孫曉波

(中國(guó)石化勝利石油工程有限公司西南分公司,四川德陽(yáng) 618000)

對(duì)于油氣層中安全起下鉆應(yīng)具備的條件,國(guó)內(nèi)油氣井施工現(xiàn)場(chǎng)大多以油氣上竄速度是否滿(mǎn)足要求作為判斷依據(jù)。不同領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)油氣在鉆井液中沿井筒上升過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究[1-4],油氣在鉆井液中的受力狀態(tài)及其產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并非簡(jiǎn)單的勻速運(yùn)動(dòng),而現(xiàn)有油氣上竄速度計(jì)算公式還不能對(duì)油氣上竄的實(shí)際情況進(jìn)行描述。國(guó)外各大公司的相關(guān)井控標(biāo)準(zhǔn)中很少提及油氣上竄速度,國(guó)內(nèi)各級(jí)井控標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)油氣上竄速度具體達(dá)到什么數(shù)值才能滿(mǎn)足起下鉆條件的要求也不統(tǒng)一;油氣井施工現(xiàn)場(chǎng)一般采取較為保守的遲到時(shí)間法計(jì)算油氣上竄速度,根據(jù)油氣上竄速度的具體數(shù)值確定是否滿(mǎn)足起鉆條件。

1 井控標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)油氣上竄速度的要求

起鉆前井筒條件安全是起鉆過(guò)程中不發(fā)生井控事件的基礎(chǔ)條件,因此起鉆前必須首先確認(rèn)井內(nèi)壓力系統(tǒng)已處于穩(wěn)定狀態(tài),正如有學(xué)者所說(shuō)“任何起鉆作業(yè)在鉆頭離開(kāi)井底前,必須做好井控工作。起鉆作業(yè)常使井控問(wèn)題突然出現(xiàn),正如經(jīng)常發(fā)生的情況,由于在檢測(cè)出問(wèn)題時(shí)才進(jìn)行井控工作,井眼情況已惡化,井控問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜[5]。目前,起鉆前確認(rèn)井筒條件是否安全的工藝方法,國(guó)內(nèi)外沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),有必要對(duì)安全起鉆條件進(jìn)行進(jìn)一步探討。

1.1 國(guó)內(nèi)相關(guān)井控標(biāo)準(zhǔn)要求

短起下鉆、測(cè)量油氣上竄速度是否滿(mǎn)足起鉆條件,已作為國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)油氣層施工過(guò)程中保證井控安全的一項(xiàng)必不可少的程序,在鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的井控風(fēng)險(xiǎn)差異較大,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,都未對(duì)油氣上竄速度的具體數(shù)值做出明確規(guī)定,各施工區(qū)域制定的實(shí)施細(xì)則對(duì)油氣上竄速度基本都提出了相關(guān)要求,但對(duì)油氣上竄速度的計(jì)算方法及達(dá)到哪個(gè)數(shù)值能夠滿(mǎn)足安全起下鉆的條件等仍不統(tǒng)一。

1.1.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求短程起下鉆后再下入井底循環(huán)觀察,油氣上竄速度滿(mǎn)足安全作業(yè)時(shí)間,方可進(jìn)行下步作業(yè)[6],該標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)短程起下鉆的具體做法及油氣上竄速度的具體數(shù)值做出明確規(guī)定,但要求油氣上竄速度滿(mǎn)足安全作業(yè)時(shí)間。

石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求在鉆開(kāi)含硫化氫油氣層后,起鉆前應(yīng)先進(jìn)行短程起下鉆。短程起下鉆后的循環(huán)鉆井液觀察時(shí)間應(yīng)達(dá)到一周半以上,進(jìn)出口鉆井液密度差不超過(guò)0.02 g/cm3;短程起下鉆應(yīng)測(cè)油氣上竄速度,滿(mǎn)足安全起下鉆作業(yè)要求[7]。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)短程起下鉆的具體工藝措施做了較為詳細(xì)的規(guī)定,對(duì)鉆井液密度差做了較為明確的規(guī)定,未提及油氣上竄速度的具體要求。

