任永利，蔣洪波，韓忠青，楊云鵬，禹貴成

中國石油塔里木油田分公司 監(jiān)督中心（新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

鉆開油氣層后，地層中的油氣以擴(kuò)散和滲濾兩種形式進(jìn)入鉆井液并沿井筒上竄，單位時(shí)間內(nèi)的油氣上竄高度稱為油氣上竄速度[1]，是定性評(píng)價(jià)油氣活躍程度、指導(dǎo)鉆井安全施工的重要參數(shù)，鉆井現(xiàn)場通過短程起下鉆并應(yīng)用遲到時(shí)間法檢測油氣上竄速度，該方法受到遲到時(shí)間、循環(huán)排量等多種因素影響，且未考慮下鉆時(shí)鉆具排替、復(fù)合鉆具與井身結(jié)構(gòu)的組合、油氣相對(duì)鉆井液運(yùn)移的影響，弊端明顯，誤差較大，尤其在塔里木油田明確短程起下鉆檢測油氣上竄速度時(shí)，起至管鞋或安全井段直接下鉆的新要求下，鉆井液靜止時(shí)間變短，計(jì)算誤差成倍增加。通過調(diào)研大量文獻(xiàn)[2-6]，發(fā)現(xiàn)眾多學(xué)者對(duì)油氣上竄速度計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，雖然在一定程度上提高了計(jì)算精度，但是這些方法或考慮因素單一，或計(jì)算繁瑣不符合鉆井現(xiàn)場實(shí)際，無法滿足新形勢下塔里木盆地超深井需準(zhǔn)確檢測油氣上竄速度的要求。

因此，基于油氣運(yùn)移過程對(duì)“遲到時(shí)間法”進(jìn)行修正，修正后的計(jì)算方法更加貼近鉆井液從靜止（一般為短程起下鉆時(shí)間）到再次開泵見顯示整個(gè)過程中油氣在井筒內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，新方法計(jì)算精度更高，對(duì)現(xiàn)場定性評(píng)價(jià)油氣活躍程度、準(zhǔn)確指導(dǎo)鉆井安全施工具有重要意義。

1 短程起下鉆檢測油氣上竄速度的方法及原理

鉆井現(xiàn)場檢測油氣上竄速度一般采取短程起下鉆的方式進(jìn)行，新版《塔里木油田鉆井井控實(shí)施細(xì)則》要求：短程起下鉆應(yīng)起到安全井段，直井至少起10～15柱，水平井（大斜度井）起到直井段，然后直接下鉆到底循環(huán)，檢測油氣上竄速度。與以往不同的是減少了靜止觀察時(shí)間，即鉆井液靜止一段時(shí)間后（一般為短程起下鉆時(shí)間），開泵錄取后效資料，再通過“遲到時(shí)間法”計(jì)算所得。

式中：H油為油氣層深度，m；H鉆頭為循環(huán)時(shí)鉆頭深度，m；t為從開泵循環(huán)至見油氣顯示的時(shí)間，min；t遲為鉆頭深度的遲到時(shí)間，min；t靜為靜止時(shí)間，min。

上述計(jì)算方法是將全井筒視為等徑，短程起下鉆期間，鉆井液完全靜止的情況下，用油層位置減去開泵后油氣隨鉆井液上返高度，得到靜止時(shí)間內(nèi)油氣上竄高度，繼而得到油氣上竄速度。而實(shí)際下鉆過程中，由于下部鉆具下入油氣界面以下會(huì)引起油氣界面上升；下鉆到底開泵循環(huán)，為了防止開泵過快，憋漏地層，通常采取小排量頂通，再逐漸提高至正常循環(huán)排量，且中途可能存在倒泵等特殊情況，導(dǎo)致遲到時(shí)間和實(shí)測值往往存在偏差；開泵到見顯示整個(gè)過程中，油氣不僅隨鉆井液上返，還存在與上返鉆井液的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。以上3個(gè)因素都是“遲到時(shí)間法”計(jì)算油氣上竄速度的重要誤差來源。

很顯然，“遲到時(shí)間法”計(jì)算結(jié)果較為保守，計(jì)算值偏大，以此為根據(jù)評(píng)估鉆井施工中的井控安全，往往不會(huì)存在井控風(fēng)險(xiǎn)。但是當(dāng)計(jì)算出的油氣上竄速度不滿足下步施工井控安全時(shí)，現(xiàn)場往往采取循環(huán)提密度、起鉆至一定高度壓重漿帽等措施來抑制油氣上竄，調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合塔中某口風(fēng)險(xiǎn)探井實(shí)鉆資料[7]發(fā)現(xiàn)，提高鉆井液密度只能降低后效全烴值，并不能有效降低油氣上竄速度，相反會(huì)使油氣上竄速度越來越高，而對(duì)于壓力敏感性地層，由于計(jì)算誤差造成對(duì)井下情況的誤判而采取的以上不合理措施，會(huì)導(dǎo)致井漏等井下復(fù)雜以及漏轉(zhuǎn)溢的井控風(fēng)險(xiǎn)。

