譚世武 秦本良 吳 強(qiáng) 胡曉霞

中國(guó)石油新疆油田分公司井下作業(yè)公司工程技術(shù)科(新疆克拉瑪依834000)

小井眼鉆井井控技術(shù)

譚世武 秦本良 吳 強(qiáng) 胡曉霞

中國(guó)石油新疆油田分公司井下作業(yè)公司工程技術(shù)科(新疆克拉瑪依834000)

由于小井眼鉆井成本較常規(guī)鉆井低，并有利于環(huán)保，因此，小井眼鉆井已成為了一門熱門鉆井技術(shù)。新疆油田也進(jìn)行了小井眼鉆井試驗(yàn)，并取得了成功。根據(jù)井控技術(shù)的基本原理，對(duì)小井眼鉆井過(guò)程中的井控技術(shù)與常規(guī)井進(jìn)行了對(duì)比，闡述了小井眼鉆井過(guò)程中的井控控制。

小井眼鉆井井控技術(shù)

小井眼，顧名思義是相對(duì)于常規(guī)井眼尺寸偏小的井眼結(jié)構(gòu)，不同的國(guó)家定義不盡相同，有的認(rèn)為是完鉆井眼小于常規(guī)完鉆井眼215.9mm的井眼，還有的認(rèn)為是環(huán)空間隙小于25.4mm(1″)的井眼，而目前一般是把小于152.4mm(6″)的井眼定義為小井眼。小井眼可降低鉆井成本，并有利于環(huán)保，目前小井眼成為一項(xiàng)熱門鉆井技術(shù)，隨之而來(lái)的是如何控制小井眼鉆井過(guò)程中井控的問(wèn)題。

1 井控技術(shù)基本要素

1.1 基本參數(shù)及計(jì)算

1.1.1 內(nèi)容積及計(jì)算

內(nèi)容積是指鉆柱（或管柱）的容積。

式中V內(nèi)—內(nèi)容積m3；

D柱內(nèi)—鉆柱（或管柱）內(nèi)徑mm；

H柱—鉆柱（或管柱）長(zhǎng)度m。

1.1.2 環(huán)空容積及計(jì)算

環(huán)空容積是井眼（或套管）與鉆具之間的容積。

式中V環(huán)—單位環(huán)空容積m3；

D井—井眼直徑mm。

1.1.3 排替量及計(jì)算

排替量是井內(nèi)管柱排替井內(nèi)流體的體積。

（1）管柱水眼暢通時(shí)

式中V排—排替量m3；

D柱內(nèi)—鉆柱（或管柱）內(nèi)直徑mm。

（2）管柱水眼堵塞時(shí)

說(shuō)明：此時(shí)的管柱排替量等于管柱的外容積。

1.1.4 井底壓力及計(jì)算

井底壓力是井內(nèi)液柱壓力與其他垂直方向壓力的矢量和。由于井內(nèi)鉆井液柱壓力同時(shí)作用于井壁和井底，因此作業(yè)工況不同時(shí)，井底壓力是不一樣的。

井眼靜止：P井底=P靜液柱

正常循環(huán)：P井底=P靜液柱＋P環(huán)空損失

提鉆時(shí)：P井底=P靜液柱-P抽吸

下鉆時(shí)：P井底=P靜液柱＋P激動(dòng)

循環(huán)油氣侵時(shí)：P井底=P靜液柱＋P環(huán)空損失＋P節(jié)流回壓

環(huán)空壓力損失：

式中PV—鉆井液塑性黏度mPa.s；

ρ—鉆井液密度g/cm3；

Q—泵排量L/s；

D井、D柱外—井眼直徑、鉆柱（或管柱）內(nèi)直徑

cm。

1.1.5 鉆井液上返速度

式中v—鉆井液上返速度m/s。

1.2 基本原理

1.2.1 “U”形管原理及效應(yīng)

“U”形管原理是壓力平衡的基本原理。鉆井作業(yè)是以“U”形管原理為依據(jù)，在鉆井施工中，保持井底壓力等于或略大于地層壓力，即近平衡壓力鉆井。

當(dāng)“U”形管壓力達(dá)到平衡后，管底為一個(gè)壓力平衡點(diǎn)，此壓力為一個(gè)定值，可以通過(guò)任意一側(cè)的壓力獲得。以“U”形管原理可以分析鉆井時(shí)井內(nèi)的各種壓力平衡關(guān)系。

