林 瀚,張 浩

（1長江大學a.油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏研究室；b.石油工程學院，湖北武漢430100；2.中石化華北石油工程有限公司國際公司，河南南陽473132）

油田設(shè)計

井控技術(shù)理論在小井眼鉆井中噴漏問題探究

林 瀚1a,b,張 浩2

（1長江大學a.油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏研究室；b.石油工程學院，湖北武漢430100；2.中石化華北石油工程有限公司國際公司，河南南陽473132）

小井眼鉆井具有成本低、速度快、周期短，有利于環(huán)保等顯著優(yōu)勢，特別是連續(xù)油管關(guān)鍵技術(shù)的突破，使得小井眼鉆井的應(yīng)用更為廣泛。針對江漢油田在小井眼鉆井中井漏、井噴事故頻發(fā)的問題，結(jié)合連續(xù)油管鉆井技術(shù)與江漢油田地質(zhì)、油氣的特點，分析了小井眼井漏、井噴的原因。從井控技術(shù)的基本理論著手，對小井眼鉆井過程中的井控技術(shù)與常規(guī)井進行比較，緊接著從鉆井液性能和鉆井工藝方面闡述適應(yīng)于小井眼鉆井中的防噴漏措施。經(jīng)在江漢油田不同區(qū)塊的多口小井眼井中實踐證明，這些措施收到了較好的防漏防噴效果。

小井眼；井控技術(shù)；重力置換；氣侵；動態(tài)壓井

國內(nèi)外對小井眼的定義是：鉆頭尺寸Ф120.65mm，套管尺寸Ф88.9mm。使用小井眼鉆井技術(shù)鉆多分支井、長水平段井時，會碰到多套地層壓力體系、高壓油氣層及含H2S地層，且環(huán)空容積大大減小，使得鉆井工作存在較高的危險性和不確定性。為了保證鉆井工作的安全進行，井控工作必不可少。小井眼井控工作主要面臨兩個難點：（1）小井眼環(huán)空間隙小、容積小，能更敏銳的監(jiān)測井底溢流的發(fā)生；（2）小井眼鉆井需要特定的設(shè)施和裝備，普通的壓力損失計算方法與壓井方法具有局限性。從井控角度來考慮，發(fā)生溢流時，同樣的流體侵入量，小井眼與常規(guī)井眼相比，流體在環(huán)空中占據(jù)空間大，上返速度快；且大量實踐表明，小井眼環(huán)空壓力損失占系統(tǒng)壓力損失的90%，故可通過改變流量、鉆柱旋轉(zhuǎn)速度以及鉆井液性能來平衡并控制井底壓力。井控工作的成敗，與國家和人民的生命財產(chǎn)息息相關(guān)。

1 油氣侵入井筒的必然性與后果分析

在直井中，若鉆井液依靠自身液柱重力產(chǎn)生的壓力大于地層孔隙壓力，并一直處于較大的漏失狀態(tài)，氣侵不明顯，則鉆井液體積增量并不顯著。如果井內(nèi)鉆井液靜止時間較長，如起鉆、電測等，后效可能會相對明顯，但遠不如套管開窗側(cè)鉆井、大斜度井的后效嚴重。在大斜度井段中發(fā)生嚴重氣侵鉆井液返至井口時，常常鉆井液罐液面上升，有鉆井液增量。按井控操作規(guī)定，現(xiàn)場遇到該情況通常會關(guān)井，但關(guān)井后井口有立壓、套壓。此時監(jiān)測的立壓與套壓存在一定的誤差，不能作為地層壓力評判的標準，更不能直觀認為鉆井液密度過低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的理論問題在于以下幾點：

1.1 鉆井液自動外溢的條件

天然氣具有低密度、易擴散性、強置換性和高膨脹性等特點，從而更易發(fā)生井噴、溢流事故。如果井下有一段氣柱或嚴重氣侵的鉆井液，高度為Xm。上面為未被氣侵的液柱，高度為hm，鉆井液密度為ρmg·cm-3，井筒截面積為Am2[1]。

