油氣層中井控安全起鉆條件探討
——以川中東探區為例

孫曉波

(中國石化勝利石油工程有限公司西南分公司,四川德陽 618000)

對于油氣層中安全起下鉆應具備的條件,國內油氣井施工現場大多以油氣上竄速度是否滿足要求作為判斷依據。不同領域的學者對油氣在鉆井液中沿井筒上升過程中的運動規律進行了研究[1-4],油氣在鉆井液中的受力狀態及其產生的運動規律并非簡單的勻速運動,而現有油氣上竄速度計算公式還不能對油氣上竄的實際情況進行描述。國外各大公司的相關井控標準中很少提及油氣上竄速度,國內各級井控標準中對油氣上竄速度具體達到什么數值才能滿足起下鉆條件的要求也不統一;油氣井施工現場一般采取較為保守的遲到時間法計算油氣上竄速度,根據油氣上竄速度的具體數值確定是否滿足起鉆條件。

1 井控標準中對油氣上竄速度的要求

起鉆前井筒條件安全是起鉆過程中不發生井控事件的基礎條件,因此起鉆前必須首先確認井內壓力系統已處于穩定狀態,正如有學者所說“任何起鉆作業在鉆頭離開井底前,必須做好井控工作。起鉆作業常使井控問題突然出現,正如經常發生的情況,由于在檢測出問題時才進行井控工作,井眼情況已惡化,井控問題越來越復雜[5]。目前,起鉆前確認井筒條件是否安全的工藝方法,國內外沒有統一的標準,有必要對安全起鉆條件進行進一步探討。

1.1 國內相關井控標準要求

短起下鉆、測量油氣上竄速度是否滿足起鉆條件,已作為國內現場油氣層施工過程中保證井控安全的一項必不可少的程序,在鉆井作業現場得到了廣泛的應用。國內不同地區的井控風險差異較大,國家標準、行業標準及企業標準中,都未對油氣上竄速度的具體數值做出明確規定,各施工區域制定的實施細則對油氣上竄速度基本都提出了相關要求,但對油氣上竄速度的計算方法及達到哪個數值能夠滿足安全起下鉆的條件等仍不統一。

1.1.1 國家標準及行業標準

國家標準中要求短程起下鉆后再下入井底循環觀察,油氣上竄速度滿足安全作業時間,方可進行下步作業[6],該標準中并未對短程起下鉆的具體做法及油氣上竄速度的具體數值做出明確規定,但要求油氣上竄速度滿足安全作業時間。

石油天然氣行業標準中要求在鉆開含硫化氫油氣層后,起鉆前應先進行短程起下鉆。短程起下鉆后的循環鉆井液觀察時間應達到一周半以上,進出口鉆井液密度差不超過0.02 g/cm3;短程起下鉆應測油氣上竄速度,滿足安全起下鉆作業要求[7]。該標準對短程起下鉆的具體工藝措施做了較為詳細的規定,對鉆井液密度差做了較為明確的規定,未提及油氣上竄速度的具體要求。

1.1.2 企業標準

中國石油天然氣集團公司企業標準中要求短程起下鉆的基本做法如下:①一般情況下試起10柱～15柱鉆具或起至套管鞋,再下入井底循環觀察一個循環周,若鉆井液無油氣侵或油氣上竄速度滿足安全作業時間,則可正式起鉆,否則,應循環排除受侵污鉆井液并適當調整鉆井液密度至短程起下鉆正常后再起鉆;②特殊情況時(需長時間停止循環或井下復雜時),將鉆具起至套管鞋內或安全井段,停泵觀察一個起下鉆周期或停泵所需的等值時間,再下入井底循環觀察一個循環周,若鉆井液無油氣侵或油氣上竄速度滿足安全作業時間,則可正式起鉆,否則,應調整處理鉆井液[8]。該標準對短程起下鉆的具體做法做了詳細規定,對有無油氣侵做了較為明確的規定,未對油氣上竄速度的具體數值做明確規定,但要求油氣上竄速度滿足安全作業時間。

中國石化井控管理規定中要求進行低泵沖試驗。起鉆前應測油氣上竄速度,確保油氣上竄速度滿足標準;下鉆完畢應測油氣后效,高壓氣層排完后效再正常鉆進[9]。該標準對進入油氣層主要井控措施進行了全面的總結,未對相關具體數值做明確規定,但要求油氣上竄速度滿足標準。

