油气井钻井过程中井喷预测机理研究

梅大成 郑巧 何志敏 张振峰

西南石油大学

油气井钻井过程中井喷预测机理研究

梅大成 郑巧 何志敏 张振峰

西南石油大学

在油气井钻井作业过程中,井喷前会有各种预兆如:①钻井液返出量增加;②钻井液池中钻井液体积增加;③停泵后钻井液外溢;④循环系统压力上升或下降;⑤钻井时悬重增加或减少;⑥返出的钻井液中有油花气泡等。上述预兆对预防井喷起着至关重要的作用。为此,在分析井喷原因及井喷预测机理的基础上,利用钻压、大钩负荷、转盘转速、返出流量、泵压、钻井液密度、硫化氢浓度等,建立了井喷预测数学模型,提出了井喷事故发生的危险指数,通过对该指数的计算和分析,便可预测井喷事故发生的可能性。实例验证结果表明,该井喷预测模型能为防止井喷的发生提供科学依据。

气井 钻井 溢流 井涌 井喷 井喷预测 机理

0 引言

钻井过程中发生溢流和井涌是井喷的先兆。溢流的严重程度主要取决于地层的孔隙度、渗透率和负压差值的大小。地层孔隙度、渗透率越高,负压差值越大,则溢流就越严重。由于溢流的发生,使环空液柱压力越来越低,势必导致井涌甚至井喷。据统计,在钻井过程中溢流发生的几率占45%,在起下钻过程溢流发生的几率占55%。

1 井喷原因分析

井喷发生的原因很多,其最根本的原因是井内压力失去平衡、井内压力小于地层压力。

1.1 钻井过程

1)地层压力掌握不准,设计的钻井液密度过低。没有准确的地层压力资料,地层压力也没有进行及时检测,设计的钻井液密度低于地层压力的当量密度,这是在新探区经常碰到的事。即使已经开发的老油气田,由于注水开发,地下的压力系统,已不是原来的压力系统,有的开发层地层压力已经降到静水柱压力以下,但有的地层或个别区域由于注入水能量集中,形成了异常高压。

2)钻井液密度低。这是因为:①突然钻遇到高压层,地层压力高于钻井液静液柱压力条件下发生的,特别是为了获得高的机械钻速、降低钻井成本和保护油气层而是用较低的钻井液密度;②钻开油、气、水层后,地层内流体侵入井内,造成钻井液密度下降,如果循环至地面未能及时清除,被污染的钻井液又被注入井内,将加剧油气侵,使密度进一步降低。

3)钻井液漏失,液柱高度降低。①钻遇溶洞、裂缝性地层,发生大量漏失,使液面降低;②钻井液液柱压力超过某些地层的破裂压力,发生漏失,使液面降低。液面降低之后,液柱压力也就自然降低。

1.2 起下钻过程

1)起钻时井内未灌满钻井液。起钻过程中,由于起出钻柱,如果没有即时灌入钻井液或灌入量不足,使液面降低,这将减小静液柱压力。一旦钻井液静液柱压力低于地层压力,溢流就可能发生。

2)过大的抽汲压力。在起钻过程中,由于钻具在井内的向上运动,将引起井内液压降低,所降低的压力叫抽汲压力。抽汲压力和钻井液性能、环空大小、钻具结构、起钻速度有直接关系,许多井喷均发生在起钻过程,就是抽汲压力起到了促喷的作用。在不同工况下井底压力变化见图1。

图1 不同工况下的压力变化图

2 井喷前兆

地层孔隙压力大于钻井液静液柱压力并引起流体从地层中流入井眼产生井涌。地层流体的这种流动如果能成功地加以控制,井涌就可以控制。井喷是井涌不能控制的结果。井涌的出现可以在地面上看到一些预兆。尽管所有的预兆不一定都发生井涌,但它们至少预示着有一种潜在的井涌存在。

