海上TCP射孔反循環(huán)壓井計(jì)算分析與應(yīng)用

王允海， 和鵬飛， 李君寶， 萬(wàn) 祥， 袁則名

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

海上TCP射孔反循環(huán)壓井計(jì)算分析與應(yīng)用

王允海， 和鵬飛*， 李君寶， 萬(wàn) 祥， 袁則名

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

在海上油管輸送射孔(TCP)作業(yè)中，射孔后多采用反循環(huán)壓井法，主要特點(diǎn)為遲到時(shí)間短，可為后期壓井贏得寶貴的時(shí)間，地層流體不污染套管環(huán)空，可保持井筒干凈。針對(duì)海上射孔管柱的特點(diǎn)，根據(jù)不同的作業(yè)情況推導(dǎo)出溢流物及壓井液密度計(jì)算式，并進(jìn)一步推導(dǎo)出壓井過程中的關(guān)井壓力和循環(huán)壓力的計(jì)算公式，通過反循環(huán)壓井實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明： 套壓在開始時(shí)最高，溢流全部進(jìn)入鉆具后由初始循環(huán)套壓下降至穩(wěn)定循環(huán)套壓，并在溢流上升及排出鉆具過程中保持不變；壓井液進(jìn)入環(huán)空到達(dá)負(fù)壓閥時(shí)，套壓下降至終了循環(huán)套壓，并在壓井液上升及排出井口過程中保持不變。

井控；反循環(huán)；關(guān)井壓力；循環(huán)壓力；油管輸送射孔(TCP)

0 引 言

射孔作業(yè)是完井工程的一個(gè)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著建立地層與井筒流體流通通道的任務(wù)。油管輸送射孔(TCP)是用油管(渤海油田一般采用鉆桿)輸送射孔槍到射孔層位進(jìn)行射孔的一種作業(yè)方式，該方式輸送能力強(qiáng)，可一次射孔數(shù)百米，且有能夠使用大直徑射孔槍等優(yōu)點(diǎn)。渤海油田TCP射孔常采用平衡射孔負(fù)壓返涌方式。反循環(huán)壓井方式具有排除溢流時(shí)間短、地面泥漿池增量少以及套壓低等優(yōu)點(diǎn)。TCP射孔是渤海油田完井作業(yè)最常用的射孔方式，射孔常采用反循環(huán)洗壓井。本文根據(jù)渤海油田射孔完井作業(yè)特點(diǎn)，介紹了反循環(huán)壓井的原理，推導(dǎo)出溢流物密度、壓井液密度、關(guān)井壓力和循環(huán)壓力的計(jì)算公式，并給出應(yīng)用實(shí)例。

1 工藝現(xiàn)狀分析

1.1 TCP射孔特點(diǎn)

TCP射孔作業(yè)時(shí)，鉆桿送射孔槍至井底，在下鉆、射孔過程中鉆桿密閉，射孔后打開負(fù)壓閥。TCP射孔作業(yè)中壓井循環(huán)通道設(shè)有負(fù)壓閥，在壓井時(shí)循環(huán)通道距射孔層位有一定距離。TCP射孔作業(yè)程序?yàn)椋?(1)連接點(diǎn)火頭及射孔槍、連接負(fù)壓閥及服務(wù)工具；(2)下鉆至井底，校深、點(diǎn)火；(3)坐封封隔器，投棒或打壓打開負(fù)壓閥、放噴；(4)解封封隔器，反循環(huán)洗壓井至返出干凈，起鉆。

1.2 反循環(huán)壓井基本原理

反循環(huán)壓井法是指從環(huán)空泵入完井液將存在于環(huán)空或鉆桿內(nèi)的地層流體替入鉆桿，再由鉆桿排出井口并進(jìn)行壓井[1]。其基本原理為用套壓監(jiān)測(cè)井底壓力，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)立管壓力，利用U型管連通器壓力平衡關(guān)系來控制井底壓力的變化，從而達(dá)到井控的目的[2]。