1.1.2 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求短程起下鉆的基本做法如下:①一般情況下試起10柱～15柱鉆具或起至套管鞋,再下入井底循環(huán)觀察一個(gè)循環(huán)周,若鉆井液無(wú)油氣侵或油氣上竄速度滿(mǎn)足安全作業(yè)時(shí)間,則可正式起鉆,否則,應(yīng)循環(huán)排除受侵污鉆井液并適當(dāng)調(diào)整鉆井液密度至短程起下鉆正常后再起鉆;②特殊情況時(shí)(需長(zhǎng)時(shí)間停止循環(huán)或井下復(fù)雜時(shí)),將鉆具起至套管鞋內(nèi)或安全井段,停泵觀察一個(gè)起下鉆周期或停泵所需的等值時(shí)間,再下入井底循環(huán)觀察一個(gè)循環(huán)周,若鉆井液無(wú)油氣侵或油氣上竄速度滿(mǎn)足安全作業(yè)時(shí)間,則可正式起鉆,否則,應(yīng)調(diào)整處理鉆井液[8]。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)短程起下鉆的具體做法做了詳細(xì)規(guī)定,對(duì)有無(wú)油氣侵做了較為明確的規(guī)定,未對(duì)油氣上竄速度的具體數(shù)值做明確規(guī)定,但要求油氣上竄速度滿(mǎn)足安全作業(yè)時(shí)間。

中國(guó)石化井控管理規(guī)定中要求進(jìn)行低泵沖試驗(yàn)。起鉆前應(yīng)測(cè)油氣上竄速度,確保油氣上竄速度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn);下鉆完畢應(yīng)測(cè)油氣后效,高壓氣層排完后效再正常鉆進(jìn)[9]。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)進(jìn)入油氣層主要井控措施進(jìn)行了全面的總結(jié),未對(duì)相關(guān)具體數(shù)值做明確規(guī)定,但要求油氣上竄速度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定短程起下鉆的基本做法是循環(huán)至少兩周,氣測(cè)全量值小于10%且處于下降的趨勢(shì),溢流檢查后,若無(wú)溢流,則可起鉆;否則,應(yīng)循環(huán)排除受侵鉆井液內(nèi)氣體,并適當(dāng)調(diào)整鉆井液密度后再起鉆[10]。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣測(cè)全烴值的具體數(shù)值做了明確的規(guī)定,并提出了國(guó)外普遍使用的溢流檢查的概念。

1.1.3 各區(qū)域井控細(xì)則

各區(qū)域的井控細(xì)則較多,對(duì)油氣上竄速度的具體算法以及能夠安全起鉆的油氣上竄速度達(dá)到的具體數(shù)值等的規(guī)定不完全統(tǒng)一。有的地區(qū)明確規(guī)定了油氣上竄速度,使用遲到時(shí)間法計(jì)算;有的地區(qū)將安全作業(yè)時(shí)間明確為起下一趟鉆需要的時(shí)間(h)+10 h小于油氣上竄到井口的時(shí)間(h),在一趟起下鉆時(shí)間內(nèi)油氣上竄距井口1 000 m以下或者油氣上竄速度按作業(yè)周期內(nèi)控制不超過(guò)儲(chǔ)層頂部井深1/3～1/2(即控制時(shí)間的安全系數(shù)為2～3);有的地區(qū)將油氣上竄速度的數(shù)值限定為不超過(guò)10 m/h或小于30 m/h;有的地區(qū)針對(duì)不同井型、不同井深、不同層位,將短程起下鉆的具體做法及油氣上竄速度的具體數(shù)值進(jìn)行了更細(xì)致地劃分。

1.2 國(guó)外相關(guān)井控標(biāo)準(zhǔn)要求

國(guó)外各大公司相關(guān)的井控操作指南(Well Control Mannual)對(duì)油氣上竄速度并無(wú)特殊要求,在其規(guī)定的起鉆程序(Tripping Procedures)中,大都提及溢流檢查(flowcheck)的概念,并對(duì)溢流檢查的施工節(jié)點(diǎn)、溢流檢查的時(shí)間長(zhǎng)短等做出了明確的規(guī)定。

2 油氣上竄速度計(jì)算數(shù)值的探討

油氣上竄速度傳統(tǒng)的計(jì)算方法主要有遲到時(shí)間法、容積法、相對(duì)時(shí)間法等,不同計(jì)算方法得出的油氣上竄速度會(huì)有一定的差異,同一種計(jì)算方法因現(xiàn)場(chǎng)操作人員取值的差異,得出的油氣上竄速度的數(shù)值也會(huì)有一定的差異。本文以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的遲到時(shí)間法為例[11],現(xiàn)場(chǎng)使用的油氣上竄速度計(jì)算的數(shù)值,主要作為下步施工的參考依據(jù),但油氣在井筒內(nèi)的實(shí)際運(yùn)移規(guī)律與計(jì)算的數(shù)值并不相符。

2.1 油氣上竄速度計(jì)算方法的探討

目前,國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的計(jì)算油氣上竄速度的方法為遲到時(shí)間法,其具體計(jì)算公式如下:

(1)

式中:v為油氣上竄速度,m/h;Hy為油氣層頂部深度,m;Hzt為循環(huán)鉆井液時(shí)鉆頭所在深度,m;tc為鉆頭所在深度遲到時(shí)間,h;t為從開(kāi)泵循環(huán)到見(jiàn)到油氣顯示的時(shí)間,h;tj為從停泵起鉆至本次開(kāi)泵的總靜止時(shí)間,h。

