欠平衡壓力鉆井井底壓力控制方法

欠平衡壓力鉆井井底壓力控制方法

一、欠平衡壓力鉆井井底壓力控制是成功注水過程的關鍵。如果井底壓力控制不充分，將導致過度加壓、油氣層污染、井壓、井漏等坍塌事故。所以,施工時如何保證井底負壓值在設計范圍之內是施工者普遍關心的問題。盡管現(xiàn)在已有隨鉆測井系統(tǒng)以提供井底壓力的實時數(shù)據(jù),但由于費用昂貴,它在欠平衡壓力鉆井施工中的應用范圍很小。而Mauer軟件是欠平衡壓力鉆井的主流設計軟件,它在鉆井設計階段具有很好的使用價值,在現(xiàn)場施工中由于所需計算參數(shù)的搜集具有一定的滯后性(與遲到時間有關),所以其現(xiàn)場應用有一定的局限性。在井底壓力有發(fā)生變化的預兆時能進行及時地調整和控制是避免井底負壓值發(fā)生大的波動的關鍵。為此,作者在分析負壓值與其它鉆井參數(shù)關系的基礎上,建立了數(shù)學模型,并根據(jù)其互動關系,制定一套便于操作的井底壓力控制方法。二、排除因素影響現(xiàn)場施工時可能造成井底壓力波動的因素有:①隨鉆氣、液產(chǎn)量;②鉆井液性能;③鉆井泵排量;④節(jié)流閥開度。由于地面上對返出鉆井液中的油氣進行了充分地分離,因此,因素②引起井底壓力發(fā)生變化的可能性不大,除非人為地對鉆井液性能進行了調整。因此,可以排除該因素對井底壓力波動的影響。在井底壓力發(fā)生變化前節(jié)流閥開度一般保持不變,為了控制井底壓力一般都采用調節(jié)節(jié)流閥開度的方法,所以,因素④不是引起井底壓力波動的初始原因。由于中國石化新星公司所屬在塔北施工的鉆井隊的鉆井泵大都使用渦輪變矩器驅動,泵排量經(jīng)常發(fā)生變化。因此,因素①、③是引起井底壓力波動的關鍵因素,它們對井底壓力或井底負壓值的影響都將反應在泵壓、套壓等鉆井參數(shù)的變化上。三、數(shù)學模型的構建1.出口壓力pf根據(jù)環(huán)空動力平衡的條件建立如下等式:PW+PHY+PKJ=PD-PF=PL(1)式中PW——井口壓力;PHY——環(huán)空氣、液柱壓力;PKJ——環(huán)空循環(huán)壓降;PD——地層壓力;PF——負壓值;PL——井底壓力;PB——泵壓;PZJ——鉆具內循環(huán)壓降;PM——噴嘴壓降;PZ——鉆具內液柱壓力。根據(jù)水力學關系,PB=PZJ+PKJ+PM+PW+PH-PZ,則PW+PH+PKJ=PB+PZ-PM-PZJ(2)將式(1)代入式(2),得PF=PD+PM+PZJ-PB-PZ(3)2.井底負壓值、泵壓值的計算根據(jù)各液動壓力之間的關系,當排量、鉆井液入口性能不變,而隨鉆產(chǎn)油氣量變化或氣體滑脫上升時,PM、PZJ、PZ、PD為常量,設K=PD+PM+PZJ-PZ,顯然,K亦為常數(shù)。則式(3)可寫為PF=K-PB(4)由式(4)可見,當排量不變時,如果泵壓下降,則井底負壓值按同值增加;反之如果泵壓上升,則井底負壓值按同值減少。因此,當隨鉆產(chǎn)油氣量變化或氣體滑脫上升時,靠調節(jié)節(jié)流閥使泵壓保持不變即可保持井底負壓值不變。3.入口負壓值+k根據(jù)水力學有關計算公式(層流狀態(tài)),當隨鉆產(chǎn)油氣量不變時,有PKJ=0.62LηQ/[(D-d)2(D2-d2)]+0.6122×10-4Lτ/(D-d)(5)設a=0.62Lη/[(D-d)2(D2-d2)],b=0.6122×10-4Lτ/(D-d),則PKJ=aQ+b(6)將式(6)代入式(1)得PF=PD-PHY-(PW+aQ+b)(7)式中η——鉆井液塑性粘度;D——環(huán)空直徑;d——鉆桿外徑;Q——排量;L——井深;τ——鉆井液動切力。