兩種井涌余量計算模型的比較分析

趙 建

油氣田開發(fā)

兩種井涌余量計算模型的比較分析

趙 建

（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）

井涌余量是衡量鉆井過程中發(fā)生溢流后能否安全關(guān)井且循環(huán)壓井時不至于壓漏薄弱地層的一項重要指標(biāo)，對于現(xiàn)場井控作業(yè)安全起著非常重要的作用。對連續(xù)氣柱模型和動態(tài)多相流模型求取井涌余量的方法進行了比較分析，認(rèn)為動態(tài)多相流計算模型更符合實際鉆井作業(yè)過程中井涌余量的計算需求，從而為今后鉆井現(xiàn)場安全作業(yè)提供了重要的依據(jù)和支撐。

井控； 井涌余量； 井涌強度； 連續(xù)氣柱模型； 動態(tài)多相流模型

井涌余量又稱溢流允許量，是鉆井井控作業(yè)中衡量溢流處理能力的一個重要參數(shù)，是判斷鉆井溢流發(fā)生后能否關(guān)井，以及使用何種方法壓井的判斷標(biāo)準(zhǔn)，因此準(zhǔn)確理解和求取各井段井涌余量對鉆井設(shè)計及鉆井作業(yè)安全是非常重要的[1]。目前，井涌余量的概念缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對井涌余量進行了研究，但目前大多數(shù)井涌余量的計算都是基于連續(xù)氣柱模型而言，未考慮實際溢流氣體的溶解性、壓縮性、氣體滑脫以及溫度的影響，計算結(jié)果偏于理論。隨著動態(tài)多相流理論研究的發(fā)展及應(yīng)用，動態(tài)多相流模型成為計算井涌余量的一個重要手段。

本文首先根據(jù)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對井涌余量進行了定義，并對連續(xù)氣柱模型以及動態(tài)多相流模型求取井涌余量的方法進行了比較分析，從而得出更準(zhǔn)確的井涌余量計算方法，為現(xiàn)場井控安全作業(yè)提供了理論依據(jù)。

1 井涌余量的定義

根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T7453—2019《海洋鉆井井控技術(shù)要求》的規(guī)定，井涌余量（Kick Tolerance）是指井涌時能安全關(guān)井且循環(huán)壓井時不至于壓漏地層所允許進入井筒的最大溢流量[2]；井涌強度（Kick Intensity）是指發(fā)生井涌時地層壓力當(dāng)量密度與鉆井液密度之間的差值。由定義可知井涌余量是以體積單位來表示的一項重要參數(shù)，并且此處所指的循環(huán)壓井方式通常為司鉆法和工程師法等常規(guī)壓井方法。

井涌余量是進行井控工作的先決條件，現(xiàn)場發(fā)生溢流后，首先應(yīng)根據(jù)該井段計算的井涌余量值來判斷是否能夠安全關(guān)井，然后再決定采用何種方法壓井[3-6]。若實際溢流量小于計算值，則可采用常規(guī)壓井方法循環(huán)壓井；若實際溢流量大于計算值，則需要采取非常規(guī)壓井手段來進行壓井。目前常用的井涌余量計算方法有連續(xù)氣柱模型及動態(tài)多相流模型兩種手段。

2 連續(xù)氣柱模型

基于連續(xù)氣柱模型的井涌余量計算方法，為了計算方便則假設(shè)溢流流體為均勻、連續(xù)的氣柱，且發(fā)現(xiàn)溢流時侵入流體剛進入井筒底部，套管鞋處為井筒內(nèi)薄弱層段，忽略氣體在鉆井液中的溶解度，忽略溫度、氣體壓縮因子和氣體滑脫的影響[7-8]。在氣柱向上運移的過程中，一直保持為氣柱形式，環(huán)空內(nèi)流體分布如圖1所示。

圖1 氣侵流體環(huán)空分布狀態(tài)

發(fā)生氣侵時，氣侵在環(huán)空中的分布對井涌余量計算有較大影響。為計算方便，研究對象為直井且采用司鉆法壓井，計算步驟如下：

1）根據(jù)井底常壓原理，計算最大允許溢流侵入高度，見公式（1）：

2）最大允許關(guān)井套壓的計算公式詳見（2）：

a）溢流在井底時井涌余量，見公式（3）:

b）溢流流體頂部在管鞋處時井涌余量，見公式（4）:

3 動態(tài)多相流模型

動態(tài)多相流模型模擬分析軟件是求取井涌余量的一個重要工具，在應(yīng)用多相流原理求取溢流允許量時，遵循了標(biāo)準(zhǔn)化的井控操作程序，即：發(fā)生溢流后停泵關(guān)井，井底壓力達到平衡時求取地層壓力；然后開泵以壓井泵速循環(huán)排出溢流[9]。

在循環(huán)壓井過程中，井底壓力保持不變，此時環(huán)空中的壓力由氣體體積和井涌強度確定。溢流頂部到達管鞋時，管鞋處的壓力剛好達到最大值。當(dāng)此處的壓力達到地層漏失壓力時，所對應(yīng)的最大溢流量即為井涌余量，循環(huán)過程中出現(xiàn)的最大套壓值即為最大允許關(guān)井套壓，如圖2所示。