則作用在氣柱上的初始壓力為PS+0.1ρmh，氣柱的初始體積為AXm3；

如果液柱的高度減少△h，則作用在氣柱上的壓力將減為PS+0.1ρm（h-△h）；

由于壓力的減少，氣柱將發(fā)生膨脹而高度將增加，即氣柱膨脹后的終了體積為A（X+△X）m3。

為方便計算和測量，認為氣體的膨脹過程是等溫的，則：

顯然：如△X＜△h，不會發(fā)生外溢；如△X＞△h，則將發(fā)生外溢；而△X=△h，則為不穩(wěn)定的臨界條件。

我們將△X=△h及PS=0.1MPa（因為外溢時井口是開啟的）代入上面方程（1）式中，可得：

如令△h=0，則：

式中X：井下積聚的氣柱或嚴重氣侵的鉆井液柱的實際高度，m；h：氣柱上面未被氣侵的鉆井液柱的高度，m；ρm：未被氣侵鉆井液的密度，g·cm-3。

從上面可知，對于因特殊作業(yè)停止循環(huán)鉆井液的井，天然氣會從巖層中釋放出來，在壓差的作用下逐漸向井底運移，從而在井筒中形成氣柱。然后，覆著在泥漿中的氣柱不斷膨脹上升或者在下鉆循環(huán)時上行膨脹，當井筒與井底壓力差達到一定值時泥漿就會外溢噴出。

氣體在井筒中不斷向上運移，體積逐漸膨脹變大，但增加效果并不明顯，當離地面越近時，才迅速增加，鉆井液池增量才比較明顯；氣體體積膨脹上升時井底壓力波動較小，越靠近地面時，井底壓降才越明顯。當井底壓力明顯低于地層壓力時地層流體進入井內(nèi)形成井噴。

1.2 在高油氣比地層中氣侵原因分析

當靜液壓力大于地層孔隙壓力時，一方面會發(fā)生正相漏失；另一方面鉆井液密度越高，重力置換效果越明顯，進入井筒中的天然氣就越多；此外，鉆井液粘度過高不利于依附在鉆井液中的氣體分離。故而在氣井或高氣油比的井中要合理控制鉆井液密度。石灰石是大多鉆井隊儲備的加重材料，鉆下部井段或平衡地層壓力時若用石灰石加重鉆井液，必然會導致粘度上升，即使使用液氣分離器，氣體并未有效除掉，且重力置換越發(fā)嚴重。

依據(jù)井控安全理論，鉆氣井或高氣油比油井，鉆井液密度一般比地層壓力密度量綱大0.07～0.15g·cm-3[2]，或鉆井液靜液柱壓力比地層壓力大3～5MPa。對鉆井液的粘度要求以接近水的粘度為宜，這樣才利于鉆井液中氣體的析出。王古-1井用密度為1.07 g·cm-3,粘度控制在27s的鉆井液鉆完目的層,達到了超高的逾期效果。當井底地層壓力微高且有明顯氣侵時，使用加重材料入井循環(huán)后，鉆井液粘度漲幅明顯，且液面上升，立即進行關(guān)井操作。若關(guān)井時間較長，井口壓力得不到釋放，則不能作為精準預測地層孔隙壓力和計算壓井液密度的根據(jù)。

圖1 地層中的天然氣與鉆井液重力置換的示意圖Fig.1 Schematic diagram of gravity displacement of natural gas and drilling fluid in formation

從圖1中不難看出，地層中的氣體與鉆井液的重力置換隨時間的延長置換作用越完全。低粘度的鉆井液重力置換也存在，但地面脫氣效果非常好，避免了氣侵鉆井液重新注入井內(nèi)產(chǎn)生溢流的后果。實踐證明，有的井嚴重氣侵，長時間循環(huán)后井口返出的鉆井液還是嚴重氣侵或者有溢流，當用新鉆井液或低密度、低粘度的鉆井液注入后，井口不外溢。王北新9-4井用密度為1.35g·cm-3的高粘度鉆井液循環(huán)時井口氣侵比較嚴重,且井口有輕微溢流,但用1.2 g·cm-3的鹽水循環(huán)后,井口不外溢也不氣侵[3]。