2 短程起下鉆期間油氣運(yùn)移規(guī)律

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，為便于后續(xù)理論計(jì)算，更直觀地認(rèn)識(shí)油氣上竄規(guī)律，需對(duì)短程起下鉆及油氣上竄作如下限定：①短程起鉆前充分循環(huán)1.5周以上，進(jìn)出口密度差不大于0.02 g/cm3,徹底排除已被油氣侵入的鉆井液；②井眼狀況良好，短起下無嚴(yán)重阻卡，中途不開泵沖劃；③油氣層以上300 m井段內(nèi)起鉆速度不超過0.3 m/s，最大限度排除起鉆抽汲對(duì)油氣上竄速度的影響；④油氣上竄過程中不考慮在鉆井液中的滑脫和體積膨脹；⑤油氣從井底到井口運(yùn)移過程中速度為勻速；⑥為防范井控風(fēng)險(xiǎn)，鉆開油氣層后鉆具內(nèi)帶浮閥。

2.1 停泵短起下過程

停泵短起下，以擴(kuò)散和滲濾兩種方式進(jìn)入井筒的油氣受到浮力、自身重力、界面張力作用，當(dāng)向上的浮力大于自身重力和界面張力之和時(shí)，油氣就沿鉆井液自動(dòng)上升，在短起下鉆時(shí)間內(nèi)上竄高度為h靜；下鉆過程中，鉆頭必然要穿過油氣界面，下至油層位置以下，下入油氣界面以下的鉆具會(huì)導(dǎo)致油氣界面進(jìn)一步升高，此為鉆具排替高度Δh，根據(jù)鉆頭位置與油氣層位置的相對(duì)關(guān)系，可分為從油氣界面上、下兩種方式下鉆。

2.1.1 從油氣界面上部下鉆

根據(jù)起鉆前鉆頭位置、油氣層位置及短起鉆完鉆頭位置之間的相對(duì)位置關(guān)系，短起鉆完面臨從油氣界面上部或者下部下鉆兩種可能性，若滿足下式則從油氣界面上部下鉆，否則從油氣界面下部下鉆：

鉆具進(jìn)入油氣界面后排開鉆井液的體積等于油氣界面上升高度的環(huán)空容積：

式中：V上-下為鉆具從h鉆頭上到h鉆頭下段的鉆具閉排體積，m3；h鉆頭上為短起鉆完時(shí)的鉆頭位置，m；h鉆頭下為下鉆完的鉆頭位置，m；h鉆井液為開泵見顯示過程中鉆井液頂替高度，m；A為(h鉆頭上-h鉆井液)段對(duì)應(yīng)的環(huán)空截面積，m2；A鉆具為鉆具閉排截面積，m2；A裸眼為裸眼截面積，m2。

從油氣界面上部下鉆時(shí)的鉆具排替高度為：

2.1.2 從油氣界面下部下鉆

若短起鉆完從油氣下部下鉆，則公式變?yōu)椋?/p>

從油氣界面下部下鉆時(shí)的鉆具排替高度為：

2.2 開泵見顯示過程

短起下鉆完，開泵錄取后效資料，此過程中鉆井液攜帶油氣上返，至出口見顯示止，令鉆井液頂替高度為h替，通過計(jì)算鉆井液頂替高度[8]，既可以避免求取遲到時(shí)間引起的誤差，又能充分考慮鉆具組合和井身結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.1 鉆井液推動(dòng)油氣界面上返的高度

鉆井液推動(dòng)油氣界面上移的高度對(duì)應(yīng)的環(huán)空容積等于環(huán)空鉆井液排除的體積。

式中：S為開泵到見顯示的總泵沖，沖；n為泵每沖的排量，L/沖；V出為開泵到見顯示排出鉆井液的體積，m3；Hi為第i段鉆具與對(duì)應(yīng)井身結(jié)構(gòu)的有效長度，m；Ai為第i段鉆具與對(duì)應(yīng)井身結(jié)構(gòu)的環(huán)空截面積，m2。

判斷油氣界面在某一段鉆具與井身結(jié)構(gòu)的組合中，若滿足以下不等式：

則說明油氣界面在第i段鉆具與井身結(jié)構(gòu)組合中，由此可進(jìn)一步計(jì)算油氣界面在第i段鉆具與井身結(jié)構(gòu)組合中的長度Hi：

