李軼明，夏 威，羅方偉，陳澤恩,梁 爽，王 鵬

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249；2. 中石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 102206)

0 引言

體積法壓井是1種非常規(guī)壓井方法，其特點(diǎn)是在不循環(huán)的情況下完成壓井作業(yè)，是1種現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)無法直接采用傳統(tǒng)的壓井方法將氣侵循環(huán)出井時(shí)的解決方法[1]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣侵并成功關(guān)井后，由于密度差的存在，在一般情況下氣體都會(huì)在井筒中向上運(yùn)移。由于受到空間的限制，氣體的體積變化較小，氣體壓力遵循氣體狀態(tài)方程，變化不大。隨著氣柱上升，氣體底部鉆井液靜液柱高度增加，井底壓力逐漸升高，可能出現(xiàn)過平衡現(xiàn)象，引發(fā)套管鞋破裂、地層破裂或地下井噴[2]。同時(shí)，井口壓力也會(huì)增加，這將造成井口設(shè)備承壓超限的問題。體積控制法便成為解決這種問題的主要方法，通過反復(fù)釋放部分鉆井液提供氣體膨脹的空間，降低氣體的壓力，避免井底壓力過高。體積控制法正是采用在關(guān)井等待氣體運(yùn)移、等待壓力上升、釋放鉆井液、氣體膨脹降低壓力這一循環(huán)過程中逐漸控制氣侵氣體上升至井口，通過合理地控制，保證井底壓力處于準(zhǔn)恒壓狀態(tài)。當(dāng)完成體積控制流程后，將采用置換操作流程，反復(fù)將壓井液注入井筒內(nèi)，等待壓井液下落至氣柱底部，然后釋放掉與注入壓井液靜液柱壓力相同的氣體壓力，完成井內(nèi)氣侵氣體與壓井液的替換[1,3-4]。通過以上體積控制流程和隨后的置換流程最終完成壓井操作。

在采用體積控制法實(shí)施壓井過程中一般無法讀取立壓，井底壓力不能通過立壓直接獲取，套壓和鉆井液流入流出體積是僅有的2個(gè)可監(jiān)測(cè)參數(shù)。無論是體積控制過程還是置換過程，都需要控制鉆井液排出或壓井液泵入所產(chǎn)生的靜液柱增減與氣體壓力變化之間的等量替換，因此這2個(gè)參數(shù)至關(guān)重要，都需要精確計(jì)量。而氣體向上運(yùn)移或壓井液下落的速度和分布是研究者所關(guān)注的，這與套管截面積、鉆井液和壓井液的粘度和密度等都有關(guān)系[5-7]。在特殊情況下，氣體有可能懸浮在井筒中長時(shí)間保持不移動(dòng)[8]。氣侵氣體呈彌散型分布[3]，井底壓力變化趨勢(shì)反應(yīng)出泡狀流流型特性[9]，氣侵前緣的速度明顯高于后緣[10]。

體積控制法在現(xiàn)場(chǎng)中經(jīng)常被應(yīng)用，同時(shí)也存在很多問題。王安康等[11]介紹分析了國內(nèi)進(jìn)行的2個(gè)體積法壓井現(xiàn)場(chǎng)案例，其中一個(gè)井噴發(fā)生在完井階段，由于鉆桿已經(jīng)被剪切閘板防噴器剪斷而無法進(jìn)行常規(guī)壓井，因此實(shí)施了置換法壓井流程并成功壓井，另一個(gè)壓井案例針對(duì)的是發(fā)生在鉆井過程中的井噴事故，在置換過程中發(fā)生了井漏，經(jīng)多次注入壓井液仍無法成功壓井；呂選鵬等[12]介紹了由于井下工具阻塞循環(huán)而采用了多次置換的壓井方式成功壓井，其他一些文獻(xiàn)[13-15]也分別介紹了成功采用置換進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓井的案例。成功進(jìn)行體積法壓井的關(guān)鍵是對(duì)套管抗壓、地層破裂和井口設(shè)備承壓的正確估計(jì)，但同時(shí)最重要的是對(duì)井內(nèi)氣體分布情況和上升趨勢(shì)的正確估計(jì)，選擇最優(yōu)的壓井操作時(shí)機(jī)。