1)钻井液返出量增加(主要征兆)。当泵入量一定时,返出量增加,这是井涌的最早征兆。返出量与注入量之差值就是地层流体的侵入量。

2)钻井液池中钻井液体积增加(主要征兆)。若在地面上未向钻井液中加入处理剂或其他原因(钻井液罐中的钻井液放入钻井液池)除外而改变钻井液体积,这时钻井液池中液面升高,钻井液体积增加就意味着有井涌的发生。

3)停泵后钻井液外溢(主要征兆)。在泵停止工作后,钻井液不断从井口外溢,表明井涌正在进行。

4)循环系统压力上升或下降。若地层压力高于井底压力,打开高压层时,泵压会上升。但由于油、气、水的侵入,环空液柱压力下降,又可使循环系统泵压下降。

5)起钻时灌不进钻井液或灌入量少于起出的钻具体积(主要征兆)。

6)钻井时悬重增加或减少。当钻开高压气层时,井底压力增加,悬重要下降。钻井液油气侵后,密度降低,悬重又会增加。若钻遇高压盐水层,盐水密度大于井内钻井液密度时,则悬重下降,盐水密度小于井内钻井液密度时则悬重增加。这些现象都是即将发生强烈井喷的前兆。

7)钻井时放空或钻入低压层,会发生井漏,当液面下降到一定程度时,同层或其他层的井底压力小于地层压力时,就转漏为喷。

8)钻井液密度降低。出口钻井液密度下降有时表示正发生井涌,钻井液密度减小的某些原因是:①岩屑体积减小;②有地层流体侵入,尤其是气体;③充气钻井液从钻井液池循环入井。岩屑中含气只在接近地面时由于气体膨胀,才能使钻井液密度下降,它不会使全井钻井液密度下降。

9)返出的钻井液中有油花气泡,这是进入油气层的直接标志(主要征兆)。

根据上述溢流和井涌预兆就可以预测井喷。

3 井喷预测机理

根据以上分析[1-3],以下钻井工程参数与井喷预测密切相关。这些信号包括:钻压、大钩负荷、转盘转速、返出流量、泵压、钻井液密度、钻井液池液位和体积,硫化氢浓度等。

根据专家经验和综合分析,决定关键参量[4-7]的变化,作为主要依据来判断外溢、井涌、井喷。采集的主要关键参量为钻井液总池体积、出、入口流量和立管压力。当井涌(溢、喷)时,钻井液池体积、出口流量增大,立管压力先略增后降,入口流量则先降后升,井涌(溢、喷)可能具有间歇性。

利用计算机实时监测这些钻井工程关键参数,既要监督各参数的变化,更要判别出他们的变化趋势。抓住异常情况的主要特征参数,然后经过查询、比较、计算、归纳而迅速做出报警提示。在此思想指导下,完成了计算机监控系统和智能决策软件的设计。

4 井喷预测数学模型的建立

根据参数对各种钻井工程异常事故的响应可归类为趋势变化型、幅度变化型和突变型。趋势变化型采用平均值法来求参比值,幅度变化型采用均方根法来求参比值,突变型采用前单点值法求参比值。

4.1 危险指数的计算

首先根据各钻井工程异常事故确定各相关参数,用向量表示:

设:x=(x1,x2,…,xm)表示趋势变化型参数各值;

y=(y1,y2,…,ym)表示幅度变化型参数各值;

a=(a1,a2,…,am)表示趋势变化型参数报警门限;

b=(b1,b2,…,bm)表示幅度变化型参数报警门限值;

λ=(λ1,λ2,…,λm)表示趋势变化型参数加权值;

ζ=(ζ1,ζ2,…,ζm)表示幅度变化型参数加权值。报警门限值是根据大量的实际井控资料归纳计算出来的,并可根据现场实际情况加以调整,加权值是根据各相关参数所对应的权重确定的。

其中:

4.2 异常报警原则

钻井工程异常事故的危险指数为:当危险指数ρ(i)>1时,系统发出该钻井工程异常事故报警信息,如果同时有两个或两个以上的ρ(i)>1,根据最相似原则,取为最大值的一个钻井工程异常事故项产生报警信息。