1.2.2 激動(dòng)壓力和抽吸壓力

當(dāng)鉆井液在井內(nèi)流動(dòng)時(shí)，與井壁及管壁產(chǎn)生摩擦阻力，其方向與鉆井液流動(dòng)方向是相反的。提鉆時(shí)，鉆井液會(huì)向下流動(dòng)補(bǔ)充鉆具提出產(chǎn)生的空隙，產(chǎn)生向上的阻力稱為抽吸壓力，可以減少鉆井液柱對(duì)井底的壓力，大的抽吸壓力，會(huì)誘使地層流體進(jìn)入井筒。下鉆時(shí)，鉆井液會(huì)向上流動(dòng)被擠出井筒，此時(shí)產(chǎn)生的阻力方向向下，會(huì)給地層施加一個(gè)額外的激動(dòng)壓力，大的激動(dòng)壓力，會(huì)造成井漏。

從對(duì)底層增加的壓力來(lái)看，激動(dòng)壓力為正值，抽吸壓力為負(fù)值，影響這2個(gè)壓力的因素主要包括：起下管柱的速度、鉆井液黏度、鉆井液靜切力、鉆井液密度、井眼和管柱之間的環(huán)形空隙。

2 小井眼鉆井的井控技術(shù)

2.1 小井眼的井控特點(diǎn)

2.1.1 環(huán)空間隙小，對(duì)溢流更敏感

以克拉瑪依油田紅淺井區(qū)觀察001井為例：二開鉆頭尺寸為152.4mm，鉆具尺寸為127mm，對(duì)比常規(guī)鉆井鉆頭尺寸215.9mm，假設(shè)鉆井液密度為1.20g/cm3,溢流物為水，溢流量為1m3，由式（2）、（6）計(jì)算得出：

由上述計(jì)算可以得出下面2個(gè)結(jié)論：①相同溢流量情況下，小井眼井底壓力降低值是常規(guī)井眼的4倍左右；②相同排量下，小井眼的上返速度是常規(guī)井眼的4倍多。

由上述計(jì)算及結(jié)論可以看出，小井眼與常規(guī)井眼相比，單位環(huán)空容積小，在相同溢流量下，流體在環(huán)空中占的高度高，上返速度快，對(duì)溢流有很強(qiáng)的敏感性。從井控控制來(lái)看，流體在井筒中侵入高度越高，控制難度越大。因此相同地層情況在發(fā)生溢流時(shí)，小井眼井更難控制，更容易失控。

2.1.2 小井眼鉆井起鉆作業(yè)時(shí)更容易產(chǎn)生抽吸，造成溢流或井噴的可能性越大

小井眼由于環(huán)空間隙小，在相同條件下，相同鉆具的排替量在小井眼環(huán)空占的比例高，單位時(shí)間內(nèi)，鉆井液補(bǔ)充的速度快，產(chǎn)生的向上的阻力，即抽吸壓力就會(huì)大，更容易抽吸造成溢流甚至井噴。

影響抽吸壓力的因素有起鉆的速度、鉆井液的切力和黏度、鉆頭泥包情況等，其中最主要的是起鉆速度，起鉆速度在0.1m/s時(shí)，產(chǎn)生的抽吸壓力位1.357MPa，當(dāng)量鉆井液比重是0.03g/cm3；起鉆速度在1.0m/s時(shí)，產(chǎn)生的抽吸壓力位3.770MPa，當(dāng)量鉆井液比重是0.084g/cm3。因此，控制起鉆速度，能最大限度的減少抽吸壓力。

2.1.3 循環(huán)壓力損失大

循環(huán)壓力損失包括：地面管匯、鉆柱內(nèi)、鉆頭水眼和環(huán)空壓力損失。

以克拉瑪依油田紅淺井區(qū)觀察002井為例，二開鉆頭尺寸為152.4mm，鉆具尺寸為127mm，對(duì)比常規(guī)鉆井鉆頭尺寸215.9mm，假設(shè)鉆井液密度為1.20g/cm3，塑性黏度26mPa.s，排量28L/s，由式（5）計(jì)算得出：

常規(guī)井眼環(huán)空壓力損失：

小井眼環(huán)空壓力損失：

由上述計(jì)算可以得出，相同條件下，小井眼環(huán)空壓力損失比常規(guī)井眼環(huán)空壓力損失大得多，超過(guò)60多倍。在小井眼中，環(huán)空壓力損失可占到泵壓的90%，甚至更多，而在常規(guī)井眼中，環(huán)空壓力損失僅為泵壓的10%左右。另有小井眼中鉆柱的旋轉(zhuǎn)對(duì)環(huán)空壓降的影響也很大，隨著鉆柱的高速旋轉(zhuǎn)，環(huán)空壓降會(huì)顯著增加。