體積法壓井的計(jì)算是在U型管理論基礎(chǔ)上以井底準(zhǔn)恒壓為前提條件，計(jì)算每次放出鉆井液和泵入壓井液的體積，計(jì)算中做了很多的近似處理，而真實(shí)的壓井過程與計(jì)算模擬有很大偏差。為了更好地了解體積法壓井過程中的數(shù)據(jù)變化，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)做更多的收集和分析。但是，一般在現(xiàn)場(chǎng)開展體積法壓井的過程中數(shù)據(jù)采集難度較大，也無法讀取井底壓力，井下情況較為復(fù)雜，壓井過程中出現(xiàn)的特殊情況較多，儲(chǔ)層的壓力系數(shù)在發(fā)生井噴的情況下也是未知的。由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的缺乏，需要進(jìn)行更多的全尺寸試驗(yàn)，找到在體積法壓井過程中氣體運(yùn)移的規(guī)律，從壓力變化趨勢(shì)上尋找最佳的壓井時(shí)機(jī)，更加精細(xì)地描述井內(nèi)氣體的分布和運(yùn)移規(guī)律。本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，模擬了氣侵之后采用體積控制法壓井的全過程；得到了套壓和立壓的變化規(guī)律；分析了氣體向上運(yùn)移的過程。試驗(yàn)結(jié)果將有助于指導(dǎo)正確實(shí)施體積法壓井。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置介紹

試驗(yàn)在渤海鉆探井噴實(shí)訓(xùn)基地的井噴模擬井進(jìn)行，試驗(yàn)裝置簡圖見圖1。該井井深1 050 m，鉆桿帶鉆頭下至1 005.15 m，套管直徑為244.475 mm，鉆桿直徑為127 mm。工程實(shí)際中采用體積控制法進(jìn)行壓井時(shí)，一般鉆桿并不在井底或者井筒內(nèi)沒有鉆桿，即使鉆桿在井底也由于鉆柱堵塞而無法讀取真實(shí)的立壓來確定井底壓力。而在此次試驗(yàn)中，鉆頭處于井底，可以監(jiān)測(cè)井底壓力。

S1.模擬井噴井；C1，C2.儲(chǔ)氣井；Y1，Y2.空氣壓縮機(jī)；CV1，CV2.電控節(jié)流閥；SV1.電控閘閥；Q1.氣體質(zhì)量流量計(jì)；NJ1.泥漿池；YT1.液體電磁流量計(jì)；F1.節(jié)流閥。圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental facilities

試驗(yàn)井可以進(jìn)行氣侵模擬，氣侵氣體由2口連通的儲(chǔ)氣井提供，儲(chǔ)氣井深度300 m，總?cè)莘e為24 m3，最高工作壓力為20 MPa，氣體由2組空氣壓縮機(jī)注入，提前增壓至試驗(yàn)所需壓力。儲(chǔ)氣井通過管徑為73.025 mm的衍生管與試驗(yàn)井井底連接，注氣點(diǎn)深度為1 000 m。注氣速度可由2個(gè)電控節(jié)流閥控制，注氣啟動(dòng)和關(guān)閉由1個(gè)電控閘閥控制。電控節(jié)流閥上下游均安裝有壓力傳感器，用于記錄注氣過程中儲(chǔ)氣井的壓力變化和注氣管線中的氣體壓力。在注氣管線上安裝有氣體質(zhì)量流量計(jì)，用于記錄試驗(yàn)全過程中通過注氣管線進(jìn)入井內(nèi)氣體的質(zhì)量流率，可由此計(jì)算井底壓力下的累計(jì)進(jìn)氣量。

節(jié)流管匯至泥漿池的出口處安裝有電磁流量計(jì)，用于測(cè)量出口流量。立壓和套壓傳感器分別安裝在立管和節(jié)流管匯上，用于測(cè)量立壓和套壓的實(shí)時(shí)值。本次試驗(yàn)中，在正常循環(huán)、模擬氣侵和壓井的過程中，環(huán)形防噴器均處于關(guān)閉狀態(tài)，井內(nèi)流體只能通過節(jié)流管匯回流至泥漿池。如果鉆井液由高架槽回流至泥漿池，液體的流量很難被準(zhǔn)確計(jì)量，采用這種循環(huán)方式主要是為了提高出口流量計(jì)量精度。在這種情況下，循環(huán)時(shí)的立壓和套壓均附加有節(jié)流管匯產(chǎn)生的摩阻壓耗，在正常循環(huán)排量且節(jié)流閥全開的情況下，該摩阻壓耗為0.7 MPa。