1.3 TCP射孔管柱反循環(huán)壓井步驟

TCP射孔作業(yè)中常在放噴或者返循環(huán)洗井后出現(xiàn)溢流，鉆具內(nèi)為地層流體和完井液，環(huán)空內(nèi)同樣為地層流體和完井液，兩側(cè)均無(wú)單一流體介質(zhì)，壓井計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。

TCP射孔中出現(xiàn)溢流進(jìn)行反循環(huán)壓井，用兩個(gè)循環(huán)周將壓井液替入井筒： 第一個(gè)循環(huán)周用原完井液循環(huán)，把井內(nèi)受侵完井液通過鉆具排出；第二循環(huán)周替入壓井液，將井壓住[3]。主要步驟如下。

(1) 記錄立管壓力、套管壓力及泥漿池增量，計(jì)算壓井液密度。

(2) 在井內(nèi)建立從環(huán)空泵入、沿鉆柱上升、通過阻流器排出的反循環(huán)通路。

(3) 第一循環(huán)周： 開泵反循環(huán)原完井液，保持立壓不變，達(dá)到壓井排量，套壓為初始循環(huán)壓力；溢流全部進(jìn)入鉆具，套壓降至最低值，即為穩(wěn)定循環(huán)壓力；保持套壓等于穩(wěn)定循環(huán)壓力不變，替出鉆具內(nèi)地層流體；停泵關(guān)井，此時(shí)關(guān)井立壓等于關(guān)井套壓。

(4) 第二循環(huán)周： 開泵反循環(huán)壓井液，保持關(guān)井立壓不變，達(dá)到壓井排量；壓井液從井口到達(dá)負(fù)壓閥，控制套管壓力下降到終了循環(huán)壓力；壓井液沿鉆桿上返，控制套壓等于終了循環(huán)壓力并保持不變；壓井液返出井口后停泵關(guān)井，關(guān)井立壓和套壓均為零；開井，觀察井口無(wú)溢流，漏失可控，壓井成功[4]。

2 反循環(huán)壓井法理論計(jì)算

2.1 關(guān)井狀態(tài)下的壓力平衡關(guān)系

為簡(jiǎn)化方程式，將射孔管柱設(shè)定為負(fù)壓閥以下射孔槍和負(fù)壓閥以上輸送管柱兩部分，忽略射孔后射孔槍本體的排代量。射孔作業(yè)中環(huán)空出現(xiàn)溢流，井內(nèi)的平衡關(guān)系為[5]

Pa=Pd+0.00981ρm(ΔV/Aa-Hwd)
-0.00981ρw(ΔV/Aa-Hwd)，

(1)

式中：Pa為關(guān)井套管壓力，MPa；Pd為關(guān)井立管壓力，MPa； ΔV為泥漿池增量，m3；Aa為負(fù)壓閥以上環(huán)空截面積，m2；Hwd為溢流前鉆桿內(nèi)已有地層流體長(zhǎng)度，m；ρm為完井液密度，g/cm3；ρw為溢流物密度，g/cm3。溢流物密度在0.12～0.36g/cm3之間為氣體溢流，在0.36～1.07g/cm3之間為油溢流或混合流體溢流，密度在1.07～1.20g/cm3之間則為鹽水溢流。

2.2 壓井液密度計(jì)算

壓井液密度計(jì)算公式為

ρk=[Pd/0.00981+ρm(Va/Aa-Hwd)
+ρw×Hwd]/(Va/Aa)，

(2)

式中：Va為負(fù)壓閥以上環(huán)空體積，m3。

2.3 循環(huán)摩阻及壓井排量

首先，根據(jù)用于水力損失計(jì)算的Darcy-Weisbach公式可知

Pc=(f×l)/(d×v2)/2g，

(3)

即摩阻與流速的二次方成正比[6]。式(3)中：Pc為流動(dòng)摩阻，MPa；f為水力損失系數(shù)；l為長(zhǎng)度，m；d為內(nèi)徑，mm；v為流速，m/s。

低泵速泵壓近似等于環(huán)空摩阻與鉆桿摩阻之和：

PL=Pc=Pca+Pcd，

(4)

