梁玉林 文小勇 靳曉偉 楊海溶

1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

2.中國石油川慶鉆探工程公司 鉆采工藝研究院 （四川 廣漢 618300）

3.中國石油川慶鉆探工程公司 川西鉆探公司 （四川 成都 610500）

4.中國石油西部鉆探工程公司 準(zhǔn)東鉆井公司 （新疆 昌吉 831100）

在鉆井、修井或者油氣測(cè)試過程中，若遇到高壓地層或井口壓力過高，需要進(jìn)行放噴，緩解井口設(shè)備的承受能力，此后再利用壓井液進(jìn)行壓井。此時(shí)，油氣井的基本情況為防噴器完好并且關(guān)閉，管柱在井底，天然氣經(jīng)過放噴管線放噴。這種方法是一次循環(huán)法在特殊情況下壓井的具體應(yīng)用[1,2]。

此方法的基本原理即是鉆井液噴空后的天然氣井在壓井過程中，環(huán)空存在一“平衡點(diǎn)”。所謂平衡點(diǎn)，即壓井液隨氣體上返到一定程度時(shí)，井口套壓加上氣液兩相流所產(chǎn)生的壓力剛好能夠平衡地層壓力。當(dāng)?shù)竭_(dá)平衡點(diǎn)之后，繼續(xù)循環(huán)，逐漸降低套壓，直到環(huán)空充滿壓井液，套壓降為零[3,4]。

1 壓井基本參數(shù)及其計(jì)算

1.1 地層壓力計(jì)算

1.1.1 放噴過程井底壓力計(jì)算

基本假設(shè):①以井口為計(jì)算起點(diǎn)，沿井深向下為Z的正方向，與氣體流動(dòng)方向相反；②忽略動(dòng)能壓力梯度。

則氣井放噴過程中，壓力梯度方程為[5]:

放噴時(shí)，任意流動(dòng)狀態(tài)下的氣體流速可表示為

將氣體密度公式和上式代入（1），得到

將（3）分離變量積分為

最后得到放噴過程井底壓力為

其中s為指數(shù)系數(shù)，D為當(dāng)量直徑，具體表達(dá)式如下:

式中:ρg為天然氣密度，kg/m3； g 為重力加速度，m/s2；f為T、P下的摩阻系數(shù)；v為任意位置流動(dòng)狀態(tài)下的氣體流速，m/s；D為井眼當(dāng)量直徑,m；vsc為氣體放噴過程中的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體流速，m/s；Bg為氣體體積系數(shù)；qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體產(chǎn)量，m3/s；T為該井眼任意位置處的溫度，℃；p為該井眼任意位置處的壓力，MPa；Z為氣體壓縮系數(shù)；γg氣體相對(duì)密度；為井筒平均溫度和氣體平均偏差系數(shù)；Pa井口放噴壓力，MPa；e為自然對(duì)數(shù)；D1為套管段井眼直徑，m;D2為裸眼段井眼直徑，m;A為井眼環(huán)空面積，m2。

1.1.2 地層壓力計(jì)算

開展施工作業(yè)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)在完成了排水管道施工之后，對(duì)其進(jìn)行壓力試驗(yàn)，有助于了解施工的質(zhì)量情況，對(duì)產(chǎn)生的問題及時(shí)予以補(bǔ)救，提高工程建造的質(zhì)量。試驗(yàn)的方法可以利用氣壓和水壓，可以通過管道的性能來判斷和掌握要采用哪種方式。在試驗(yàn)過程中，詳細(xì)檢查管道的施工接縫位置，并記錄結(jié)果。如果使用PP－R管的管材，那么就要開展兩次試驗(yàn)，可以設(shè)置在整個(gè)施工的前期和后期，在試驗(yàn)的過程中，應(yīng)當(dāng)著重注意兩個(gè)方面的問題。首先是連接部位，其次是室內(nèi)管道部分。這些地方尤其要注意它們的密封性是否良好，否則水不能夠正常地被排放出去就會(huì)引發(fā)事故。