本次試驗(yàn)采用2組泥漿泵分別進(jìn)行正常循環(huán)和壓井作業(yè)，正常循環(huán)的泥漿泵采用3個(gè)凡爾，壓井用泥漿泵拆除了3個(gè)凡爾中的2個(gè)，僅用單凡爾進(jìn)行壓井。泥漿泵由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。泥漿泵至立管的管線上安裝了三通，并與壓井管匯連接，可以實(shí)現(xiàn)正常循環(huán)和置換壓井流程的快速切換。注氣選擇在正常循環(huán)的狀態(tài)下進(jìn)行，當(dāng)監(jiān)測(cè)到一定的溢流量之后開始進(jìn)行壓井作業(yè)，通過關(guān)閉立管上的閥門使泥漿泵與鉆桿斷開，泥漿泵管線與壓井管匯連接，用于壓井液的注入。泥漿泵泵沖計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)也被實(shí)時(shí)記錄，用于計(jì)量入口流量、計(jì)算溢流量和控制注入壓井液的體積。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用清水作為循環(huán)介質(zhì)，即用清水代替實(shí)際中的鉆井液，同時(shí)也采用清水作為壓井液進(jìn)行壓井。清水與鉆井液相比，粘度和密度都有一定的差異，氣泡運(yùn)移速度和置換速度存在一定的偏差。在壓井結(jié)束時(shí)，由于壓井液并不是加重壓井液，因此在井口依然會(huì)存在一定的壓力。

體積法壓井的置換過程對(duì)體積計(jì)量要求較高，因此在試驗(yàn)前要對(duì)泥漿泵的泵容積進(jìn)行了標(biāo)定。使用較精確的電磁流量計(jì)計(jì)量并計(jì)算出口累計(jì)流量，累計(jì)流量隨泵沖數(shù)變化的擬合曲線斜率即為每沖的實(shí)際體積，由此得到泵的容積。圖2為單凡爾泵容積標(biāo)定曲線，泵容積為8.32 L/str，另外也對(duì)3個(gè)凡爾的泥漿泵進(jìn)行了標(biāo)定，泵容積為24.99 L/str。

圖2 單凡爾泵容積標(biāo)定曲線Fig.2 Calibration curve of single valve pump volume

每次進(jìn)行新的1組試驗(yàn)前，進(jìn)行不小于1個(gè)井筒容積的循環(huán)，將井內(nèi)有可能存在的氣體全部循環(huán)出井。試驗(yàn)第1階段為氣侵模擬，泥漿泵以正常排量循環(huán)，用于模擬正常鉆井過程中發(fā)生的氣侵。當(dāng)儲(chǔ)氣井達(dá)到設(shè)置工作壓力后，設(shè)定CV1和CV2這2個(gè)節(jié)流控制閥的開度，打開SV1向試驗(yàn)井內(nèi)注氣。氣體注入過程中實(shí)時(shí)采集出口流量并累計(jì)計(jì)算出口累計(jì)體積，同時(shí)監(jiān)測(cè)泵沖計(jì)數(shù)器的累計(jì)泵沖數(shù)并計(jì)算累計(jì)泵入體積，入口和出口累計(jì)體積之差即為溢流量，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的溢流量后，關(guān)閉節(jié)流管匯，開始進(jìn)行關(guān)井求壓和壓井作業(yè)。試驗(yàn)工況參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)工況參數(shù)Table 1 Physical parameters of field tests