鉆井液頂替高度為：

2.2.2 油氣界面相對(duì)鉆井液向上運(yùn)移

開泵到見顯示過程中，油氣不僅隨著鉆井液沿井筒上返，還存在與上返鉆井液的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。不考慮上竄過程中油氣在鉆井液中的滑脫和體積膨脹，且認(rèn)為油氣從井底到井口運(yùn)移過程中速度為勻速，則油氣相對(duì)上返鉆井液的速度為油氣上竄速度v：

式中：v相對(duì)為油氣相對(duì)上返鉆井液的速度，m/h；t靜為鉆井液靜止時(shí)間，h；h靜為短起下鉆時(shí)間內(nèi)油氣上竄高度，m。

3 “遲到時(shí)間法”修正

基于“遲到時(shí)間法”計(jì)算油氣上竄度速度見式（1）。通過對(duì)油氣上竄過程分析可知：

將式（14）代入式（13）整理后得：

將式（16）代入式（15）整理后得：

式中：v鉆井液×t見為開泵見顯示鉆井液頂替高度，m；t靜+t見為短起下鉆從停泵靜止到再次開泵見顯示時(shí)間，h。即：

4 實(shí)例應(yīng)用

以塔里木油田阿深1號(hào)構(gòu)造上的一口風(fēng)險(xiǎn)探井QT1井為例，該井鉆進(jìn)至井深6 217.37 m，油氣層顯示層位置5 821 m，鉆具組合：241.3 mm鉆頭+177.8 mm鉆鋌×17根+柔性短節(jié)+177.8 mm隨鉆震擊器+177.8 mm鉆鋌×3根+139.7 mm加重鉆桿×15根+139.7 mm鉆桿+149.2 mm鉆桿，井身結(jié)構(gòu)為：273.05 mm套管×13.84 mm×5 447 m+241.3mm裸眼×770 m，短起鉆完鉆頭位置5 440 m，開泵時(shí)鉆頭位置6 205 m，靜止時(shí)間8.2 h，開泵見顯示時(shí)間1.4 h，開泵見顯示總泵沖為7 354沖，缸套直徑170 mm，沖程305 mm，泵上水效率95%，泵每沖排量19.7 L，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 復(fù)合鉆具與井身結(jié)構(gòu)組合

開泵到見顯示時(shí)間段內(nèi)排出鉆井液體積為145 m3，大于149.2 mm鉆桿×2 574 m段對(duì)應(yīng)環(huán)空容積，小于149.2 mm鉆桿×2 574 m段對(duì)應(yīng)環(huán)空容積與139.7 mm鉆桿×2 873 m段對(duì)應(yīng)環(huán)空容積之和，因此，開泵前油氣界面在139.7 mm鉆桿×2 873 m段對(duì)應(yīng)環(huán)空之中，根據(jù)式（11）求得鉆井液頂替高度為4 878 m，從短起鉆完鉆頭位置到開泵時(shí)鉆頭位置的鉆具總閉排容積為13.8 m3，小于短起鉆完鉆頭位置到開泵時(shí)油氣界面位置段對(duì)應(yīng)的環(huán)空容積為17.4m3，因此短起鉆完下鉆時(shí)是從油氣界面下部下鉆，根據(jù)式（6）得出鉆具排替高度為446 m。

將以上數(shù)據(jù)代入式（18）得出油氣上竄速度為51.7 m/h。而應(yīng)用遲到時(shí)間法，即式（1），計(jì)算結(jié)果為115.6 m/h。

5 結(jié)論

短起鉆完不專門靜止即下鉆測后效的大背景下，傳統(tǒng)“遲到時(shí)間法”受到泵排量、遲到時(shí)間、靜止時(shí)間等多重因素影響，計(jì)算誤差較大，以此為根據(jù)，評(píng)估鉆井施工中的井控安全往往不夠準(zhǔn)確。當(dāng)計(jì)算出的油氣上竄速度不滿足下步施工井控安全時(shí)，現(xiàn)場往往采取循環(huán)提密度、起鉆至一定高度壓重漿帽等措施來抑制油氣上竄，不合理的措施可能導(dǎo)致井漏等井下復(fù)雜以及漏轉(zhuǎn)溢的井控風(fēng)險(xiǎn)。

修正后的計(jì)算方法基于短起下鉆油氣運(yùn)移規(guī)律，綜合考慮了鉆具排替、油氣相對(duì)鉆井液的運(yùn)移、復(fù)合鉆具與井身結(jié)構(gòu)的組合影響，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，對(duì)現(xiàn)場定性評(píng)價(jià)油氣活躍程度、準(zhǔn)確指導(dǎo)鉆井安全施工具有重要意義。