基于地層溢流能量的壓井方式選擇方法

陶振宇 樊洪海 劉玉含 葉宇光 鄧嵩 羅勝

1.中國石油大學(北京)石油工程學院；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司；3.常州大學石油工程學院；4.中國石油華北油田分公司巴彥勘探開發分公司

0 引言

目前，我國油氣勘探開發逐漸轉向深層區域。在深井、超深井以及特深井的開發過程中，地質情況復雜，高溫高壓，常發生溢流、漏失等事故，井控風險高，嚴重影響安全鉆井［1-3］。發生溢流后，需要及時關井，實施壓井作業，重新建立井下壓力平衡，以防造成井涌、井噴及更大的事故［4］。國內常用的壓井方法分為常規壓井和非常規壓井兩種，常規壓井又稱節流循環法壓井，主要包含司鉆法、工程師法、邊循環邊加重法等；非常規壓井主要包含反循環壓井法、壓回法、置換壓井法、動力壓井法等［5-6］。為了及時有效地處理溢流事故，需要選擇合理的壓井方法，選擇錯誤的壓井方法會導致壓井失敗，造成嚴重事故［7-8］。塔中地區位于塔里木盆地，是中石化重要的油氣接替區，屬于碳酸鹽巖油氣藏。該地區儲層非均質性強，超深、超高溫高壓，溢漏復雜頻發，現場根據經驗推薦的壓井方法為壓回法。壓回法是關井后，通過井口泵入加重壓井液將井內氣體壓回地層的方法［9］。實際使用時發現壓回法經常失敗，導致復雜情況，而部分井使用節流循環時無法控制溢流，無法根據經驗準確地選擇壓井方法，急需一種科學的定量的選擇方法［10-13］。

國內外學者對壓井方法的選擇進行了相關的研究。袁波等［14-15］介紹了高壓氣井壓井方法，定性分析了常規及非常規壓井方法的選擇標準；Santos等［16］提出了最大氣侵量的計算方法，通過該方法可以判斷是否可通過井控方法循環排出侵入氣體；王振等［17］根據現場工作經驗，總結歸納了延長氣田壓井方法優選的準則；孫曉峰等［18］分析了適用于壓回法壓井的溢流井特征，并對壓回法壓井進行了實例分析；金業權等［19］基于井涌余量計算提出了深水壓井方法選擇標準，并以南海某井為例驗證了模型的可靠性；Feng 等［20］對比了司鉆法和邊循環邊加重法在深水壓井中的適用性；邊杰等［21］以A19 井為例，通過經驗對比選擇了合適的壓井方法，解決了現場的難題；朱傳云等［22］介紹了目前現有的壓井方法，并根據經驗提出了現場選擇壓井方法的原則；周云健等［23］分析了儲層性質對壓回法壓井效果的影響；王軍等［24］提出一種控壓釋放技術，可以降低圈閉壓力，有利于井控安全。

國內大多都是根據工程師的經驗進行定性的對比判斷，根據不同壓井方法的特點，結合現場情況，選擇合適的壓井方法，并沒有一種定量的選擇方法。壓井方法的選擇是影響壓井成敗的重要因素，缺少科學的選擇方法，會導致壓井方法選擇錯誤，增加井控的風險。

油氣田開發中常用地層能量描述地層流體產出能力的大小，筆者借鑒地層能量的意義，提出地層溢流能量的概念，用來描述現場地層流體溢流能力的大小。通過建立地層溢流能量計算模型，定量評價地層向井筒溢流的能力，并綜合考慮井底壓差等因素，提出了一種定量的壓井方法優選方法。該方法經過塔中地區16 口溢流井的檢驗，準確率高，對現場選擇壓井方法具有指導意義。

1 地層溢流能量計算模型

本文提出地層溢流能量的概念，用來定量評價地層溢流能力的大小，地層溢流能量越大，則溢流強度越大，井控風險越高。井下與溢流強度相關的量通常有溢流流體種類、溢流流體密度、地層壓力、井底壓力、溢流流體的侵入速率等，所以以單位壓差下溢流流體做功的功率表征地層溢流能量的物理意義，綜合考慮上述的物理量，基于量綱分析提出地層溢流能量的計算公式［25］。

油、水侵入的地層溢流能量計算公式為

由于氣體運移存在膨脹及滑脫效應，與油水不同，所以本文借鑒油氣生產中的方法，引入擬壓力函數。氣體侵入的地層溢流能量計算公式為

式中，Ei為單位壓差溢流流體做功的功率，W/Pa；qi為溢流流體侵入速率，m3/min；α為溢流流體密度與純水密度的比值；pp為地層壓力，MPa；pw為井底壓力，MPa；Z為氣體偏差因子；μg為氣體的黏度，Pa·s。