中國海洋石油總公司企業標準中規定短程起下鉆的基本做法是循環至少兩周,氣測全量值小于10%且處于下降的趨勢,溢流檢查后,若無溢流,則可起鉆;否則,應循環排除受侵鉆井液內氣體,并適當調整鉆井液密度后再起鉆[10]。該標準對氣測全烴值的具體數值做了明確的規定,并提出了國外普遍使用的溢流檢查的概念。

1.1.3 各區域井控細則

各區域的井控細則較多,對油氣上竄速度的具體算法以及能夠安全起鉆的油氣上竄速度達到的具體數值等的規定不完全統一。有的地區明確規定了油氣上竄速度,使用遲到時間法計算;有的地區將安全作業時間明確為起下一趟鉆需要的時間(h)+10 h小于油氣上竄到井口的時間(h),在一趟起下鉆時間內油氣上竄距井口1 000 m以下或者油氣上竄速度按作業周期內控制不超過儲層頂部井深1/3～1/2(即控制時間的安全系數為2～3);有的地區將油氣上竄速度的數值限定為不超過10 m/h或小于30 m/h;有的地區針對不同井型、不同井深、不同層位,將短程起下鉆的具體做法及油氣上竄速度的具體數值進行了更細致地劃分。

1.2 國外相關井控標準要求

國外各大公司相關的井控操作指南(Well Control Mannual)對油氣上竄速度并無特殊要求,在其規定的起鉆程序(Tripping Procedures)中,大都提及溢流檢查(flowcheck)的概念,并對溢流檢查的施工節點、溢流檢查的時間長短等做出了明確的規定。

2 油氣上竄速度計算數值的探討

油氣上竄速度傳統的計算方法主要有遲到時間法、容積法、相對時間法等,不同計算方法得出的油氣上竄速度會有一定的差異,同一種計算方法因現場操作人員取值的差異,得出的油氣上竄速度的數值也會有一定的差異。本文以現場應用最多的遲到時間法為例[11],現場使用的油氣上竄速度計算的數值,主要作為下步施工的參考依據,但油氣在井筒內的實際運移規律與計算的數值并不相符。

2.1 油氣上竄速度計算方法的探討

目前,國內現場普遍使用的計算油氣上竄速度的方法為遲到時間法,其具體計算公式如下:

(1)

式中:v為油氣上竄速度,m/h;Hy為油氣層頂部深度,m;Hzt為循環鉆井液時鉆頭所在深度,m;tc為鉆頭所在深度遲到時間,h;t為從開泵循環到見到油氣顯示的時間,h;tj為從停泵起鉆至本次開泵的總靜止時間,h。

2.1.1 參數取值

對于同一口井,該計算方法會因參數取值差產生誤差。計算公式的右邊涉及5個參數,其中油氣層頂部深度Hy、循環鉆井液時鉆頭所在深度Hzt為定值;從開泵循環到見到油氣顯示的時間t,基本已達成共識,取全烴曲線第一個明顯的拐點;鉆頭所在深度遲到時間tc,按照相關標準每隔50～100 m現場需用指示物或電石實測(遲到時間=實測的循環周-指示物在管柱內的下行時間),該數值受泵的上水效率、鉆具在井內的運動狀態等影響較大且該數值并非連續測量而是階段性測量,現場計算中可能造成不同的取值;從停泵起鉆至本次開泵的總靜止時間tj,因多數情況下現場需緩慢開泵至正常排量,取值上可能產生差異。

2.1.2 誤差

對于不同的井,計算方法產生的誤差不同。在實際應用中,計算方法會因井身結構、鉆具結構、井下情況(鉆柱底部下過油氣上竄界面的深度不同會導致因鉆具排替導致油氣上竄界面上升不同的高度)等的變化產生不同的誤差,也就是說該計算方法在不同的情況下計算精度會有較大差異,由于相關標準中未對具體問題做出相應的說明,因此現場計算的精度不會更高,最終導致現場有可能用不準確的數據指導下步施工。

2.2 油氣上竄規律的探討

實際開井條件下,在氣體上竄過程中,根據玻意耳定律,由于壓力降低,氣體的體積將迅速膨脹,氣液兩相流態可能發生變化,造成氣體并非勻速上竄,因此計算的油氣上竄速度與氣體實際上竄速度會有差異。井下鉆井液流變參數存在差異性,井下環境的多樣性,要想精確計算出井筒內侵入流體的運移速度并非易事。

