小井眼钻井井控技术

谭世武 秦本良 吴 强 胡晓霞

中国石油新疆油田分公司井下作业公司工程技术科(新疆克拉玛依834000)

小井眼钻井井控技术

谭世武 秦本良 吴 强 胡晓霞

中国石油新疆油田分公司井下作业公司工程技术科(新疆克拉玛依834000)

由于小井眼钻井成本较常规钻井低，并有利于环保，因此，小井眼钻井已成为了一门热门钻井技术。新疆油田也进行了小井眼钻井试验，并取得了成功。根据井控技术的基本原理，对小井眼钻井过程中的井控技术与常规井进行了对比，阐述了小井眼钻井过程中的井控控制。

小井眼钻井井控技术

小井眼，顾名思义是相对于常规井眼尺寸偏小的井眼结构，不同的国家定义不尽相同，有的认为是完钻井眼小于常规完钻井眼215.9mm的井眼，还有的认为是环空间隙小于25.4mm(1″)的井眼，而目前一般是把小于152.4mm(6″)的井眼定义为小井眼。小井眼可降低钻井成本，并有利于环保，目前小井眼成为一项热门钻井技术，随之而来的是如何控制小井眼钻井过程中井控的问题。

1 井控技术基本要素

1.1 基本参数及计算

1.1.1 内容积及计算

内容积是指钻柱（或管柱）的容积。

式中V内—内容积m3；

D柱内—钻柱（或管柱）内径mm；

H柱—钻柱（或管柱）长度m。

1.1.2 环空容积及计算

环空容积是井眼（或套管）与钻具之间的容积。

式中V环—单位环空容积m3；

D井—井眼直径mm。

1.1.3 排替量及计算

排替量是井内管柱排替井内流体的体积。

（1）管柱水眼畅通时

式中V排—排替量m3；

D柱内—钻柱（或管柱）内直径mm。

（2）管柱水眼堵塞时

说明：此时的管柱排替量等于管柱的外容积。

1.1.4 井底压力及计算

井底压力是井内液柱压力与其他垂直方向压力的矢量和。由于井内钻井液柱压力同时作用于井壁和井底，因此作业工况不同时，井底压力是不一样的。

井眼静止：P井底=P静液柱

正常循环：P井底=P静液柱＋P环空损失

提钻时：P井底=P静液柱-P抽吸

下钻时：P井底=P静液柱＋P激动

循环油气侵时：P井底=P静液柱＋P环空损失＋P节流回压

环空压力损失：

式中PV—钻井液塑性黏度mPa.s；

ρ—钻井液密度g/cm3；

Q—泵排量L/s；

D井、D柱外—井眼直径、钻柱（或管柱）内直径

cm。

1.1.5 钻井液上返速度

式中v—钻井液上返速度m/s。

1.2 基本原理

1.2.1 “U”形管原理及效应

“U”形管原理是压力平衡的基本原理。钻井作业是以“U”形管原理为依据，在钻井施工中，保持井底压力等于或略大于地层压力，即近平衡压力钻井。

当“U”形管压力达到平衡后，管底为一个压力平衡点，此压力为一个定值，可以通过任意一侧的压力获得。以“U”形管原理可以分析钻井时井内的各种压力平衡关系。

1.2.2 激动压力和抽吸压力

当钻井液在井内流动时，与井壁及管壁产生摩擦阻力，其方向与钻井液流动方向是相反的。提钻时，钻井液会向下流动补充钻具提出产生的空隙，产生向上的阻力称为抽吸压力，可以减少钻井液柱对井底的压力，大的抽吸压力，会诱使地层流体进入井筒。下钻时，钻井液会向上流动被挤出井筒，此时产生的阻力方向向下，会给地层施加一个额外的激动压力，大的激动压力，会造成井漏。

从对底层增加的压力来看，激动压力为正值，抽吸压力为负值，影响这2个压力的因素主要包括：起下管柱的速度、钻井液黏度、钻井液静切力、钻井液密度、井眼和管柱之间的环形空隙。