式中：PL為低泵速泵壓，MPa；Pca為低泵速下環(huán)空摩阻，MPa；Pcd為低泵速下鉆桿內(nèi)摩阻，MPa。

其次，最低壓井排量的計(jì)算公式為

Vq=Q/Aa，

(5)

式中：Vq為環(huán)空液體流速，m/min；Aa為鉆桿與套管環(huán)空截面積，m2；Q為壓井排量，m3/min。

2.4 立管壓力計(jì)算

(1) 溢流物從環(huán)空進(jìn)入鉆桿內(nèi)，立壓逐漸上升，不同時(shí)刻的關(guān)井立管壓力為變化值：

Pd1=Pa-0.00981(ρm-ρw)
×[ΔV/Aa-(Q×t1)/Ad]，

(6)

式中：Pd1為溢流從環(huán)空進(jìn)入鉆桿時(shí)立管壓力，MPa；t1為溢流完全進(jìn)入鉆桿的時(shí)間，min，t1=ΔV/Q。

(2) 溢流物經(jīng)鉆桿循環(huán)至井口，不同時(shí)刻關(guān)井立管壓力為恒定值：

Pd2=Pa-0.00981(ρm-ρw)
×(ΔV/Aa-ΔV/Ad)，

(7)

式中：Pd2為溢流從井底到井口時(shí)的立管壓力，MPa。溢流從井底到井口的時(shí)間記作t2，單位為min，t2=(Vd-ΔV)/Q。

(3) 溢流物排出井口，立管壓力逐步下降至初始關(guān)井立管壓力：

Pd3=Pa-0.00981(ρm-ρw)×[ΔV/Aa
-ΔV/Ad+(Q×t3)/Ad]，

(8)

式中：Pd3為溢流排出井口時(shí)的立管壓力，MPa；t3為溢流物排出井口的時(shí)間，min，t3=ΔV/Q。

(4) 壓井液由環(huán)空到達(dá)負(fù)壓閥，立管壓力保持初始關(guān)井立管壓力不變：

Pd4=Pa-0.00981(ρm-ρw)×ΔV/Aa，

(9)

式中：Pd4為壓井液到達(dá)負(fù)壓閥時(shí)的關(guān)井立管壓力，MPa。壓井液從井口到達(dá)負(fù)壓閥的時(shí)間記作t4，單位為min，t4=Va/Q。

(5) 壓井液井由負(fù)壓閥循環(huán)至井口，立管壓力逐漸下降至零：

Pd5=Pa+0.00981ρm×(Q×t5/Ad
-ΔV/Aa)+0.00981ρw×ΔV/Aa
-0.00981ρk×Q×t5/Ad，

(10)

式中：Pd5為壓井液到達(dá)井口時(shí)的立管壓力，MPa；t5為壓井液由井底到井口的時(shí)間，min，t5=Vd/Q。

2.5 反循環(huán)壓井中的循環(huán)壓力變化

為簡(jiǎn)化方程式，設(shè)完井液與壓井液流動(dòng)阻力相同且忽略溢流物的流動(dòng)阻力。

(1) 溢流物從環(huán)空進(jìn)入鉆桿，環(huán)空側(cè)：

PT1-Pca+0.00981ρm×Va/Aa
-0.00981(ρm-ρw)×(ΔV-Q
×t1)/Aa+0.00981ρw×hd=Pp；

(11)

鉆桿側(cè)：

Pd1+Pcd+0.00981ρm×(Va/Aa-Q×t1/Ad)
+0.00981ρw×Q×t1/Ad+0.00981ρw
×hd=Pp，

(12)

PT1=Pa-0.00981(ρm-ρw)×Q×t1/Aa+PL，

(13)

式中：Pp為地層壓力，MPa；hd為完井液液柱高度，m；PT1為第一階段循環(huán)套管總壓力，MPa。

(2) 考慮溢流物經(jīng)鉆桿循環(huán)至井口的壓力平衡關(guān)系，循環(huán)套壓等于穩(wěn)定循環(huán)套壓并保持不變：

PT2=Pa-0.00981(ρm-ρw)ΔV/Aa+PL，

(14)