3 安全起鉆條件探討及現場應用

3.1 安全起鉆條件的程序探討

鉆井施工過程中,地層流體主要以巖屑氣侵、重力置換氣侵、濃度擴散氣侵、壓差氣侵、抽汲氣侵等5種方式進入井筒,但無論是哪種方式,只要有足夠多的地層流體進入井筒,能夠引起負壓差,井筒壓力系統就會處于不穩定的狀態。也就是說,對于同一個井筒,在其他各項條件不變的情況下,能夠引起井筒不穩定狀態的首先是進入井筒的地層流體的量,地層流體進入井筒的方式則在一定程度上決定了處理氣侵的方式(是否需要進行節流循環加重鉆井液或只進行循環排氣),該種流體在井筒內的上竄速度在一定程度上能夠決定安全作業時間[12],但為減緩油氣上竄而采取其他工藝措施的情況除外[13]。本文認為逐項做好以下5個步驟,可準確判斷是否滿足安全起鉆條件。

1)認真執行短程起下鉆措施。短程起下鉆前應對重點鉆機提升系統等認真做好檢查保養,起下鉆期間尤其是鉆具下深較淺的情況下,盡量不進行檢修作業。參考國內外相關標準,短程起下鉆的柱數控制為10～15柱的同時,短程起下鉆的時間控制應不少于4 h。若短程起下鉆井段太長或時間太久,則存在較大的井控風險;若短程起下鉆井段或時間不夠,則不能反映起下鉆工況下井底壓力與地層壓力之間的真實狀況。

2)觀察記錄氣測錄井的全烴峰值。全烴峰值可較直觀地判斷在一定時間內地層流體進入井筒的量。參考國內外相關標準,鉆進過程中的起下鉆作業全烴峰值上限可規定為10%,中完作業期間或其他需井底長時間靜止的作業全烴峰值上限可規定為5%(如果其他起鉆條件都滿足,根據施工情況,全烴峰值在10%或5%及以下,可不將油氣上竄速度作為起鉆的參考值)。

3)分析氣測錄井的全烴值曲線變化情況。通過全烴曲線變化情況可判斷地層流體進入井筒的方式,如果是因為壓差氣侵引起的全烴值升高,井底存在負壓差,地層內流體將持續不斷地進入井內,往往會出現全烴值持續不降或下降緩慢的現象;如果是其他原因氣侵引起的全烴值升高,全烴曲線往往會達到峰值后,短時間內回歸至基值。

4)綜合運用溢流檢查手段。溢流檢查可排除循環過程中停泥漿泵后鉆井液慣性外溢的干擾,更直觀準確地發現溢流。參考國內外相關標準,溢流檢查的時機應為短程起下鉆排完后效以后,打重漿壓水眼之前,溢流檢查的時間應不少于15 min。期間,鉆具以10 r/min的轉速轉動,確保井口無外溢,方可打重漿壓水眼,起鉆。起鉆進技術套管,起鉆至普通鉆桿最后1柱,均要停止起鉆,觀察10～15 min,確認無異常才能繼續起鉆。

5)參考油氣上竄速度的計算值。在執行國內外相關標準的同時,綜合運用好以上4個程序,即可準確判斷是否滿足安全起鉆條件。

3.2 安全起鉆條件的現場應用

YB103-1H井為川東北探區1口三高開發井,該井三開施工期間,根據油氣上竄速度計算的安全作業時間,不能滿足安全起下鉆要求(表1)。該井起鉆前,將鉆具起至技術套管內等安全作業時間,再將鉆具下入井底循環排后效的方式,驗證了有足夠的安全起下鉆時間。隨后按照上述安全起鉆的程序逐項驗證,起下鉆過程中未見異常。

表1 YB103-1H井后效顯示情況

4 結論

1)現行井控標準對油氣層中能夠井控安全起鉆的油氣上竄速度的規定不統一,現有油氣上竄速度計算公式所得數值不能客觀反映井下油氣上竄的真實情況。僅依據油氣上竄速度超標就不起鉆,甚至盲目提高鉆井液密度,存在一定的片面性,甚至會造成不應發生的井下復雜情況。

2)在油氣層中進行起鉆作業前,應嚴格執行短程起下鉆技術措施,并充分利用短程起下鉆獲得的全烴峰值及全烴值曲線變化趨勢等相關數據,通過溢流檢查手段,綜合、客觀地判斷是否滿足起鉆條件,油氣上竄速度的計算值可作為參考數據,但不能以其數值判斷起鉆是否安全。

3)做好現場井控工作需技術與管理并進,安全起鉆條件的判斷還應充分考慮油氣藏類型、地區經驗及隊伍水平等。

4)當井眼出現鉆井液性能、沉沙問題的井下阻卡、噴漏同存等復雜情況時,在起鉆前還應充分考慮相應復雜情況可能造成的井控風險。