2 體積控制法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氣侵過程分析

工況2情況下，注氣過程中立壓與套壓隨時(shí)間的變化如圖3所示。圖3中，100 s之前為正常排量循環(huán)時(shí)立壓和套壓隨時(shí)間的變化曲線，立壓和套壓保持相對(duì)穩(wěn)定。套壓約為0.7 MPa，為節(jié)流管匯產(chǎn)生的摩阻；立壓約為6 MPa，為鉆桿、環(huán)空和節(jié)流管匯的循環(huán)摩阻之和。圖4為工況2情況下注氣過程中出口流量、溢流量和氣體流率數(shù)據(jù)分布。圖4中前100 s出口流量相對(duì)平穩(wěn)，出口流量與泵入流量相等，溢流量曲線保持為零。在時(shí)間為100 s時(shí)刻，開啟SV1，圖4中進(jìn)氣速率迅速由0上升至2.35 kg/s，此時(shí)儲(chǔ)氣井與井底壓差最大，因此進(jìn)氣速率也最高。隨著氣體的流失，儲(chǔ)氣井壓力下降，進(jìn)氣速率緩慢下降。氣侵發(fā)生過程中，環(huán)空出口的流量開始增加，溢流量逐漸增大，在完全關(guān)井之前(350 s時(shí)刻)，溢流量持續(xù)上升至7 m3。而從立壓和套壓的變化來看，在氣侵發(fā)生的早期，套壓和立壓均存在上升的現(xiàn)象。其主要原因是由于隨著進(jìn)入井筒氣量的增加，氣體膨脹效應(yīng)不斷增加，致使環(huán)空出口流速不斷增加，這樣會(huì)在節(jié)流管匯產(chǎn)生1個(gè)摩阻上升的現(xiàn)象，在100 s至200 s期間，環(huán)空套壓從正常循環(huán)的0.7 MPa上升至1.4 MPa，而立壓也隨之增大。在實(shí)際鉆井過程中，這一現(xiàn)象不會(huì)十分明顯，主要是因?yàn)殂@井液直接通過高架槽進(jìn)入泥漿池，井口不會(huì)出現(xiàn)很明顯的附加阻力。

圖3 工況2注氣過程中立壓與套壓隨時(shí)間的變化Fig.3 Drillpipe pressure and casing pressure over time during gas injection in case 2

圖4 工況2注氣過程中出口流量、溢流量和氣體流率Fig.4 Outlet flow rate, pit gain and gas flow rate over time during gas inhection in case 2

注氣持續(xù)200 s后(即時(shí)間為300 s時(shí)刻)，井口監(jiān)測(cè)的溢流量已經(jīng)達(dá)到5 m3，此時(shí)進(jìn)行了停泵和關(guān)井。停泵后由于鉆桿內(nèi)摩阻消失，立壓迅速下降，但是由于關(guān)閉節(jié)流閥需要一定的時(shí)間，環(huán)空流量依然存在，溢流量繼續(xù)增加，關(guān)井過程持續(xù)了50 s，溢流量繼續(xù)上升至7 m3。在350 s至650 s期間，井已經(jīng)被完全關(guān)閉，但井底壓力依然低于儲(chǔ)氣井壓力，進(jìn)氣過程依然繼續(xù)。隨著壓差的降低，進(jìn)氣速率不斷降低，最終達(dá)到平衡，停止進(jìn)氣。由圖3可知，立壓和套壓在關(guān)井過程中不斷上升，最終得到關(guān)井立壓為4 MPa，關(guān)井套壓為5 MPa。

2.2 氣體上升過程分析

當(dāng)關(guān)井套壓穩(wěn)定后，隨即采用體積控制法將井內(nèi)氣體運(yùn)移至井口。此時(shí)井底已完成了壓力平衡，氣柱將在浮力的作用下開始向井口方向滑脫。這一過程中井底準(zhǔn)恒壓是關(guān)鍵。首先等待氣體帶壓上升，套壓和井底壓力同時(shí)升高1個(gè)安全余量，安全余量是保證井底壓力高于儲(chǔ)層壓力而不發(fā)生二次氣侵。當(dāng)兩者繼續(xù)升高1個(gè)工作余量后，開始從井口釋放鉆井液，井筒內(nèi)氣體將膨脹降壓，井底壓力降低1個(gè)工作余量，而在此期間套壓維持不變，如此反復(fù)最終使氣柱升至井口。根據(jù)以上過程可以發(fā)現(xiàn)，井底壓力的降低是由于井筒內(nèi)鉆井液液柱高度減少造成的，而套壓在釋放鉆井液前后保持不變，這表明氣柱降低的壓力與氣柱頂部鉆井液靜液柱減少的壓力要相當(dāng)，每次釋放鉆井液的體積由工作余量決定，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ΔVm為每次釋放鉆井液的體積，m3；C為氣柱所在位置的井筒容積系數(shù)；pw為工作余量，kPa；ρm為鉆井液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