2 小井眼钻井的井控技术

2.1 小井眼的井控特点

2.1.1 环空间隙小，对溢流更敏感

以克拉玛依油田红浅井区观察001井为例：二开钻头尺寸为152.4mm，钻具尺寸为127mm，对比常规钻井钻头尺寸215.9mm，假设钻井液密度为1.20g/cm3,溢流物为水，溢流量为1m3，由式（2）、（6）计算得出：

由上述计算可以得出下面2个结论：①相同溢流量情况下，小井眼井底压力降低值是常规井眼的4倍左右；②相同排量下，小井眼的上返速度是常规井眼的4倍多。

由上述计算及结论可以看出，小井眼与常规井眼相比，单位环空容积小，在相同溢流量下，流体在环空中占的高度高，上返速度快，对溢流有很强的敏感性。从井控控制来看，流体在井筒中侵入高度越高，控制难度越大。因此相同地层情况在发生溢流时，小井眼井更难控制，更容易失控。

2.1.2 小井眼钻井起钻作业时更容易产生抽吸，造成溢流或井喷的可能性越大

小井眼由于环空间隙小，在相同条件下，相同钻具的排替量在小井眼环空占的比例高，单位时间内，钻井液补充的速度快，产生的向上的阻力，即抽吸压力就会大，更容易抽吸造成溢流甚至井喷。

影响抽吸压力的因素有起钻的速度、钻井液的切力和黏度、钻头泥包情况等，其中最主要的是起钻速度，起钻速度在0.1m/s时，产生的抽吸压力位1.357MPa，当量钻井液比重是0.03g/cm3；起钻速度在1.0m/s时，产生的抽吸压力位3.770MPa，当量钻井液比重是0.084g/cm3。因此，控制起钻速度，能最大限度的减少抽吸压力。

2.1.3 循环压力损失大

循环压力损失包括：地面管汇、钻柱内、钻头水眼和环空压力损失。

以克拉玛依油田红浅井区观察002井为例，二开钻头尺寸为152.4mm，钻具尺寸为127mm，对比常规钻井钻头尺寸215.9mm，假设钻井液密度为1.20g/cm3，塑性黏度26mPa.s，排量28L/s，由式（5）计算得出：

常规井眼环空压力损失：

小井眼环空压力损失：

由上述计算可以得出，相同条件下，小井眼环空压力损失比常规井眼环空压力损失大得多，超过60多倍。在小井眼中，环空压力损失可占到泵压的90%，甚至更多，而在常规井眼中，环空压力损失仅为泵压的10%左右。另有小井眼中钻柱的旋转对环空压降的影响也很大，随着钻柱的高速旋转，环空压降会显著增加。

环空压力损失越大，钻井过程中要平衡相同地层压力，需要的钻井液柱压力就会越小，钻井液的密度就会越小，当停止循环静止时，液柱压力则不能平衡地层压力；当液柱压力能平衡地层压力时，循环时，过大的循环压力损失，会导致井漏，先漏后喷，致使井控复杂。

2.2 小井眼溢流检测技术

常规钻井溢流检测主要是通过观测钻井液罐液面的增量。这种检测方法的灵敏度主要取决于液面报警仪和坐岗人员的责任心，一般要等到钻井液罐的增量达到2m3以上才能检测到井涌。

小井眼钻井溢流时，反应时间短，不能单纯依靠钻井液罐增量来检测溢流，必须应用新的方法来提高检测精度和灵敏度,可采用的主要方法有：①出入口流量实时监测溢流检测方法。在钻井液入井口和返出口上安装电磁流量计，实时记录入口、出口的流量，并绘成实时曲线，可从曲线的变化来及时发现溢流，灵敏度较高；②钻井液流出量、立管压力实测与预测对比检测方法。实时采集钻井液流出量和立管压力，记录实测值，利用井筒动态模型预测钻井液流出量和立管压力，将实测值与预测值进行对比，根据两者之间的偏差及时判断是否发生了溢流；③其它溢流检测方法。钻井液流量波测量方法；钻井泵压力波的往复传播时间测量方法，此方法是根据波在气体中的传播速度比在钻井液中慢，发生气侵时传播时间会急剧增加。