壓井過程，就是要使井內(nèi)液柱壓力平衡地層壓力，要確定壓井液的密度必須首先確定地層壓力，根據(jù)二項(xiàng)式產(chǎn)能公式來計(jì)算地層壓力為[5]:

求出地層壓力之后，即可求出壓井液密度。

式中:Pp為地層壓力，MPa；Pb為井底壓力，MPa；k 為地層滲透率，10-3μm2；rw為井底半徑，m；re為氣層半徑，m；β為速度系數(shù)，m-1；μ－為氣體平均黏度，mPa·s;h 為氣層厚度，m;Tsc為標(biāo)況下溫度，℃;Psc標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力，MPa。

1.2 壓井排量確定

鉆井液噴空后，需要迅速建立井內(nèi)壓力平衡，在開始?jí)壕畷r(shí)，到達(dá)平衡點(diǎn)之前，要用最快速度阻止氣體侵入，因此，開始?jí)壕罂梢杂迷试S的最大排量。平衡點(diǎn)法壓井排量應(yīng)以在用缸套下的最大泵壓來計(jì)算。當(dāng)壓井液到達(dá)平衡點(diǎn)之后，為了減小設(shè)備負(fù)荷，可采用正常壓井排量循環(huán)[6]。

1.3 平衡點(diǎn)計(jì)算

1.3.1 平衡點(diǎn)氣液兩相流模型

在壓井液到達(dá)井底并開始從環(huán)空上返，環(huán)空開始呈現(xiàn)氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)。此后環(huán)空液體逐漸增多，因此環(huán)空井底壓力逐漸增大，氣體侵入量漸漸減少。因此，計(jì)算平衡點(diǎn)時(shí)間時(shí)，壓力關(guān)系式為:

式中:Pao為井口套壓，MPa；Pf為環(huán)空氣液兩相流所產(chǎn)生的井底壓力，MPa。下面具體研究Pf求法。

由于環(huán)空井底壓力不斷增加，此后，氣體侵入不斷降低，在這個(gè)過程中應(yīng)當(dāng)使用達(dá)西定律來計(jì)算氣體侵入量。應(yīng)用Amoco公司Nichens等人建立的氣體侵入流量公式來計(jì)算氣體在壓井過程中的溢流量，其表達(dá)式如下:

式中:h 為氣層厚度,m；μg為地層氣體黏度,Pa·s；c 為綜合壓縮系數(shù)，Pa-1；t為溢流時(shí)間，s；vm為氣液混合物流速，m/s；ρm為氣液混合物密度，kg/m3；α 為井斜角；φ為孔隙度；rw井底半徑，m。

在壓井過程中，到達(dá)平衡點(diǎn)之前，Qg和井底壓力是一個(gè)相互影響的過程，環(huán)空進(jìn)入壓井液之后，Qg降低，Qg降低之后，環(huán)空含氣率，混合密度都會(huì)發(fā)生變化，從而又使井底壓力增加。因此，要用到數(shù)值方法來進(jìn)行求解。

1.3.2 模型求解

（1）確定初始和邊界條件

到達(dá)平衡點(diǎn)之前，井底壓力為氣井放噴時(shí)的井底壓力，氣井氣侵量即為放噴時(shí)的產(chǎn)量。剛剛達(dá)到平衡點(diǎn)，井底壓力剛好等于地層壓力，氣侵量為零。因此可以得到初始條件和邊界條件為:

式中:Pb0為放噴時(shí)井底壓力，MPa；Qg0為氣井放噴時(shí)的產(chǎn)量，m3/d。

方程求解過程中，時(shí)間和空間都是影響因素，因此取時(shí)間間隔Δt為不變的步長(zhǎng)，Δz為井深步長(zhǎng)，應(yīng)用以上的初始和邊界條件，即可求解。

