柔性短節+177.8 mm隨鉆震擊器+177.8 mm鉆鋌×3根+139.7 mm加重鉆桿×15根+139.7 mm鉆桿+149.2 mm鉆桿，井身結構為：273.05 mm套管×13.84 mm×5 447 m+241.3mm裸眼×770 m，短起鉆完鉆頭位置5 440 m，開泵時鉆頭位置6 205 m，靜止時間8.2 h，開泵見顯示時間1.4 h，開泵見顯示總泵沖為7 354沖，缸套直徑170 mm，沖程305 mm，泵上水效率95%，泵每沖排量19.7 L，具體數據見表1。

表1 復合鉆具與井身結構組合

開泵到見顯示時間段內排出鉆井液體積為145 m3，大于149.2 mm鉆桿×2 574 m段對應環空容積，小于149.2 mm鉆桿×2 574 m段對應環空容積與139.7 mm鉆桿×2 873 m段對應環空容積之和，因此，開泵前油氣界面在139.7 mm鉆桿×2 873 m段對應環空之中，根據式（11）求得鉆井液頂替高度為4 878 m，從短起鉆完鉆頭位置到開泵時鉆頭位置的鉆具總閉排容積為13.8 m3，小于短起鉆完鉆頭位置到開泵時油氣界面位置段對應的環空容積為17.4m3，因此短起鉆完下鉆時是從油氣界面下部下鉆，根據式（6）得出鉆具排替高度為446 m。

將以上數據代入式（18）得出油氣上竄速度為51.7 m/h。而應用遲到時間法，即式（1），計算結果為115.6 m/h。

5 結論

短起鉆完不專門靜止即下鉆測后效的大背景下，傳統“遲到時間法”受到泵排量、遲到時間、靜止時間等多重因素影響，計算誤差較大，以此為根據，評估鉆井施工中的井控安全往往不夠準確。當計算出的油氣上竄速度不滿足下步施工井控安全時，現場往往采取循環提密度、起鉆至一定高度壓重漿帽等措施來抑制油氣上竄，不合理的措施可能導致井漏等井下復雜以及漏轉溢的井控風險。

修正后的計算方法基于短起下鉆油氣運移規律，綜合考慮了鉆具排替、油氣相對鉆井液的運移、復合鉆具與井身結構的組合影響，計算結果更為準確，對現場定性評價油氣活躍程度、準確指導鉆井安全施工具有重要意義。