2 小井眼鉆井的井控問題

套管開窗側(cè)鉆屬于典型的小井眼鉆井方式，其井控的主要特點有：

（1）環(huán)空間隙小、體積小，同樣的溢流量，流體在環(huán)空中占的體積大，上返速度快，對溢流更敏感。環(huán)空體積是井眼與鉆具之間的容積。

式中V環(huán)：單位環(huán)空容積m3；D1：井眼直徑mm；D2：鉆柱內(nèi)徑mm；H：鉆柱長度m。

井底壓力是靜液壓力與其他垂直方向上壓力的矢量和。因井內(nèi)靜液壓力同時作用于井底和井壁，不同的工況，井底壓力也不同。

環(huán)空壓力損失：

式中PV：鉆井液塑性粘度mPa·s；ρ：鉆井液密度；Q：泵排量L·s-1；

鉆井液上返速度：

例如：318升的溢流量在常規(guī)井眼（81/2”）環(huán)空中占12m的高度；而在小井眼環(huán)空中占114m的高度；井底壓力減小8倍多；流體在小井眼環(huán)空的上返速度是在常規(guī)井眼環(huán)空上返速度的數(shù)倍。

（2）小井眼鉆井在起鉆或上提鉆具時由于抽吸作用易造成溢流或井噴。相同的井深、鉆井液性能和提升速度，小井眼的抽吸壓力大的多。

（3）環(huán)空流動阻力大。在小井眼鉆井過程中，環(huán)空壓力損失占泵壓的九成左右；常規(guī)鉆井方式的壓力損耗主要在鉆柱和鉆頭上，能達到泵壓的90%，環(huán)空壓力損失僅為泵壓的10%左右[4]。所以，鉆井液循環(huán)時小井眼很容易發(fā)生井漏；而在起鉆時又很容易發(fā)生井噴。

3 小井眼井漏預防措施

小井眼施工作業(yè)中井漏主要發(fā)生在鉆時加快或在擴眼、劃眼作業(yè)中，因環(huán)空流動阻力大、環(huán)空巖屑多，其發(fā)生井漏的可能性更大，根據(jù)以上情況分析，總結(jié)出預防小井眼井漏的措施：

（1）在停泵后開泵時要用小排量緩慢開泵，尤其是下鉆完或鉆井液長時間停止循環(huán)時開泵要用小排量（單凡爾）緩慢開泵，待泵頂開后再緩慢提高排量。小井眼要特別防井漏，鉆井泵排量的大小對井底壓力影響比較大。

（2）限于小井眼尺寸及環(huán)空容積，鉆具在通過裸眼井段特別是易漏敏感地層時應(yīng)防止壓力激動。

（3）對于多年開采后的老井地層實際壓力普遍降低，對于小井眼鉆井液密度不能過高。這是小井眼發(fā)生井漏的高機率原因之一。

（4）鉆井液的密度和粘切是影響動壓差和漏失壓力的首要因素。在低壓力的上部井段，主要優(yōu)選密度低、粘切高的鉆井液，功能是阻止漏失，有效預防井漏；在高壓深井段應(yīng)選擇排量低、粘切度低的鉆井液，主要作用是降低循環(huán)壓耗，避免井漏事故發(fā)生。

（5）控制鉆井速度。在可鉆性好的砂、泥巖地層鉆進中發(fā)生井漏可通過控制鉆進速度，以減少鉆井液中巖屑濃度，實踐證明，將環(huán)空鉆屑濃度控制在5%以下為宜。

4 小井眼鉆井發(fā)生溢流的處理

4.1 采用動態(tài)壓井法

由于小井眼環(huán)空體積小，溢流來得快、檢測溢流的反應(yīng)時間短等特點，常規(guī)壓井方法并不適用。動態(tài)壓井是一種更精準更便捷的壓井方法,即在循環(huán)過程中用環(huán)空流動阻力損失控制地層壓力。