式中：PT2為第二階段循環(huán)套管總壓力，MPa。

(3) 考慮井口排出溢流壓力平衡關(guān)系，循環(huán)套壓等于穩(wěn)定循環(huán)套壓并保持不變：

PT3=PT2，

(15)

式中：PT3為第三階段循環(huán)套管總壓力，MPa。

(4) 壓井液由環(huán)空到達(dá)負(fù)壓閥，環(huán)空側(cè)：

PT4-Pca+0.00981ρm(Va-Qt4)/Aa
+0.00981ρkQt4/Aa+0.00981ρwhd
=Pp；

(16)

鉆桿側(cè)：

Pd4+Pcd+0.00981ρm(Va/Aa)
+0.00981ρwhd=Pp，

(17)

PT4=Pa-0.00981ρm(ΔV-Qt4)/Aa
+0.00981ρwΔV/Aa-0.00981ρkQt4/Aa
+PL，

(18)

式中：PT4為第四階段循環(huán)套管總壓力，MPa。

(5) 壓井液由鉆桿循環(huán)至井口，環(huán)空側(cè)：

PT5-Pca+0.00981ρkVd/Ad
+0.00981ρwhd=Pp；

(19)

鉆桿側(cè)：

Pd5+Pcd+0.00981ρm[(Vd-Qt5)/Ad]
+0.00981ρkQt5/Ad+0.00981ρwhd
=Pp，

(20)

PT5=Pa-0.00981ρm(ΔV/Aa-Vd/Ad)
+0.00981ρwΔV/Aa-0.00981ρkVd/Ad
+PL，

(21)

式中：PT5為第五階段循環(huán)套管總壓力，MPa。

3 反循環(huán)壓井實(shí)例

某直井，射孔段垂深2000m，射孔段長(zhǎng)50m，完井液密度1.03g/cm3，反循環(huán)壓井時(shí)泵速500L/min，泵壓5MPa，井筒無(wú)漏失。排出鉆桿內(nèi)地層流體，停泵觀察，發(fā)生溢流。關(guān)井測(cè)立壓1.5MPa，套壓2.5MPa，泥漿池增量5m3。射孔管柱組合： 負(fù)壓閥下部7英寸(1英寸≈2.54cm)射孔槍長(zhǎng)50m，負(fù)壓閥上部輸送管柱為127mm 19.5#鉆桿，長(zhǎng)1950m。

試用反循環(huán)壓井法進(jìn)行壓力控制計(jì)算，已知生產(chǎn)套管為244mm 47#； 12 7mm 19.5#鉆桿容積9.262L/m； 127mm鉆桿與244mm套管環(huán)空容積24.9L/m。

溢流物高度計(jì)算：

溢流物密度計(jì)算：

ρw=ρm-(Pa-Pd)/[0.00981(Hw-Hwd)]
=0.52g/cm3，

為油溢流或混合流體溢流。

壓井液密度計(jì)算：

ρk=[Pd/0.00981+ρm(Va/Aa-Hwd)
+ρwHwd]/(Va/Aa)≈1.11g/cm3.

初始循環(huán)壓力計(jì)算：

PTi=PL+Pa=5+2.5=7.5MPa。

反循環(huán)壓井不同階段套管壓力計(jì)算如下。

(1) 溢流物進(jìn)入鉆桿(變化值)：

t1=(0～ΔV/Q)=(0～10)min,

PT1=Pa-0.00981(ρm-ρw)Qt1/Aa
+Pcd+Pca=(7.5↘6.50)MPa.

(2) 溢流從井底循環(huán)至井口(恒定值)：

t2=(Vd-ΔV)/Q=(1950×0.009262-5)/0.5
=26.12min,

PT2=Pa-0.00981(ρm-ρw)ΔV/Aa+Pcd+Pca
≈6.50MPa.