2 地層溢流能量參數計算方法

目前地層溢流能量模型中井底壓力、氣體偏差因子以及氣體黏度可以從現場鉆井數據中提取處理，溢流流體的密度、溢流侵入速率以及地層壓力則需要通過相關模型計算。

2.1 溢流流體密度計算模型

計算溢流流體密度的傳統方法是通過提取的現場鉆井數據，基于U 型管效應推導的簡單模型計算，如圖1 所示［5］。該模型未考慮高溫高壓以及兩相流模型的影響，計算模型如式(3)所示。

式中，ρmud為鉆井液密度，g/cm3；ρi為溢流流體密度，g/cm3；pl為關井立壓，MPa；pt為關井套壓，MPa；Vo為溢流體積，m3；Vs為環空容積，m3；H為井深，m。

為了更加精確地計算溢流流體密度，綜合考慮溫度、壓力以及兩相流模型的影響，提出了一種溢流流體密度計算修正方法［26］，計算模型見式(4)。

式中，ρlmi為第i段中鉆柱鉆井液密度，g/cm3；ρtmi第i段中環空鉆井液密度，g/cm3；fmi為第i段中環空鉆井液體積分數；fini為第i段中環空侵入流體體積分數；k為單相區域和兩相區域界面處的單元編號。

通過現場提取的鉆井數據，將關井立壓、關井套壓、溢流量等鉆井數據迭代計算溢流流體的密度，利用密度的不同對溢流流體種類進行判別。當溢流流體密度≤0.36 g/cm3時，溢流流體判別為氣體；當密度為＞0.36～0.60 g/cm3時，溢流流體判別為油氣混合物；當密度為＞0.60～0.92 g/cm3時，溢流流體判別為油或油水混合物；當密度＞0.92 g/cm3時，溢流流體為水或鹽水。

2.2 地層壓力計算方法

計算溢流關井后的地層壓力，一般采取關井求壓的方法，通過關井后井筒U 型管效應推導出地層壓力［4-5］。

2.2.1 利用關井數據計算地層壓力

溢流關井后，立壓會逐漸升高。通過關井取壓的方法，繪制關井立壓曲線，求取最大關井立壓，代入式(5)計算地層壓力。圖2 為某井關井后立壓恢復曲線，可以看出，關井初期由于井底壓力不平衡，地層流體繼續溢流進井筒，導致立壓增大；到了關井的中后期，由于地層流體進入井筒，井底壓差逐漸減小，所以地層流體進入速度減緩，立壓增長也隨之變慢。

式中，ph為立管內靜液柱壓力，MPa；plmax為最大立管壓力，MPa。

2.2.2 利用放噴數據計算地層壓力

溢流發生后，某些溢流井由于地層較復雜，可能會采取放噴作業。放噴過程可以得到多次關井立壓恢復曲線，通過對這些數據進行處理與分析，可以提高地層壓力的計算精度。使用2.2.1 中關井求壓的方法，繪制每次放噴關井后的壓力曲線，求取每次的最大關井立壓，依據放噴時立管內鉆井液靜液柱壓力，得到地層壓力的大小，消除異常值后取平均值作為最終關井地層壓力。

2.3 溢流侵入速率計算方法

溢流發生后，實時數據中的立壓、總池體積、懸重等工程參數均會發生變化，且變化受到溢流侵入速率的影響［5］。因此通過分析溢流發生后的立壓、總池體積等工程參數的變化情況，可以得到溢流流體侵入速率。

圖3 為X 井的總池體積和立壓變化曲線，可以看出，在溢流發生后，X 井的總池體積出現上升趨勢，其上升的速率即為溢流流體侵入速率。溢流發生后，通過總池體積增長速率可以確定侵入速率，溢流侵入速率與總池體積的增長速率大致相等，其計算公式為

圖3 X 井總池體積和立壓變化Fig.3 Pit volume and standpipe pressure change of Well X

式中，ΔVpit為泥漿池增量，m3；t為溢流時間，min。

X 井在溢流發生后立壓變化存在2 個階段：(1)溢流初期(階段a)立壓會出現上升趨勢，持續時間在3～5 min；(2)溢流趨于平穩后(階段b)，立壓逐漸降低。

經過分析，階段a 是由于溢流發生后環空流量突然增大，產生了水錘效應，同時環空摩阻上升導致井底壓力升高，時間較短；階段b 是由于溢流流體密度小于鉆井液密度，導致環空內液柱壓力下降。溢流立壓變化階段a 的變化波動較大，需要瞬態模型迭代計算得到，計算結果受初值設置影響較大，難以在現場快速準確計算溢流侵入速率。由于階段b 溢流基本趨于穩定，因此可以通過分析階段b 得到立壓下降與溢流侵入速率的關系。