（2）計(jì)算流程

①根據(jù)在用缸套直徑計(jì)算出最大壓井排量；②計(jì)算鉆柱、環(huán)空、井筒容積，并且根據(jù)鉆柱容積和壓井排量計(jì)算出壓井液到達(dá)井底時(shí)間；③根據(jù)天然氣放噴量確定地層壓力，并且確定壓井液密度；④節(jié)點(diǎn)序號(hào)用i表示，ti時(shí)刻，選取壓力增量和空間步長(zhǎng)；⑤計(jì)算此時(shí)氣體和液體流量Qg和Ql，表觀流速vsg，vsl以及混合物流速vm和各種無因次量，并判斷流型；⑥計(jì)算相應(yīng)流型下的持液率、混合物密度、摩阻系數(shù)和壓力梯度（dp/dz）i,ΔZi；⑦若/Zi＜ε(誤差)，則下一步計(jì)算，否則令Z0=Zl,重復(fù)計(jì)算回到第4步；⑧計(jì)算出井底壓力，如果 Pb＜Pp，則 i=i+1，回到第 4步繼續(xù)迭代計(jì)算直到Pb=Pp，后計(jì)算出平衡點(diǎn)時(shí)間；⑨改變排量，繼續(xù)壓井，直到套壓為零，壓井結(jié)束。

2 壓井實(shí)例計(jì)算

某井井深2010m，井徑311mm，鉆桿外徑127mm，鉆桿壁厚 18.4mm，鉆井液密度 1.12kg/m3，地?zé)嵩鰷芈?41.5m/℃，井口溫度 20°，井口放噴壓力 5.5MPa，天然氣相對(duì)密度 0.6，天然氣放噴量2237233m3，井口承壓力 15MPa，井口套壓 10 MPa，氣層半徑為5000m，氣體黏度20mPa·s，套管鞋處破裂壓力梯度0.016MPa/m,地層綜合壓縮系數(shù)6×10-5MPa，鉆頭未裝噴嘴。

通過編制程序計(jì)算了壓井的部分參數(shù)，并與該井現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比（表1）。

表1 平衡點(diǎn)法主要參數(shù)對(duì)比

表1數(shù)據(jù)表明，編制軟件結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果數(shù)據(jù)基本吻合，模擬計(jì)算過程具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

根據(jù)軟件繪制出了該井壓井過程中的套管壓力和立管壓力理論變化曲線。

3 壓力變化分析

套管壓力有2個(gè)變化階段:為到達(dá)平衡點(diǎn)之前，在這個(gè)過程中，通過施加井口回壓，使環(huán)空氣液兩相流能夠迅速的平衡地層壓力，防止更多的氣體侵入，這個(gè)過程中，套壓始終是不變的；在達(dá)到平衡點(diǎn)之后，氣體不再侵入，液體不斷泵入平衡地層壓力，因此套管壓力降低直到壓井液充滿整個(gè)環(huán)空，套管壓力將為零。

立管壓力變化主要分3個(gè)階段:第一階段，由于氣井為空井，在壓井液到達(dá)鉆頭之前，立管壓力不斷降低；第二階段，壓井液到達(dá)環(huán)空，形成環(huán)空氣液兩相流；第三階段，立管壓力不斷增大，當(dāng)整個(gè)井筒充滿壓井液之后，立壓即為循環(huán)壓力。

4 結(jié)論與建議

（1）井內(nèi)噴空后壓井方法是一種氣井噴空后很安全，易操作的壓井方法。氣井噴空后，應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，為壓井做好準(zhǔn)備。

（2）在計(jì)算到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)間時(shí)，必須從氣液兩相管流計(jì)算井底壓力，否則將產(chǎn)生較大的誤差，不利于壓井的具體施工操作。

（3）在實(shí)施壓井時(shí)應(yīng)綜合考慮井口、套管、地面管匯、地層破裂壓力、等因素，在保證各方面安全的前提下實(shí)施，施工中要注意壓井排量并準(zhǔn)確記錄套管壓力的變化，防止壓漏地層或損壞井口設(shè)備等復(fù)雜事故的發(fā)生。

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[2]雷宗明,林安村.氣井泥漿噴空后的壓井[J].天然氣工業(yè),1997,17（2）:45-47.

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