環(huán)空壓力損失越大，鉆井過(guò)程中要平衡相同地層壓力，需要的鉆井液柱壓力就會(huì)越小，鉆井液的密度就會(huì)越小，當(dāng)停止循環(huán)靜止時(shí)，液柱壓力則不能平衡地層壓力；當(dāng)液柱壓力能平衡地層壓力時(shí)，循環(huán)時(shí)，過(guò)大的循環(huán)壓力損失，會(huì)導(dǎo)致井漏，先漏后噴，致使井控復(fù)雜。

2.2 小井眼溢流檢測(cè)技術(shù)

常規(guī)鉆井溢流檢測(cè)主要是通過(guò)觀測(cè)鉆井液罐液面的增量。這種檢測(cè)方法的靈敏度主要取決于液面報(bào)警儀和坐崗人員的責(zé)任心，一般要等到鉆井液罐的增量達(dá)到2m3以上才能檢測(cè)到井涌。

小井眼鉆井溢流時(shí)，反應(yīng)時(shí)間短，不能單純依靠鉆井液罐增量來(lái)檢測(cè)溢流，必須應(yīng)用新的方法來(lái)提高檢測(cè)精度和靈敏度,可采用的主要方法有：①出入口流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢流檢測(cè)方法。在鉆井液入井口和返出口上安裝電磁流量計(jì)，實(shí)時(shí)記錄入口、出口的流量，并繪成實(shí)時(shí)曲線，可從曲線的變化來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流，靈敏度較高；②鉆井液流出量、立管壓力實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)比檢測(cè)方法。實(shí)時(shí)采集鉆井液流出量和立管壓力，記錄實(shí)測(cè)值，利用井筒動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)鉆井液流出量和立管壓力，將實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩者之間的偏差及時(shí)判斷是否發(fā)生了溢流；③其它溢流檢測(cè)方法。鉆井液流量波測(cè)量方法；鉆井泵壓力波的往復(fù)傳播時(shí)間測(cè)量方法，此方法是根據(jù)波在氣體中的傳播速度比在鉆井液中慢，發(fā)生氣侵時(shí)傳播時(shí)間會(huì)急劇增加。

2.3 小井眼壓井方法

由式（2）可知，小井眼環(huán)空體積小，對(duì)溢流敏感，從發(fā)生溢流到發(fā)現(xiàn)溢流的時(shí)間短，并且小井眼環(huán)空壓力損失很大，可占到泵壓的90%，因此小井眼壓井一般不能采用常規(guī)壓井方法，通常采用動(dòng)態(tài)壓井法。

2.3.1 動(dòng)態(tài)壓井法(動(dòng)平衡壓井法)

利用循環(huán)鉆井液時(shí)產(chǎn)生的壓力損失來(lái)控制地層壓力。以克拉瑪依油田紅淺井區(qū)觀察003井為例，二開鉆頭尺寸為152.4mm，鉆具尺寸為127mm，鉆井液密度為1.20g/cm3，塑性黏度26mPa·s，由式（5）計(jì)算得出：

（1）排量為24L/s時(shí)：

（2）排量為28L/s時(shí)：

由上述計(jì)算可以看出，通過(guò)改變排量，可以改變環(huán)空壓力損失，從而控制小井眼的井底壓力，進(jìn)而控制溢流，而不需要加重鉆井液。

2.3.2 動(dòng)態(tài)壓井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

①實(shí)時(shí)環(huán)空壓力損失監(jiān)測(cè)：鉆井過(guò)程中，通過(guò)改變泵排量，記錄下不同排量下的實(shí)測(cè)環(huán)空壓力損失，以備動(dòng)態(tài)壓井時(shí)使用;②鉆進(jìn)溢流時(shí)控制：現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到發(fā)生溢流時(shí)，應(yīng)立即增大循環(huán)排量，通過(guò)增大對(duì)井底的壓力，來(lái)平衡地層壓力，阻止地層流體進(jìn)一步侵入井筒；在不停鉆的情況下，可通過(guò)提高鉆具的轉(zhuǎn)速來(lái)增大環(huán)空壓力損失來(lái)控制溢流。