當隨鉆產(chǎn)油氣量不變(同時入口鉆井液性能不變)而排量Q變化時,PHY、PD為常量,設K′=PD-PHY,顯然,K′為常數(shù),則PF=K′-(PW+aQ+b)(8)由式(8)可見,當隨鉆產(chǎn)油氣量及入口鉆井液性能不變時,如果排量下降,則井底負壓值按井口壓力下降值與排量下降值的正比值的和同值增加,反之亦然。由于a對于某一井是常量(如L=5000m、η=13mPa·s、D=15.0cm、d=8.9cm時a=0.074),因此,當隨鉆產(chǎn)油氣量不變而排量變化時,靠調節(jié)節(jié)流閥開度使井口壓力增加(排量下降時)、減小(排量上升時)a(Q2-Q1),即可保持井底負壓值不變。四、收集用戶數(shù)據(jù),制定操作措施為了正確地調節(jié)節(jié)流閥開度以使井底負壓值穩(wěn)定在設計的范圍之內,必須及時收集有關數(shù)據(jù)(立壓,套壓,產(chǎn)油量,產(chǎn)氣量,泵沖,鉆井液密度及粘度),并制定有關的操作措施。1.循環(huán)周期控制關小節(jié)流閥,使泵壓增加(增加值為需減少的負壓值)。由于需要循環(huán)一周才能將井眼內較多的油氣循環(huán)出來,所以,控制的效果只有在一個循環(huán)周后才能顯現(xiàn)出來,在此期間絕不能因為隨鉆產(chǎn)油氣量沒有減少而繼續(xù)增加回壓,以免造成過壓鉆進或井漏。2.注意泵壓的變化這種現(xiàn)象一般發(fā)生在初次鉆遇油氣層或鉆遇較大的油氣層時,因為,油氣柱在環(huán)空上升、膨脹而造成液柱壓力下降。在該情況下,應調節(jié)節(jié)流閥使泵壓回升到原來的數(shù)值以控制井底壓力不變。在泵壓明顯下降時,除非隨鉆有氣體產(chǎn)出,否則井口及點火管線處沒有油氣增多的跡象,較大的油氣只有在一個循環(huán)周后才能顯現(xiàn)出來。因此,應隨時注意泵壓的變化,當泵壓變小時,及時調節(jié)節(jié)流閥使泵壓迅速回升,以免隨鉆產(chǎn)油氣量急增造成后期井底壓力控制困難。在隨鉆有氣體產(chǎn)出時,隨著泵壓的下降井口壓力反而會增加,這會造成應該減小回壓的假象。正確的做法是增加回壓使泵壓回升。3.井底壓力控制方案判斷隨鉆產(chǎn)油氣量不變而泵排量變化的簡單方法是泵壓、套壓及泵沖同時變大或變小,最好的解決辦法是使泵沖恢復到原來的數(shù)值。如果井隊由于設備問題泵沖無法恢復,應調節(jié)節(jié)流閥使井底壓力保持不變。當排量增加時,調節(jié)節(jié)流閥使套壓降到原泵沖時的套壓值后,繼續(xù)調節(jié)節(jié)流閥再使套壓下降a(Q2-Q1)。當排量減少時,調節(jié)節(jié)流閥使套壓上升到原泵沖時的套壓值后,繼續(xù)調節(jié)節(jié)流閥再使套壓上升a(Q2-Q1)。上述三種情況的井底壓力控制方案中,都假定入口鉆井液性能保持不變。由于在塔北地區(qū)欠平衡壓力鉆井過程中多采用PAC141+清水鉆進,鉆井液性能維護簡單,影響鉆井液性能的較大因素是油氣分離效果。因此,在實鉆過程中,應充分分離油氣,以保持鉆井液性能基本穩(wěn)定,為井底壓力的正確控制提供保證。五、旋轉頭負壓過大時S73井是位于艾協(xié)克北5號構造高點上的一口探井,四開井段采用欠平衡壓力鉆井。該井設計井深5587m,目的層屬碳酸鹽巖儲層,地層壓力當量密度1.09kg/l。四開設計鉆井液密度1.05kg/l,井底動負壓值0.5MPa,接單根時負壓值2.2MPa。該井四開鉆進時鉆井液密度1.04kg/l,泵沖50,泵壓10MPa,全開節(jié)流閥,計算井底負壓值0.8~1.0MPa。鉆至井深5275m時溢流約10m3,然后小排量