梅大成 鄭巧 何志敏 張振峰

西南石油大學(xué)

油氣井鉆井過程中井噴預(yù)測機理研究

梅大成 鄭巧 何志敏 張振峰

西南石油大學(xué)

在油氣井鉆井作業(yè)過程中,井噴前會有各種預(yù)兆如:①鉆井液返出量增加;②鉆井液池中鉆井液體積增加;③停泵后鉆井液外溢;④循環(huán)系統(tǒng)壓力上升或下降;⑤鉆井時懸重增加或減少;⑥返出的鉆井液中有油花氣泡等。上述預(yù)兆對預(yù)防井噴起著至關(guān)重要的作用。為此,在分析井噴原因及井噴預(yù)測機理的基礎(chǔ)上,利用鉆壓、大鉤負荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、返出流量、泵壓、鉆井液密度、硫化氫濃度等,建立了井噴預(yù)測數(shù)學(xué)模型,提出了井噴事故發(fā)生的危險指數(shù),通過對該指數(shù)的計算和分析,便可預(yù)測井噴事故發(fā)生的可能性。實例驗證結(jié)果表明,該井噴預(yù)測模型能為防止井噴的發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。

氣井 鉆井 溢流 井涌 井噴 井噴預(yù)測 機理

0 引言

鉆井過程中發(fā)生溢流和井涌是井噴的先兆。溢流的嚴重程度主要取決于地層的孔隙度、滲透率和負壓差值的大小。地層孔隙度、滲透率越高,負壓差值越大,則溢流就越嚴重。由于溢流的發(fā)生,使環(huán)空液柱壓力越來越低,勢必導(dǎo)致井涌甚至井噴。據(jù)統(tǒng)計,在鉆井過程中溢流發(fā)生的幾率占45%,在起下鉆過程溢流發(fā)生的幾率占55%。

1 井噴原因分析

井噴發(fā)生的原因很多,其最根本的原因是井內(nèi)壓力失去平衡、井內(nèi)壓力小于地層壓力。

1.1 鉆井過程

1)地層壓力掌握不準,設(shè)計的鉆井液密度過低。沒有準確的地層壓力資料,地層壓力也沒有進行及時檢測,設(shè)計的鉆井液密度低于地層壓力的當(dāng)量密度,這是在新探區(qū)經(jīng)常碰到的事。即使已經(jīng)開發(fā)的老油氣田,由于注水開發(fā),地下的壓力系統(tǒng),已不是原來的壓力系統(tǒng),有的開發(fā)層地層壓力已經(jīng)降到靜水柱壓力以下,但有的地層或個別區(qū)域由于注入水能量集中,形成了異常高壓。

2)鉆井液密度低。這是因為:①突然鉆遇到高壓層,地層壓力高于鉆井液靜液柱壓力條件下發(fā)生的,特別是為了獲得高的機械鉆速、降低鉆井成本和保護油氣層而是用較低的鉆井液密度;②鉆開油、氣、水層后,地層內(nèi)流體侵入井內(nèi),造成鉆井液密度下降,如果循環(huán)至地面未能及時清除,被污染的鉆井液又被注入井內(nèi),將加劇油氣侵,使密度進一步降低。

3)鉆井液漏失,液柱高度降低。①鉆遇溶洞、裂縫性地層,發(fā)生大量漏失,使液面降低;②鉆井液液柱壓力超過某些地層的破裂壓力,發(fā)生漏失,使液面降低。液面降低之后,液柱壓力也就自然降低。

1.2 起下鉆過程

1)起鉆時井內(nèi)未灌滿鉆井液。起鉆過程中,由于起出鉆柱,如果沒有即時灌入鉆井液或灌入量不足,使液面降低,這將減小靜液柱壓力。一旦鉆井液靜液柱壓力低于地層壓力,溢流就可能發(fā)生。

2)過大的抽汲壓力。在起鉆過程中,由于鉆具在井內(nèi)的向上運動,將引起井內(nèi)液壓降低,所降低的壓力叫抽汲壓力。抽汲壓力和鉆井液性能、環(huán)空大小、鉆具結(jié)構(gòu)、起鉆速度有直接關(guān)系,許多井噴均發(fā)生在起鉆過程,就是抽汲壓力起到了促噴的作用。在不同工況下井底壓力變化見圖1。

圖1 不同工況下的壓力變化圖

2 井噴前兆

地層孔隙壓力大于鉆井液靜液柱壓力并引起流體從地層中流入井眼產(chǎn)生井涌。地層流體的這種流動如果能成功地加以控制,井涌就可以控制。井噴是井涌不能控制的結(jié)果。井涌的出現(xiàn)可以在地面上看到一些預(yù)兆。盡管所有的預(yù)兆不一定都發(fā)生井涌,但它們至少預(yù)示著有一種潛在的井涌存在。