2.3.3 動(dòng)態(tài)壓井法的優(yōu)點(diǎn)

動(dòng)態(tài)壓井法與常規(guī)壓井的等待加重法和司鉆法相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不用加重鉆井液；可以盡快地實(shí)施壓井作業(yè)；可最大限度地減小套管鞋處的壓力。

常規(guī)壓井是利用節(jié)流套壓（井口回壓）來(lái)增大井底壓力，井內(nèi)任意深度處所受的壓力等于該深度以上鉆井液柱壓力與井口套壓之和。而動(dòng)態(tài)壓井時(shí)，由于環(huán)空壓力損失是均勻作用在整個(gè)井壁上的，井壁上任意深度處所受的壓力等于該深度以上鉆井液柱壓力與環(huán)空壓降之和。因此，對(duì)裸眼井段而言，動(dòng)態(tài)壓井比常規(guī)壓井對(duì)井壁產(chǎn)生的壓力要小。

2.3.4 動(dòng)態(tài)法壓井應(yīng)注意事項(xiàng)

①采用動(dòng)態(tài)壓井法時(shí)，取全地層壓力預(yù)測(cè)值和不同排量下的環(huán)空壓力損失。影響環(huán)空壓力損失大小的因素包括：鉆井液泵的功率、井徑、井深、鉆井液性能、鉆柱直徑等；②動(dòng)態(tài)壓井主要依靠環(huán)空壓力損失來(lái)平衡地層壓力，由于影響環(huán)空壓力損失的因素較多，因此不容易控制、量化，可能容易壓漏地層，從而造成井控的進(jìn)一步復(fù)雜。

所以小井眼壓井的方法，也應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況來(lái)確定。具體考慮的因素包括：壓井過(guò)程中施加給井眼內(nèi)薄弱地層的最大靜壓力；循環(huán)壓力損失；井內(nèi)薄弱地層處的破裂壓力。

比較壓井最大靜液柱壓力與循環(huán)壓力損失之和與地層破裂壓力之間的大小，以確定是否可以利用動(dòng)態(tài)壓井法壓井。

2.4 小井眼鉆井的井控技術(shù)措施

①合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)，確保高的地層承壓能力；②合理選用鉆井液性能，滿足近平衡壓力鉆井；③起鉆時(shí)應(yīng)做到連續(xù)灌漿或按井控實(shí)施細(xì)則規(guī)定灌漿；④嚴(yán)格控制起下鉆速度，及時(shí)調(diào)整鉆井液性能；⑤利用有效的溢流檢測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流；⑥標(biāo)準(zhǔn)化安裝井控裝置，確保發(fā)生溢流或井噴時(shí)能迅速控制井口，能在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)井內(nèi)壓力平衡；⑦井場(chǎng)儲(chǔ)備一定量加重鉆井液和加重材料；⑧根據(jù)井深、鉆具的不同，選擇合適的循環(huán)排量。

3 結(jié)束語(yǔ)

小井眼由于其井眼尺寸小的特殊性，在鉆井作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)區(qū)別于常規(guī)井井控進(jìn)行處置，制定針對(duì)性的井控技術(shù)措施，尤其是提高溢流檢測(cè)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，早發(fā)現(xiàn)、早關(guān)井、早處置，做到“發(fā)現(xiàn)溢流，及時(shí)關(guān)井；疑似溢流，關(guān)井檢查；預(yù)測(cè)溢流，關(guān)井循環(huán)”。

[1]鉆井手冊(cè)(甲方)編寫組.鉆井手冊(cè)(甲方)(上冊(cè))[M].北京:石油工業(yè)出版社,1990,59-144.

[2]石油天然氣鉆井井控編寫組.石油天然氣鉆井井控[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008,26-93.

[3]陳庭根,管志川.鉆井工程理論與技術(shù)[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社.2000,142-165.

[4]石油天然氣井下作業(yè)井控編寫組.石油天然氣井下作業(yè)井控[M].北京:石油工業(yè)出版社.2008,18-50.

Slim-hole drilling has become one popular drilling technology because its cost is lower compared with regular drilling and it is beneficial to environment protection.The test of slim-hole drilling was conducted in Xinjiang oilfields and succeeded at last.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 the well-control technology in the process of slim-hole drilling is explained.

slim-hole;drilling;well-control technology

2010-12-14▎

譚世武（1978-），男，工程師，現(xiàn)主要從事井控、鉆井及井下作業(yè)工程技術(shù)管理工作。