結(jié)合上述公式（5）不難得出，泵的排量與環(huán)空壓力損失有內(nèi)在的緊密聯(lián)系，小井眼的井底壓力可以通過排量來控制，從而能控制溢流。動態(tài)壓井主要優(yōu)勢有3點：（1）不用加重鉆井液；（2）可以盡快地實施壓井作業(yè)；（3）能大幅減小套管鞋處的壓力。

4.2 合理選擇循環(huán)方式

為了使環(huán)空中的油氣循環(huán)干凈，達到環(huán)空與鉆具內(nèi)的密度一致，是選用正循環(huán)還是選用反循環(huán)，這主要由過流面積決定。如果環(huán)空的過流面積比鉆具內(nèi)的過流面積大，則選用反循環(huán)效果比較好。井下作業(yè)通常是21/7”的油管，其過流面積比環(huán)空小得多，但用反循環(huán)效果顯著好，這就是有的井循環(huán)幾周后環(huán)空還有油氣的原因之一。

4.3 優(yōu)選防噴器組合

滲透性好、孔隙度高的大斜度的小井眼（如套管開窗測鉆井）鉆頭在油氣層下面，重力置換作用特別明顯，若產(chǎn)層天然氣重力置換現(xiàn)象嚴重，科學的應(yīng)對措施是先用環(huán)形防噴器關(guān)井再起鉆，把鉆頭起到油氣層頂部然后再壓井，這就很容易把環(huán)空的油氣循環(huán)干凈。行業(yè)標準規(guī)定井口套壓在不大于14MPa時方可關(guān)井起鉆。

5 結(jié)語

小井眼由于特殊的設(shè)備、技術(shù)、工藝決定了其井眼尺寸小、環(huán)空間隙小的特點，在井控理論與實操方面也不能硬搬常規(guī)井控知識，必須制定符合小井眼的井控預防與處理措施，對溢流的監(jiān)測要做到三早：早發(fā)現(xiàn)、早關(guān)井、早處置，做到“發(fā)現(xiàn)溢流，及時關(guān)井;疑似溢流，關(guān)井檢查;預測溢流，關(guān)井循環(huán)”。

［1］王子建.控制泥漿帽壓力鉆井工藝技術(shù)研究［D］.中國石油大學（華東）,2009.

［2］曾時田.四川天然氣井鉆井壓力控制［C］.井下控制工程技術(shù)學術(shù)研討會，2001-10-15.

［3］韓金井.精細控壓鉆井技術(shù)在塔里木碳酸鹽巖超深水平井中的應(yīng)用［D］.西安石油大學,2012.

［4］陳強,高堅.扎納諾爾油田開窗側(cè)鉆水平井鉆井技術(shù)［J］.西部探礦工程,2014,（11）：41-44.

Exploration on spray leakage problems of slimhole drilling in well control technology

LIN Han1a,b,ZHANG Hao2
（1a.Leakage Protection&Sealing Technology Laboratory,Oil and Gas Drilling National Engineering Laboratory;b.Institute of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 430100,China;2.International Company of Sinopec Huabei Petroleum Engineering,Nanyang 473132,China）

Slimhole drilling with low cost,fast speed,short cycle,is conducive to environmental protection and other significant advantages,especially with the breakthrough of coiled tubing key technologies,make the application of slimhole drilling more widely.The accident of lost circulation and sticking are very frequent in slim hole sidetracking of Jianghan Oilfield.On the basis of the Coiled tubing technology，the characteristics of Jianghan oil reservoir,the paper analyses the reasons of lost circulation and sticking in slim hole sidetracking.According to the basic principle of well-control technology,the paper carried out the comparison between the well-control technology in the slim-hole drilling,and that in the regular well drilling,then elaborated from the drilling fluid properties and drilling technology suitable for the blowout of the leakage of slimhole drilling measures.Through field application in sidetracking wells in Jianghan Oilfield,these measures have better effect to prevent lost circulation and sticking.

slim-hole;well control technique;gravity displacement;gas cut;dynamic pressure well

TE256

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170359

2017-01-11

林瀚（1991-），男，長江大學石油工程學院，碩士生，現(xiàn)主要從事鉆井工藝技術(shù)方面的研究工作。