圖2 溢流-關(guān)井-司鉆法壓井過程參數(shù)變化

由于動態(tài)多相流模型計算時考慮了氣體擴散、溶解、氣體運移、溫度效應(yīng)、氣體膨脹、地層滲透率、孔隙度的影響，相比于連續(xù)氣柱模型，環(huán)空中溶解氣體/自由氣體的分布更加分散。圖3顯示了泥漿密度剖面曲線以及關(guān)井期間自由氣的分布，由于發(fā)生氣侵導(dǎo)致泥漿密度的降低，從而直接影響了環(huán)空壓力，因此基于管鞋處地層漏失壓力而計算的動態(tài)井涌余量與連續(xù)氣柱模型也大不相同。

圖3 泥漿密度剖面曲線以及關(guān)井期間自由氣/溶解氣的分布

4 兩種模型的算列比較

以渤海某口實鉆探井為例，使用兩種模型對三開Φ311.1 mm井眼的井涌余量進行計算，以此分析二者的不同，其中地層滲透率500 mD，孔隙度20%，井的各項參數(shù)如表1所示。

表1 井的參數(shù)

不同井涌強度下的井涌余量計算結(jié)果如表2與表3所示。

表2 連續(xù)氣柱模型井涌余量計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知：在不同的井涌強度條件下，使用動態(tài)多相流模型得出的最大允許關(guān)井套壓以及井涌余量值均高于連續(xù)氣柱模型。原因分析：這是由于在產(chǎn)生溢流的一段時間內(nèi)，泥漿循環(huán)使侵入的流體更加分散，發(fā)生氣侵后導(dǎo)致泥漿密度降低，最大允許關(guān)井套壓隨之增加，從而使得動態(tài)井涌模型計算的井涌余量也增加。

表3 動態(tài)多相流井涌余量計算結(jié)果

由于動態(tài)多相流模型考慮了井侵后的動態(tài)影響，能夠更真實地模擬井控事件，所以能夠更好地評估鉆井作業(yè)期間在確定井涌強度下能否安全循環(huán)排出溢流的風(fēng)險。在鉆井作業(yè)過程中，可根據(jù)各參數(shù)的變化實時計算動態(tài)井涌余量，指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。尤其是面對高溫高壓井等高度復(fù)雜的工況時，動態(tài)多相流模型具有很高的應(yīng)用價值，該模型目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外重要作業(yè)區(qū)域，成為指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)，確保井控安全的重要工具[10-11]。

5 結(jié) 論

井涌余量是衡量鉆井過程中發(fā)生溢流后能否安全關(guān)井且循環(huán)壓井時不至于壓漏薄弱地層的一個重要參數(shù)，對于現(xiàn)場井控作業(yè)安全起著非常重要的作用。在確定的井涌強度條件下，使用動態(tài)多相流模擬得出的最大允許關(guān)井套壓及井涌余量均高于連續(xù)氣柱模型。由于考慮了井侵后的氣體擴散、溶解、氣體運移、溫度效應(yīng)、氣體膨脹等各項重要因素的動態(tài)影響，動態(tài)多相流模型能夠更真實地模擬井控事件，因此更符合實際鉆井作業(yè)過程中井涌余量的計算需求，為今后井控作業(yè)安全提供了重要的保障。

［1］王濤，李基偉，王宏民，等. 井涌余量概念的修正與實例分析[J].海洋石油，2019，39 (02)：79-84．

［2］國家能源局. SY/T 7453—2019海洋鉆井井控技術(shù)要求[S]. 北京：石油工業(yè)出版社，2019.

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［6］伍葳，魏云錦，郭建華，等. 關(guān)井井涌余量在鉆井工程設(shè)計中的應(yīng)用淺析[J]. 油氣藏評價與開發(fā)，2019，9 (04)：47-50.

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［10］Lawrence Umar, Yap Yun Thiam. Dynamic Multiphase Kick Tolerance Allows Safe Drilling Which Led to Huge Gas Discovery in a HPHT Exploration Well in Malaysia[C]. IPTC17460, 2014 (1): 20-22．

［11］John P. James, Iain M. Rezmer-Cooper, Sverre Kr. S?rsk?r. New Diagnostics and Procedures for Deep Water Well Control[C]. SPE/IADC 527654.

Comparative Analysis of Two Kick Tolerance Calculation Models

（CNOOC Ener Tech-Drilling & Production Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

Kick tolerance is an important index to measure whether the well can be shut in safely after kick in the drilling process and whether the weak formation will not be lost during well killing. It plays a very important role in the safety of on-site well control operation. In this paper, the methods of calculating kick tolerance by single bubble static model and dynamic multiphase flow model were compared and analyzed. It was considered that the dynamic multiphase flow calculation model was more in line with the calculation requirements of kick tolerance in the process of actual drilling operation, which could provide important basis and support for drilling design and field safe operation in the future.

Well control; Kick tolerance; Kick Intensity; Single bubble static model; Dynamic multiphase flow model

TE21

A

1004-0935（2022）04-0536-04

國家重點研發(fā)計劃，海洋石油天然氣開采事故防控技術(shù)研究及工程示范（項目編號：2017YFC0804500）。

2021-11-25

趙建（1988-），男，山東肥城人，工程師，碩士研究生，2015年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程，研究方向：海上鉆完井、井控應(yīng)急技術(shù)。