圖5為工況1情況下體積控制過程中立壓和套壓的變化。在實(shí)際采用體積法壓井的過程中，鉆頭一般不會(huì)處于井底，也就無法直接讀取井底壓力。但是在本次試驗(yàn)中，鉆頭處于井底，因此可以得到實(shí)時(shí)的真實(shí)井底壓力值。從圖5中的套壓立壓差曲線可以看出，在第1次排液之前，即等待套壓上升1個(gè)工作安全余量和工作余量期間，套壓與立壓之間的差值緩慢增加。這一現(xiàn)象反映了環(huán)空中氣體體積所占比例有所增加。由于井在此期間是關(guān)閉的，因此造成該現(xiàn)象存在2種可能。第1種可能是井筒受到高壓的作用出現(xiàn)了膨脹，氣體有一定的膨脹空間；第2種可能就是由于井底壓力的持續(xù)增加，井底出現(xiàn)過平衡現(xiàn)象，井內(nèi)鉆井液回流至注氣管線(實(shí)際中的儲(chǔ)層)。當(dāng)開始進(jìn)行排液之后，壓入到儲(chǔ)層中的鉆井液又被壓回至井內(nèi)，同時(shí)井筒中的壓力下降，套管變形恢復(fù)，使套壓與立壓之差開始下降。

圖5 工況1體積法流程中立壓、套壓及套壓立壓差Fig.5 Drillpipe pressure, casing pressure and their diference during volumetric procesure in case 1

當(dāng)套壓上升了安全余量及工作余量之后，開始實(shí)施鉆井液的排出，圖5中套壓每次下降均對(duì)應(yīng)著鉆井液的釋放過程。以1/4圈間隔逐漸增加節(jié)流閥開度，當(dāng)開度為1圈左右時(shí)，觀察到井口有液體流出。按照理論分析，在鉆井液排出過程中，套壓應(yīng)該維持不變。但是，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)套壓隨著鉆井液的泄流出現(xiàn)了降低，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)理論上的套壓不變很難實(shí)現(xiàn)。如果以連續(xù)氣柱理論來考慮井口泄流過程中的套壓變化，有2個(gè)因素會(huì)影響套壓的趨勢(shì)，一是氣柱體積，二是氣柱的上升速度。氣柱體積的變化受到泄流速度的控制，而氣體上升速度則由密度差和氣體分布形態(tài)決定。2個(gè)因素對(duì)井口壓力的影響是相反的，氣體的滑脫造成井口壓力的增加，而泄流造成的氣體體積膨脹會(huì)使井口壓力下降。若按照連續(xù)氣柱理論結(jié)合體積控制法流程要求，保持井口壓力不變進(jìn)行泄流，必須進(jìn)一步降低井口泄流速度，但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這一操作很難實(shí)現(xiàn)。分析可知，井內(nèi)氣體體積相對(duì)較小，膨脹產(chǎn)生的壓力下降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體上升造成的壓力上升，井口壓力總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

經(jīng)過2輪泄流之后，第3次泄流時(shí)井口開始有少量氣體隨鉆井液排出。依據(jù)體積法的規(guī)程，此時(shí)應(yīng)該停止排液，但由于觀察到套壓和立壓均保持上升趨勢(shì)，以井底準(zhǔn)恒壓的原則仍然實(shí)施了2次泄壓。在第3次泄壓的過程中，套壓與立壓之差保持恒定，這說明雖然有氣體排出，但是氣體所占的比例很小，是氣侵早期處于前緣的彌散型氣泡。第4次泄壓出現(xiàn)了壓差持續(xù)下降，本次泄壓排出了大量氣體。從體積控制過程中的立壓變化來看，無論是否有氣體隨鉆井液泄出，都可以通過套壓調(diào)節(jié)將井底壓力控制在合理的范圍。