溢流發生后，環空內液柱可分為污染段與鉆井液段兩部分，污染段長度可以通過溢流侵入速率、施工排量確定［27］。

污染段平均密度可以通過溢流侵入速率、施工排量、鉆井液密度、溢流流體密度確定。

因此，污染段液柱壓力可以通過下式計算。

由于立壓下降是污染段液柱壓力下降導致的，因此溢流侵入速率可以通過下式確定。

式中，h為被溢流流體污染的環空內液柱長度，m；R為井筒外徑，m；r為鉆桿外徑，m；Qp為鉆井施工排量，m3/min。

將X 井通過總池體積變化計算得到的溢流侵入速率，代入式(10)中計算溢流過程立壓變化情況，計算結果如圖4 所示，可以看出，本模型預測的立壓變化速率與實際立壓變化趨勢相同，所以本模型能夠準確描述溢流期間侵入速率與立壓變化之間的關系。

圖4 X 井立壓模擬變化Fig.4 Simulated variation of standpipe pressure in Well X

2.4 氣侵公式中擬壓力函數計算方法

氣體黏度的計算公式［28］為

氣體偏差因子可以采用下列經驗公式進行計算［28］。

式中，M為氣體相對分子質量；T為地層溫度，K。

基于兩組經驗公式可以計算出Zμg的值隨壓力變化的曲線，在確定了Zμg與壓力的關系后，可以采用數值積分的方法確定擬壓力函數的值。

3 地層溢流能量分級方法

通過地層溢流能量分級的方法評價節流循環壓井法的適用性，通過壓回法最大允許套壓評價壓回法的適用性，綜合考慮得到定量的壓井選擇方法。

3.1 地層溢流能量分級

通過壓井模擬計算對溢流井進行節流循環壓井施工模擬，模擬不同溢流侵入量情況下施工壓力的變化［4,29］。模擬井基本信息：井深8 000 m，鉆井液密度為1.4 g/cm3，地層壓力系數為1.65，溢流流體密度為0.2 g/cm3，溢流侵入速率為0.36 m3/min，此時溢流地層能量為100 W/Pa。模擬此時不同侵入量下節流循環壓井的過程，壓井液密度為1.8 g/cm3，壓井施工排量為6 L/s。不同溢流侵入量時節流循環壓井的最大施工壓力如圖5 所示。

圖5 不同溢流侵入量下最大施工立壓和最大施工套壓Fig.5 Maximum standpipe and casing pressure changes under different overflow kick volume

從圖5 可以看出，隨侵入量增加，最大施工立壓和最大施工套壓均呈上升趨勢。而侵入量越大，井筒含氣段長度越長，氣頂越接近井口，節流循環壓井風險越高。

通過壓井模擬計算，建立地層溢流能量與節流循環法壓井施工壓力間的關系，通過現場設備設定的最大允許壓力找到節流循環壓井的臨界地層溢流能量，高于臨界地層溢流能量不推薦采用節流循環法壓井。將地層溢流能量分為兩級，小于臨界地層溢流能量為1 級，推薦采用節流循環法壓井；大于臨界地層溢流能量為2 級，不推薦采用節流循環法。

3.2 壓回法壓井最大套壓計算方法

壓回法的最大允許套壓需考慮現場實際設備情況設定，要同時滿足套管鞋處壓力小于破裂壓力，壓井時最大井口套壓小于井口設備承壓能力以及井筒壓力小于套管抗內壓強度［18］。根據疊加原理，使用霍納法計算得到關井后的井底壓力與時間的關系［30］。

式中，pws為關井的井底恢復壓力，MPa；β為流體的體積系數，m3/m3；k為地層有效滲透率，10?3μm2；μ為流體黏度，mPa·s；?t為關井時間，s；h1為溢流地層厚度，m。

由于關井后液柱壓力恒定，因此繪制套壓和霍納法時間lg[(t+Δt)/Δt]的關系曲線，通過曲線的斜率m可以計算地層有效滲透率。

溢流侵入速率qi可以通過確定溢流量和溢流時間計算，通過溢流發生時井深與關井時井深的差值可以確定溢流地層厚度h1。

一般霍納法曲線在后期會出現上翹的情況，這是因為在關井初期，已經侵入的溢流流體還未達到平衡狀態，會在井筒內繼續運移，導致壓力恢復速度變快，不能正確反映地層性質。因此，本文選擇后期曲線上翹段來計算地層有效滲透率。