1)鉆井液返出量增加(主要征兆)。當(dāng)泵入量一定時,返出量增加,這是井涌的最早征兆。返出量與注入量之差值就是地層流體的侵入量。

2)鉆井液池中鉆井液體積增加(主要征兆)。若在地面上未向鉆井液中加入處理劑或其他原因(鉆井液罐中的鉆井液放入鉆井液池)除外而改變鉆井液體積,這時鉆井液池中液面升高,鉆井液體積增加就意味著有井涌的發(fā)生。

3)停泵后鉆井液外溢(主要征兆)。在泵停止工作后,鉆井液不斷從井口外溢,表明井涌正在進行。

4)循環(huán)系統(tǒng)壓力上升或下降。若地層壓力高于井底壓力,打開高壓層時,泵壓會上升。但由于油、氣、水的侵入,環(huán)空液柱壓力下降,又可使循環(huán)系統(tǒng)泵壓下降。

5)起鉆時灌不進鉆井液或灌入量少于起出的鉆具體積(主要征兆)。

6)鉆井時懸重增加或減少。當(dāng)鉆開高壓氣層時,井底壓力增加,懸重要下降。鉆井液油氣侵后,密度降低,懸重又會增加。若鉆遇高壓鹽水層,鹽水密度大于井內(nèi)鉆井液密度時,則懸重下降,鹽水密度小于井內(nèi)鉆井液密度時則懸重增加。這些現(xiàn)象都是即將發(fā)生強烈井噴的前兆。

7)鉆井時放空或鉆入低壓層,會發(fā)生井漏,當(dāng)液面下降到一定程度時,同層或其他層的井底壓力小于地層壓力時,就轉(zhuǎn)漏為噴。

8)鉆井液密度降低。出口鉆井液密度下降有時表示正發(fā)生井涌,鉆井液密度減小的某些原因是:①巖屑體積減小;②有地層流體侵入,尤其是氣體;③充氣鉆井液從鉆井液池循環(huán)入井。巖屑中含氣只在接近地面時由于氣體膨脹,才能使鉆井液密度下降,它不會使全井鉆井液密度下降。

9)返出的鉆井液中有油花氣泡,這是進入油氣層的直接標志(主要征兆)。

根據(jù)上述溢流和井涌預(yù)兆就可以預(yù)測井噴。

3 井噴預(yù)測機理

根據(jù)以上分析[1-3],以下鉆井工程參數(shù)與井噴預(yù)測密切相關(guān)。這些信號包括:鉆壓、大鉤負荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、返出流量、泵壓、鉆井液密度、鉆井液池液位和體積,硫化氫濃度等。

根據(jù)專家經(jīng)驗和綜合分析,決定關(guān)鍵參量[4-7]的變化,作為主要依據(jù)來判斷外溢、井涌、井噴。采集的主要關(guān)鍵參量為鉆井液總池體積、出、入口流量和立管壓力。當(dāng)井涌(溢、噴)時,鉆井液池體積、出口流量增大,立管壓力先略增后降,入口流量則先降后升,井涌(溢、噴)可能具有間歇性。

利用計算機實時監(jiān)測這些鉆井工程關(guān)鍵參數(shù),既要監(jiān)督各參數(shù)的變化,更要判別出他們的變化趨勢。抓住異常情況的主要特征參數(shù),然后經(jīng)過查詢、比較、計算、歸納而迅速做出報警提示。在此思想指導(dǎo)下,完成了計算機監(jiān)控系統(tǒng)和智能決策軟件的設(shè)計。

4 井噴預(yù)測數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)參數(shù)對各種鉆井工程異常事故的響應(yīng)可歸類為趨勢變化型、幅度變化型和突變型。趨勢變化型采用平均值法來求參比值,幅度變化型采用均方根法來求參比值,突變型采用前單點值法求參比值。

4.1 危險指數(shù)的計算

首先根據(jù)各鉆井工程異常事故確定各相關(guān)參數(shù),用向量表示:

設(shè):x=(x1,x2,…,xm)表示趨勢變化型參數(shù)各值;

y=(y1,y2,…,ym)表示幅度變化型參數(shù)各值;

a=(a1,a2,…,am)表示趨勢變化型參數(shù)報警門限;

b=(b1,b2,…,bm)表示幅度變化型參數(shù)報警門限值;

λ=(λ1,λ2,…,λm)表示趨勢變化型參數(shù)加權(quán)值;

ζ=(ζ1,ζ2,…,ζm)表示幅度變化型參數(shù)加權(quán)值。報警門限值是根據(jù)大量的實際井控資料歸納計算出來的,并可根據(jù)現(xiàn)場實際情況加以調(diào)整,加權(quán)值是根據(jù)各相關(guān)參數(shù)所對應(yīng)的權(quán)重確定的。

其中:

4.2 異常報警原則

鉆井工程異常事故的危險指數(shù)為:當(dāng)危險指數(shù)ρ(i)>1時,系統(tǒng)發(fā)出該鉆井工程異常事故報警信息,如果同時有兩個或兩個以上的ρ(i)>1,根據(jù)最相似原則,取為最大值的一個鉆井工程異常事故項產(chǎn)生報警信息。

5 實例驗證

5.1 實例數(shù)據(jù)(見表1)

表1 W井井涌事故實例數(shù)據(jù)表

5.2 結(jié)果分析

根據(jù)式(1),計算井噴危險系數(shù)。由參數(shù)的響應(yīng)類型可知三類參數(shù)均為趨勢變化型參數(shù)。由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可得到 X=(152.11,49.6,14.6),為趨勢變化型參數(shù),A =(1,5,0.5)為趨勢變化型參數(shù)報警門限。根據(jù)各相關(guān)參數(shù)所對應(yīng)的權(quán)重確定λ=(0.4,0.4,0.2)。報警門限值是根據(jù)大量的實際井控資料和中國石油天然氣集團總公司井控規(guī)范歸納計算出來的,權(quán)重根據(jù)專家經(jīng)驗與相關(guān)資料的優(yōu)先來定。其中=151.32;= 33.78;=15.3,由此代入趨勢變化型計算公式,可得到當(dāng)前危險指數(shù)為1.301 6,達到危險等級。同時與常規(guī)判斷得到的結(jié)果進行對比,結(jié)果表明:系統(tǒng)對井噴事故判斷正確。

6 結(jié)論與認識

1)鉆井過程中發(fā)生溢流、井涌,其井噴卻是非常嚴重的事故。井噴發(fā)生的根本原因在于井筒內(nèi)壓力失去平衡,井筒內(nèi)液柱壓力和井口壓力小于地層壓力,就會發(fā)生溢流或井涌,若此時控制措施不當(dāng),便會發(fā)生井噴。

2)鉆井的溢流和井涌是井噴的先兆。井噴前兆除了溢流和井涌外,還有一些其他征兆,如泵壓變化,鉆具重量變化,鉆井液密度變化,油氣水侵入引起的錄井參數(shù)變化等,外溢量、鉆井液體積變化和其他變化等。

3)研究發(fā)現(xiàn),鉆井工程參數(shù)與井噴密切相關(guān)。通過監(jiān)測這些工程參數(shù)的變化,即可發(fā)現(xiàn)井噴發(fā)生的可能性。根據(jù)這一機理,建立了井噴預(yù)測數(shù)學(xué)模型。通過對工程參數(shù)危險指數(shù)的計算和分析,即可判斷井噴事故是否發(fā)生。通過實例驗證了此計算和井噴預(yù)測模型是正確可靠的。

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A study of blowout prediction mechan ism during drilling in oil and gas wells

M ei Dacheng,Zhen Qiao,He Zhim in,Zhang Zhenfeng
(Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.68-70,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

During the drilling p rocess,these phenomena usually appear just befo re blowout breaks out,such as the amount of backflow increased,the volume of drilling fluid in the pit increased,drilling fluid overflow n after pump off,the circulating p ressure increased o r dropped,suspension weight increased or decreased,oil and/o r gas to be observed in the backflow drilling fluid.These phenomena p lay a vital role in p reventing blowout.Herein analysis ismade on the causes and p rediction mechanism of well blowout, based on w hich a mathematicalmodel fo r blowout forecast is established,parameters like WOB,hook load,rotary RPM,backflow volume,pump p ressure,drilling fluid density and H2S content are included w ithin.The risk indexes of blowout are then p roposed. The possibility of a blowout can be p redicted by calculating and analyzing the risk indexes.And finally the new ly established model is p roved to be able to p rovide scientific evidence fo r blowout p revention through many case studies.

gas well,drilling,overflow,well kick,blowout,blowout p rediction,mechanism

四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目“井噴預(yù)測及智能控制研究”(編號:2008JY0114-1)的部分研究成果。

梅大成,1965年生,副教授,碩士;1993年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院油氣田開發(fā)專業(yè);現(xiàn)任石油工程計算機模擬技術(shù)四川省高校重點實驗室主任,主要從事計算機實時監(jiān)測與控制、石油工程模擬與仿真技術(shù)的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)。電話:(028)83032974,13980965636。E-mail:m dc@swpu.edu.cn

梅大成等.油氣井鉆井過程中井噴預(yù)測機理研究.天然氣工業(yè),2010,30(1):68-70.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.019

2009-10-17 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.019

MeiDacheng,associate p rofesso r,was born in 1965.He graduated in oil/gas field development from Southwest Petroleum Institute in 1993.He is now directo r of Sichuan Provincial Key Lab fo r Computing Simulation of Petroleum Engineering,being mainly engaged in research on real-time computer monitoring and control and petroleum engineering simulation technology.

Add:No.8,Xindu Rd.,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Tel:+86-28-8303 2974 Mobile:+86-13980965636E-mail:mdc@swpu.edu.cn