圖6為工況2的體積控制過程，在此次試驗(yàn)中同樣觀察到第1次釋放鉆井液前氣體上升造成的套壓與立壓差增大的現(xiàn)象。在進(jìn)行了3次排液之后(見圖6中的4 150，5 500和6 500 s時(shí)刻)，6 900 s時(shí)刻井口出現(xiàn)氣體噴出，停止泄流并觀察壓力變化。此后約1 h的較長時(shí)間內(nèi)，套壓和立壓持續(xù)增加約1.4 MPa。

圖6 工況2體積法流程中立壓、套壓及套壓立壓差Fig.6 Drillpipe pressure, casing pressure and their diference during volumetric procesure in case 2

圖7為工況2體積控制流程中4次關(guān)井壓力變化速率分布圖，將套壓進(jìn)行1 min平均，而后求取時(shí)間導(dǎo)數(shù)，代表了關(guān)井過程壓力變化的趨勢(shì)和速度。T1，T2和T3分別對(duì)應(yīng)3次釋放鉆井液之前的關(guān)井時(shí)間段，而T4為最后1次釋放鉆井液之后的關(guān)井周期。在T1和T2周期內(nèi)，套壓時(shí)間導(dǎo)數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，套壓平穩(wěn)上升，表示井內(nèi)氣體總體以均勻的速度向上滑脫。但是在T3周期，可以觀察到壓力隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù)不斷增大，這代表了井內(nèi)氣體分布形式已經(jīng)發(fā)生了變化，隨著彌散氣泡聚并成較大的短氣柱，氣體上升的總體速度將會(huì)不斷提高。這也說明了氣侵發(fā)生之后，很難在較小溢流量情況下實(shí)施關(guān)井，因此一般氣侵氣體將分布于很長一段鉆井液柱之中，氣體不完全以1個(gè)完整氣柱的形式存在，多以彌散型氣泡分布于鉆井液柱中，聚并發(fā)生在井筒上部。T4周期，即氣體前緣運(yùn)移至井口，井口泄出氣液混合物后關(guān)井，氣體在井口聚集形成一段氣柱，底部彌散分布的氣泡仍不斷向上補(bǔ)充至氣柱中，氣柱長度不斷增加，后續(xù)的氣體相當(dāng)于帶壓上升，使井口的壓力持續(xù)增加。從圖7中壓力隨時(shí)間導(dǎo)數(shù)分布可見，壓力變化趨勢(shì)與關(guān)井求壓過程類似(圖3中的套壓隨時(shí)間導(dǎo)數(shù))，壓力上升速度不斷變慢，最終導(dǎo)數(shù)收斂至0附近。圖8為井筒中氣體向上運(yùn)移和聚集過程的示意圖。

圖7 工況2體積流程中套壓變化率Fig.7 Time derivative of casing pressure during volumetric procesure in case 2

圖8 氣體向上運(yùn)移和聚集過程示意Fig.8 Schematic diagram of gas migration upward and gathering

綜合以上2個(gè)工況的試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論，當(dāng)頂部已經(jīng)聚集了一定體積的連續(xù)氣柱之后，雖然存在彌散氣泡不斷補(bǔ)充，井內(nèi)氣體并未完全運(yùn)移至井口。但是，此時(shí)可以提前進(jìn)行置換流程，將頂部部分氣體置換出井。待彌散型氣體再次聚集成較長的氣柱之后，再次啟動(dòng)置換流程。這種氣體體積控制流程和置換流程結(jié)合的方式能夠有效控制井口壓力，以減少井底過平衡風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 置換過程分析

當(dāng)確定氣體已經(jīng)全部運(yùn)移至井口之后，開始置換操作。置換的目的是用壓井液逐步替換聚集在井筒頂部的氣體，最終完成壓井。壓井液分多次注入，每次注入壓井液產(chǎn)生的靜液柱都會(huì)使井底壓力上升，這就要求每次注入的壓井液全部沉降至氣柱以下后，通過井口泄壓將上升的這部分靜液柱壓力釋放掉，達(dá)到注入前后井底壓力的一致。