5 实例验证

5.1 实例数据(见表1)

表1 W井井涌事故实例数据表

5.2 结果分析

根据式(1),计算井喷危险系数。由参数的响应类型可知三类参数均为趋势变化型参数。由现场数据可得到 X=(152.11,49.6,14.6),为趋势变化型参数,A =(1,5,0.5)为趋势变化型参数报警门限。根据各相关参数所对应的权重确定λ=(0.4,0.4,0.2)。报警门限值是根据大量的实际井控资料和中国石油天然气集团总公司井控规范归纳计算出来的,权重根据专家经验与相关资料的优先来定。其中=151.32;= 33.78;=15.3,由此代入趋势变化型计算公式,可得到当前危险指数为1.301 6,达到危险等级。同时与常规判断得到的结果进行对比,结果表明:系统对井喷事故判断正确。

6 结论与认识

1)钻井过程中发生溢流、井涌,其井喷却是非常严重的事故。井喷发生的根本原因在于井筒内压力失去平衡,井筒内液柱压力和井口压力小于地层压力,就会发生溢流或井涌,若此时控制措施不当,便会发生井喷。

2)钻井的溢流和井涌是井喷的先兆。井喷前兆除了溢流和井涌外,还有一些其他征兆,如泵压变化,钻具重量变化,钻井液密度变化,油气水侵入引起的录井参数变化等,外溢量、钻井液体积变化和其他变化等。

3)研究发现,钻井工程参数与井喷密切相关。通过监测这些工程参数的变化,即可发现井喷发生的可能性。根据这一机理,建立了井喷预测数学模型。通过对工程参数危险指数的计算和分析,即可判断井喷事故是否发生。通过实例验证了此计算和井喷预测模型是正确可靠的。

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A study of blowout prediction mechan ism during drilling in oil and gas wells

M ei Dacheng,Zhen Qiao,He Zhim in,Zhang Zhenfeng
(Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.68-70,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

During the drilling p rocess,these phenomena usually appear just befo re blowout breaks out,such as the amount of backflow increased,the volume of drilling fluid in the pit increased,drilling fluid overflow n after pump off,the circulating p ressure increased o r dropped,suspension weight increased or decreased,oil and/o r gas to be observed in the backflow drilling fluid.These phenomena p lay a vital role in p reventing blowout.Herein analysis ismade on the causes and p rediction mechanism of well blowout, based on w hich a mathematicalmodel fo r blowout forecast is established,parameters like WOB,hook load,rotary RPM,backflow volume,pump p ressure,drilling fluid density and H2S content are included w ithin.The risk indexes of blowout are then p roposed. The possibility of a blowout can be p redicted by calculating and analyzing the risk indexes.And finally the new ly established model is p roved to be able to p rovide scientific evidence fo r blowout p revention through many case studies.

gas well,drilling,overflow,well kick,blowout,blowout p rediction,mechanism

四川省科技厅应用基础研究项目“井喷预测及智能控制研究”(编号:2008JY0114-1)的部分研究成果。

梅大成,1965年生,副教授,硕士;1993年毕业于原西南石油学院油气田开发专业;现任石油工程计算机模拟技术四川省高校重点实验室主任,主要从事计算机实时监测与控制、石油工程模拟与仿真技术的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区。电话:(028)83032974,13980965636。E-mail:m dc@swpu.edu.cn

梅大成等.油气井钻井过程中井喷预测机理研究.天然气工业,2010,30(1):68-70.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.019

2009-10-17 编辑 钟水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.019

MeiDacheng,associate p rofesso r,was born in 1965.He graduated in oil/gas field development from Southwest Petroleum Institute in 1993.He is now directo r of Sichuan Provincial Key Lab fo r Computing Simulation of Petroleum Engineering,being mainly engaged in research on real-time computer monitoring and control and petroleum engineering simulation technology.

Add:No.8,Xindu Rd.,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Tel:+86-28-8303 2974 Mobile:+86-13980965636E-mail:mdc@swpu.edu.cn