2.3 小井眼压井方法

由式（2）可知，小井眼环空体积小，对溢流敏感，从发生溢流到发现溢流的时间短，并且小井眼环空压力损失很大，可占到泵压的90%，因此小井眼压井一般不能采用常规压井方法，通常采用动态压井法。

2.3.1 动态压井法(动平衡压井法)

利用循环钻井液时产生的压力损失来控制地层压力。以克拉玛依油田红浅井区观察003井为例，二开钻头尺寸为152.4mm，钻具尺寸为127mm，钻井液密度为1.20g/cm3，塑性黏度26mPa·s，由式（5）计算得出：

（1）排量为24L/s时：

（2）排量为28L/s时：

由上述计算可以看出，通过改变排量，可以改变环空压力损失，从而控制小井眼的井底压力，进而控制溢流，而不需要加重钻井液。

2.3.2 动态压井的现场实施

①实时环空压力损失监测：钻井过程中，通过改变泵排量，记录下不同排量下的实测环空压力损失，以备动态压井时使用;②钻进溢流时控制：现场检测到发生溢流时，应立即增大循环排量，通过增大对井底的压力，来平衡地层压力，阻止地层流体进一步侵入井筒；在不停钻的情况下，可通过提高钻具的转速来增大环空压力损失来控制溢流。

2.3.3 动态压井法的优点

动态压井法与常规压井的等待加重法和司钻法相比有以下几个优点：不用加重钻井液；可以尽快地实施压井作业；可最大限度地减小套管鞋处的压力。

常规压井是利用节流套压（井口回压）来增大井底压力，井内任意深度处所受的压力等于该深度以上钻井液柱压力与井口套压之和。而动态压井时，由于环空压力损失是均匀作用在整个井壁上的，井壁上任意深度处所受的压力等于该深度以上钻井液柱压力与环空压降之和。因此，对裸眼井段而言，动态压井比常规压井对井壁产生的压力要小。

2.3.4 动态法压井应注意事项

①采用动态压井法时，取全地层压力预测值和不同排量下的环空压力损失。影响环空压力损失大小的因素包括：钻井液泵的功率、井径、井深、钻井液性能、钻柱直径等；②动态压井主要依靠环空压力损失来平衡地层压力，由于影响环空压力损失的因素较多，因此不容易控制、量化，可能容易压漏地层，从而造成井控的进一步复杂。

所以小井眼压井的方法，也应根据现场具体情况来确定。具体考虑的因素包括：压井过程中施加给井眼内薄弱地层的最大静压力；循环压力损失；井内薄弱地层处的破裂压力。

比较压井最大静液柱压力与循环压力损失之和与地层破裂压力之间的大小，以确定是否可以利用动态压井法压井。

2.4 小井眼钻井的井控技术措施

①合理设计井身结构，确保高的地层承压能力；②合理选用钻井液性能，满足近平衡压力钻井；③起钻时应做到连续灌浆或按井控实施细则规定灌浆；④严格控制起下钻速度，及时调整钻井液性能；⑤利用有效的溢流检测方法，及时发现溢流；⑥标准化安装井控装置，确保发生溢流或井喷时能迅速控制井口，能在最短时间内恢复井内压力平衡；⑦井场储备一定量加重钻井液和加重材料；⑧根据井深、钻具的不同，选择合适的循环排量。

3 结束语

小井眼由于其井眼尺寸小的特殊性，在钻井作业过程中，应区别于常规井井控进行处置，制定针对性的井控技术措施，尤其是提高溢流检测的及时性、准确性，早发现、早关井、早处置，做到“发现溢流，及时关井；疑似溢流，关井检查；预测溢流，关井循环”。

[1]钻井手册(甲方)编写组.钻井手册(甲方)(上册)[M].北京:石油工业出版社,1990,59-144.

[2]石油天然气钻井井控编写组.石油天然气钻井井控[M].北京:石油工业出版社,2008,26-93.

[3]陈庭根,管志川.钻井工程理论与技术[M].东营:石油大学出版社.2000,142-165.

[4]石油天然气井下作业井控编写组.石油天然气井下作业井控[M].北京:石油工业出版社.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.

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2010-12-14▎

谭世武（1978-），男，工程师，现主要从事井控、钻井及井下作业工程技术管理工作。