開啟壓力可以用流體從井筒進入地層的壓降來表示，其表達式為

壓回法壓井最大套壓可以通過下式進行計算。

以X 井為例，對X 井關井后套壓進行分析。采用霍納法處理時間后，套壓恢復曲線如圖6 所示。對恢復曲線進行回歸擬合，斜率m為1.110 5，該井的溢流侵入速率為0.33 L/s，計算得到的開啟壓力為4.11 MPa。

圖6 X 井霍納法套壓恢復曲線Fig.6 Recovery curve of casing pressure in Well X with Horner method

3.3 壓井方法定量優選方法

本文建立的方法主要用來評價節流循環法與壓回法壓井的適用性，其適用于現場可正常關井、套管下入深、裸眼段較短、鉆具足夠長、可以重新建立循環且可完成節流循環或壓回法作業的溢流情況。

以井底壓差與施工壓力之和為橫軸，評價壓回法的適用性，其臨界值為壓回法最大允許套壓；以地層溢流能量為縱軸，評價節流循環法的適用性，其臨界值為3.1 中確定的臨界地層溢流能量。以模擬井的數據為例，基于該方法繪制壓井方法優選圖版，如圖7 所示。

圖7 壓井方法優選圖版Fig.7 Preferred version of well killing mode

根據溢流井在圖版中所在位置選擇其所適合的壓井方法，壓井方法推薦依據為：(1)地層溢流能量為1 級，且施工壓力小于40 MPa，推薦節流循環法壓井，使用壓回法也可以成功；(2)地層溢流能量為1 級，且施工壓力大于40 MPa，無法使用壓回法，推薦節流循環法壓井；(3)地層溢流能量為2 級，且施工壓力小于40 MPa，能量較大，使用節流循環風險大，推薦使用壓回法；(4)地層溢流能量為2 級，且施工壓力大于40 MPa，無法使用壓回法，只能使用節流循環法，但風險較大，推薦使用邊循環邊加重法。

4 現場應用

選取塔中地區16 口溢流井及模擬井為例，計算其地層溢流能量，并根據壓井方法優選圖版推薦對應的壓井方法，與現場已完成的壓井方案對比，準確率達到93.75%。僅有一口井由于其地層溢流能量為2 級，且壓回法施工壓力大于壓回法最大允許套壓，風險較大，采用本文推薦的節流循環法壓井導致鉆具斷裂、壓井失敗。

以塔中地區M 井和N 井為例，計算其地層溢流能量并用本文提出的方法優選壓井方法。M 井井深7 307.62 m，關井立壓為22.8 MPa，套壓為23.14 MPa，溢流量為1.92 m3，鉆井液密度為1.52 g/cm3。M 井的井身結構如表1 所示，立壓及總池體積變化曲線如圖8 所示。

表1 M 井井身結構Table 1 Borehole structure of Well M

圖8 M 井工程參數變化曲線Fig.8 Change curve for parameters of Well M

通過上文建立的地層溢流能量計算模型，對M 井溢流數據進行計算，其溢流流體密度為0.22 g/cm3，判別為氣體，地層溢流能量為7.921 933 W/Pa，壓回法最大套壓為38.25 MPa。

根據M 井井口設備承壓能力，壓回法最大允許套壓設定為45 MPa。將M 井數據繪制到壓井方法優選圖版中，如圖9 所示。基于本文提出的壓井方法優選方法，推薦使用節流循環法對M 井進行壓井，實際現場鉆井隊選擇使用節流循環法壓井成功，避免了溢流的危害。

圖9 塔中地區壓井優選圖版應用示例Fig.9 Preferred version of well killing mode in middle Tarim region (case)

N 井井深7 874.01 m，關井套壓40 MPa，關井立壓24.5 MPa，該井使用密度1.50 g/cm3的鉆井液，溢流流體密度0.29 g/cm3，判別為氣體。根據N 井溢流情況以及設備承壓能力，計算N 井地層溢流能量能級為2 級。將N 井數據繪制到壓井優選圖版中，壓回法施工壓力大于最大允許套壓，因此只能采用節流循環法壓井。現場實際鉆井隊首先采用壓回法壓井失敗，然后改用節流循環壓井成功。

5 結論

(1)提出了一種定量的壓井方法優選方法，基于地層溢流能量以及壓回法最大允許套壓，繪制壓井優選圖版，并根據優選準則，推薦合適的壓井方法。該方法適用性廣，經現場檢驗，準確率達到93.75%，高于經驗法，對現場溢流后選擇合適的壓井方法具有指導意義。

(2)建立了一種溢流流體密度計算修正方法，因考慮溫度壓力以及兩相流模型對流體密度的影響，其計算精度高于傳統方法，可以為后續優選壓井方法提供基礎參數。

(3)在后續的研究中可以考慮將更多的影響因素定量化，如套管強度、酸性氣體、鉆井液腐蝕性等，建立更完善的壓井方法定量選擇方法。