2.1.1 參數(shù)取值

對(duì)于同一口井,該計(jì)算方法會(huì)因參數(shù)取值差產(chǎn)生誤差。計(jì)算公式的右邊涉及5個(gè)參數(shù),其中油氣層頂部深度Hy、循環(huán)鉆井液時(shí)鉆頭所在深度Hzt為定值;從開(kāi)泵循環(huán)到見(jiàn)到油氣顯示的時(shí)間t,基本已達(dá)成共識(shí),取全烴曲線(xiàn)第一個(gè)明顯的拐點(diǎn);鉆頭所在深度遲到時(shí)間tc,按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)每隔50～100 m現(xiàn)場(chǎng)需用指示物或電石實(shí)測(cè)(遲到時(shí)間=實(shí)測(cè)的循環(huán)周-指示物在管柱內(nèi)的下行時(shí)間),該數(shù)值受泵的上水效率、鉆具在井內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等影響較大且該數(shù)值并非連續(xù)測(cè)量而是階段性測(cè)量,現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算中可能造成不同的取值;從停泵起鉆至本次開(kāi)泵的總靜止時(shí)間tj,因多數(shù)情況下現(xiàn)場(chǎng)需緩慢開(kāi)泵至正常排量,取值上可能產(chǎn)生差異。

2.1.2 誤差

對(duì)于不同的井,計(jì)算方法產(chǎn)生的誤差不同。在實(shí)際應(yīng)用中,計(jì)算方法會(huì)因井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、井下情況(鉆柱底部下過(guò)油氣上竄界面的深度不同會(huì)導(dǎo)致因鉆具排替導(dǎo)致油氣上竄界面上升不同的高度)等的變化產(chǎn)生不同的誤差,也就是說(shuō)該計(jì)算方法在不同的情況下計(jì)算精度會(huì)有較大差異,由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)具體問(wèn)題做出相應(yīng)的說(shuō)明,因此現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算的精度不會(huì)更高,最終導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)有可能用不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)指導(dǎo)下步施工。

2.2 油氣上竄規(guī)律的探討

實(shí)際開(kāi)井條件下,在氣體上竄過(guò)程中,根據(jù)玻意耳定律,由于壓力降低,氣體的體積將迅速膨脹,氣液兩相流態(tài)可能發(fā)生變化,造成氣體并非勻速上竄,因此計(jì)算的油氣上竄速度與氣體實(shí)際上竄速度會(huì)有差異。井下鉆井液流變參數(shù)存在差異性,井下環(huán)境的多樣性,要想精確計(jì)算出井筒內(nèi)侵入流體的運(yùn)移速度并非易事。

3 安全起鉆條件探討及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 安全起鉆條件的程序探討

鉆井施工過(guò)程中,地層流體主要以巖屑?xì)馇帧⒅亓χ脫Q氣侵、濃度擴(kuò)散氣侵、壓差氣侵、抽汲氣侵等5種方式進(jìn)入井筒,但無(wú)論是哪種方式,只要有足夠多的地層流體進(jìn)入井筒,能夠引起負(fù)壓差,井筒壓力系統(tǒng)就會(huì)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。也就是說(shuō),對(duì)于同一個(gè)井筒,在其他各項(xiàng)條件不變的情況下,能夠引起井筒不穩(wěn)定狀態(tài)的首先是進(jìn)入井筒的地層流體的量,地層流體進(jìn)入井筒的方式則在一定程度上決定了處理氣侵的方式(是否需要進(jìn)行節(jié)流循環(huán)加重鉆井液或只進(jìn)行循環(huán)排氣),該種流體在井筒內(nèi)的上竄速度在一定程度上能夠決定安全作業(yè)時(shí)間[12],但為減緩油氣上竄而采取其他工藝措施的情況除外[13]。本文認(rèn)為逐項(xiàng)做好以下5個(gè)步驟,可準(zhǔn)確判斷是否滿(mǎn)足安全起鉆條件。

1)認(rèn)真執(zhí)行短程起下鉆措施。短程起下鉆前應(yīng)對(duì)重點(diǎn)鉆機(jī)提升系統(tǒng)等認(rèn)真做好檢查保養(yǎng),起下鉆期間尤其是鉆具下深較淺的情況下,盡量不進(jìn)行檢修作業(yè)。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),短程起下鉆的柱數(shù)控制為10～15柱的同時(shí),短程起下鉆的時(shí)間控制應(yīng)不少于4 h。若短程起下鉆井段太長(zhǎng)或時(shí)間太久,則存在較大的井控風(fēng)險(xiǎn);若短程起下鉆井段或時(shí)間不夠,則不能反映起下鉆工況下井底壓力與地層壓力之間的真實(shí)狀況。