(3) 溢流從井口排出(恒定值)：

t3=ΔV/Q=10min,

PT3=PT2=Pa-0.00981(ρm-ρw)ΔV/Aa
+Pcd+Pca≈6.50MPa.

(4) 壓井液由井口循環(huán)至負(fù)壓閥(變化值)：

t4=Va/Q=1950×0.0249/0.5=97.11min,

PT4=Pa-0.00981ρm(ΔV-Qt4)/Aa
+0.00981ρwΔV/Aa-0.00981ρkQt4/Aa
+PL=(6.50↘4.5)MPa.

(5) 壓井液由井底循環(huán)至井口(恒定值)：

t5=Vd/Q=1950×0.009262/0.5=36.12min，

PT5=Pa-0.00981ρm(ΔV/Aa-Vd/Ad)
+0.00981ρwΔV/Aa-0.00981ρkVd/Ad
+PL=4.5MPa.

如圖1所示，套壓在開始時(shí)最高，溢流全部進(jìn)入鉆具后由初始循環(huán)套壓下降至穩(wěn)定循環(huán)套壓。在溢流上升及排出鉆具過程中，套壓保持穩(wěn)定循環(huán)套壓不變。壓井液進(jìn)入環(huán)空到達(dá)負(fù)壓閥時(shí)套壓下降至終了循環(huán)套壓，在壓井液上升及排出井口過程中，套壓保持終了循環(huán)套壓不變。

圖1 壓井過程壓力變化曲線Fig.1 Variation of pressure during the well killing process

4 結(jié) 語(yǔ)

反循環(huán)壓井具備排除溢流快、溢流和污染物處于油管柱內(nèi)、套管壓力較低等特點(diǎn)。反循環(huán)時(shí)，井底壓力是油管內(nèi)液柱壓力、地面回壓和摩擦阻力的函數(shù)，如果壓井過程中不考慮摩阻，井底壓力將過高，反循環(huán)考慮油管內(nèi)摩阻而忽略環(huán)空摩阻，就像正循環(huán)時(shí)考慮環(huán)空摩阻而忽略油管內(nèi)摩阻，不同的是正循環(huán)時(shí)忽略的環(huán)空摩阻是一個(gè)安全系數(shù)。在正循環(huán)時(shí)忽略環(huán)空摩阻對(duì)井底的影響是安全的，而反循環(huán)時(shí)忽略它則較危險(xiǎn)。反循環(huán)也考慮了油管柱摩阻對(duì)井底的影響，如果不考慮這個(gè)影響，井底壓力將過高?？紤]到這些因素，開泵時(shí)應(yīng)在套壓上加部分壓力，安全系數(shù)應(yīng)足以彌補(bǔ)環(huán)空壓耗同時(shí)不致引起漏失。

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CalculationandApplicationofReverseCirculationWellKillingMethodinOffshoreTCPPerforation

WANG Yun-hai, HE Peng-fei, LI Jun-bao, WAN Xiang, YUAN Ze-ming

(CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Tianjin300452,China)

Reverse circulation well killing method is commonly used in offshore tubing conveyed perforating (TCP). With this method, the lag time is short, so that the time for killing well can be saved; the formation fluid does not pollute the casing annulus, so that the wellbore can be kept clean. According to the characteristics of offshore perforating string, we deduce the formula for calculating the densities of overflow and well killing fluid, as well as the calculation formula of shut-in pressure and circulating pressure in the well killing process. Calculation is carried out for a reverse circulation killing example. The results show that the casing pressure is the highest at the beginning, and after the overflow all goes into the drilling tool, the initial circulating pressure is lowered to the stable circulating pressure. When the well killing fluid enters the annular vacuum and reaches the negative pressure valve, the casing pressure drops to the terminal circulating pressure. During the rising and discharging of the overflow or the well killing fluid, the casing pressure remains unchanged.

well control; reverse circulation; shut-in pressure; circulating pressure; tubing conveyed perforating (TCP)

2017-06-09

王允海(1984—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事海洋石油完井技術(shù)監(jiān)督與管理工作。

*通信作者

TE52

A

2095-7297(2017)05-0266-05