圖9為置換過程中立壓和套壓的瞬時(shí)值分布，從21 000 s開始，總共進(jìn)行了8次壓井液的注入。從局部放大的立壓曲線分析，每次注入壓井液時(shí)，井底均有壓力上升的現(xiàn)象出現(xiàn)，這是由于在注入的過程中節(jié)流閥是關(guān)閉的，井筒為一密封空間，壓井液的注入勢(shì)必造成氣體壓縮，由此帶來井底壓力的上升。在本試驗(yàn)中每次啟動(dòng)泥漿泵80沖，在注入過程中立壓上升了2 MPa左右，對(duì)于存在薄弱地層的情況，井底可能出現(xiàn)漏失現(xiàn)象。注入結(jié)束后可以觀察到立壓和套壓迅速恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，這也說明了置換過程較快?？焖僦脫Q的發(fā)生主要是由于壓井液是清水，粘度較小，而且環(huán)空截面積較大，液體的下落十分迅速，置換過程很短。而現(xiàn)場(chǎng)壓井時(shí)需考慮壓井液粘度和井筒截面積等參數(shù)的實(shí)際情況，觀察套壓平穩(wěn)后可進(jìn)行泄壓并開始下1次壓井液的注入。通過對(duì)置換過程的觀察發(fā)現(xiàn)，低粘度的壓井液可以極大地提高置換效率，有利于迅速置換井中的氣侵氣體并降低井口壓力。圖9也給出了置換過程中套壓與立壓差的變化，壓差從1.25 MPa逐漸降低至0。套壓與立壓之間的差距是由氣柱長度決定的，隨著壓井液注入，差距不斷縮小，井筒中的氣體所占比例不斷降低，直至最終氣體全部被替換成液體。由于本次試驗(yàn)所采用的壓井液為清水，雖然無法最終將井口壓力降至0，但立壓與套壓平衡說明了置換過程已經(jīng)成功實(shí)施。

圖9 置換流程立壓、套壓變化規(guī)律Fig.9 Drillpipe pressure and casing pressure over time during lubrication precedure

3 結(jié)論

1)井筒內(nèi)氣侵氣體并不是以連續(xù)氣柱的形式分布的，而是以較多的短氣柱和彌散型分布為主，尤其是在氣侵量并不十分巨大的情況下，泄流造成的氣體壓力下降高于滑脫造成的井口壓力上升，體積控制過程很難實(shí)現(xiàn)套壓的平穩(wěn)控制，無法完全按照體積控制理想流程進(jìn)行壓力控制，鉆井液釋放會(huì)造成套壓和井底壓力的同時(shí)降低，但通過合理的泄流可以有效控制井底壓力保持在準(zhǔn)恒壓狀態(tài)。

2)體積控制流程中，由于氣侵氣體滑脫和膨脹，在前緣處已經(jīng)開始聚集成較大的氣泡或段塞，上升速度明顯提高，在全部氣體未以氣柱形式聚集到井口時(shí)，氣體前緣已經(jīng)到達(dá)井口。建議在原有體積控制流程上作出一定的改變，并不以井口見氣作為體積控制流程的終止條件。在氣體完成聚集的較長時(shí)間內(nèi)，可實(shí)施2種應(yīng)對(duì)策略以降低風(fēng)險(xiǎn)，一是穿插實(shí)施置換操作，為底部氣體聚集提供時(shí)間，待井口壓力穩(wěn)定后再徹底轉(zhuǎn)入置換流程；二是適當(dāng)排放鉆井液和氣體的混合物或氣體，釋放井口壓力。

3)套壓隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù)可以作為判據(jù)，用來判斷井內(nèi)氣體分布形式的變化，穩(wěn)定的導(dǎo)數(shù)代表了氣體整體無膨脹向上滑脫；導(dǎo)數(shù)上升標(biāo)志著氣體由彌散型分布向短氣柱聚并的出現(xiàn)，多發(fā)生在氣體前緣運(yùn)移至井筒上部，隨后會(huì)出現(xiàn)井口見氣的現(xiàn)象；導(dǎo)數(shù)逐漸下降標(biāo)志著井口氣柱的不斷增長，呈現(xiàn)出與關(guān)井求壓過程類似的變化規(guī)律。在體積控制流程中，套壓的時(shí)間導(dǎo)數(shù)可用于判定氣體上升速度和流型轉(zhuǎn)變，合理指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作。

4)置換流程中，壓井液注入時(shí)井口附近氣體壓縮產(chǎn)生的附加壓力將作用于井底，對(duì)于存在薄弱地層的情況要將此附加壓力考慮在內(nèi)，避免地層破裂。