2)觀察記錄氣測(cè)錄井的全烴峰值。全烴峰值可較直觀地判斷在一定時(shí)間內(nèi)地層流體進(jìn)入井筒的量。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),鉆進(jìn)過(guò)程中的起下鉆作業(yè)全烴峰值上限可規(guī)定為10%,中完作業(yè)期間或其他需井底長(zhǎng)時(shí)間靜止的作業(yè)全烴峰值上限可規(guī)定為5%(如果其他起鉆條件都滿(mǎn)足,根據(jù)施工情況,全烴峰值在10%或5%及以下,可不將油氣上竄速度作為起鉆的參考值)。

3)分析氣測(cè)錄井的全烴值曲線(xiàn)變化情況。通過(guò)全烴曲線(xiàn)變化情況可判斷地層流體進(jìn)入井筒的方式,如果是因?yàn)閴翰顨馇忠鸬娜珶N值升高,井底存在負(fù)壓差,地層內(nèi)流體將持續(xù)不斷地進(jìn)入井內(nèi),往往會(huì)出現(xiàn)全烴值持續(xù)不降或下降緩慢的現(xiàn)象;如果是其他原因氣侵引起的全烴值升高,全烴曲線(xiàn)往往會(huì)達(dá)到峰值后,短時(shí)間內(nèi)回歸至基值。

4)綜合運(yùn)用溢流檢查手段。溢流檢查可排除循環(huán)過(guò)程中停泥漿泵后鉆井液慣性外溢的干擾,更直觀準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)溢流。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),溢流檢查的時(shí)機(jī)應(yīng)為短程起下鉆排完后效以后,打重漿壓水眼之前,溢流檢查的時(shí)間應(yīng)不少于15 min。期間,鉆具以10 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),確保井口無(wú)外溢,方可打重漿壓水眼,起鉆。起鉆進(jìn)技術(shù)套管,起鉆至普通鉆桿最后1柱,均要停止起鉆,觀察10～15 min,確認(rèn)無(wú)異常才能繼續(xù)起鉆。

5)參考油氣上竄速度的計(jì)算值。在執(zhí)行國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),綜合運(yùn)用好以上4個(gè)程序,即可準(zhǔn)確判斷是否滿(mǎn)足安全起鉆條件。

3.2 安全起鉆條件的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

YB103-1H井為川東北探區(qū)1口三高開(kāi)發(fā)井,該井三開(kāi)施工期間,根據(jù)油氣上竄速度計(jì)算的安全作業(yè)時(shí)間,不能滿(mǎn)足安全起下鉆要求(表1)。該井起鉆前,將鉆具起至技術(shù)套管內(nèi)等安全作業(yè)時(shí)間,再將鉆具下入井底循環(huán)排后效的方式,驗(yàn)證了有足夠的安全起下鉆時(shí)間。隨后按照上述安全起鉆的程序逐項(xiàng)驗(yàn)證,起下鉆過(guò)程中未見(jiàn)異常。

表1 YB103-1H井后效顯示情況

4 結(jié)論

1)現(xiàn)行井控標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油氣層中能夠井控安全起鉆的油氣上竄速度的規(guī)定不統(tǒng)一,現(xiàn)有油氣上竄速度計(jì)算公式所得數(shù)值不能客觀反映井下油氣上竄的真實(shí)情況。僅依據(jù)油氣上竄速度超標(biāo)就不起鉆,甚至盲目提高鉆井液密度,存在一定的片面性,甚至?xí)斐刹粦?yīng)發(fā)生的井下復(fù)雜情況。

2)在油氣層中進(jìn)行起鉆作業(yè)前,應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行短程起下鉆技術(shù)措施,并充分利用短程起下鉆獲得的全烴峰值及全烴值曲線(xiàn)變化趨勢(shì)等相關(guān)數(shù)據(jù),通過(guò)溢流檢查手段,綜合、客觀地判斷是否滿(mǎn)足起鉆條件,油氣上竄速度的計(jì)算值可作為參考數(shù)據(jù),但不能以其數(shù)值判斷起鉆是否安全。

3)做好現(xiàn)場(chǎng)井控工作需技術(shù)與管理并進(jìn),安全起鉆條件的判斷還應(yīng)充分考慮油氣藏類(lèi)型、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及隊(duì)伍水平等。

4)當(dāng)井眼出現(xiàn)鉆井液性能、沉沙問(wèn)題的井下阻卡、噴漏同存等復(fù)雜情況時(shí),在起鉆前還應(yīng)充分考慮相應(yīng)復(fù)雜情況可能造成的井控風(fēng)險(xiǎn)。