油气井放喷后压井方法研究

2013-09-07梁玉林文小勇靳晓伟杨海溶

石油工业技术监督 2013年9期

关键词：压井环空平衡点

梁玉林文小勇靳晓伟杨海溶

1.西南石油大学石油工程学院（四川成都 610500）

2.中国石油川庆钻探工程公司钻采工艺研究院（四川广汉 618300）

3.中国石油川庆钻探工程公司川西钻探公司（四川成都 610500）

4.中国石油西部钻探工程公司准东钻井公司（新疆昌吉 831100）

在钻井、修井或者油气测试过程中，若遇到高压地层或井口压力过高，需要进行放喷，缓解井口设备的承受能力，此后再利用压井液进行压井。此时，油气井的基本情况为防喷器完好并且关闭，管柱在井底，天然气经过放喷管线放喷。这种方法是一次循环法在特殊情况下压井的具体应用[1,2]。

此方法的基本原理即是钻井液喷空后的天然气井在压井过程中，环空存在一“平衡点”。所谓平衡点，即压井液随气体上返到一定程度时，井口套压加上气液两相流所产生的压力刚好能够平衡地层压力。当到达平衡点之后，继续循环，逐渐降低套压，直到环空充满压井液，套压降为零[3,4]。

1 压井基本参数及其计算

1.1 地层压力计算

1.1.1 放喷过程井底压力计算

基本假设:①以井口为计算起点，沿井深向下为Z的正方向，与气体流动方向相反；②忽略动能压力梯度。

则气井放喷过程中，压力梯度方程为[5]:

放喷时，任意流动状态下的气体流速可表示为

将气体密度公式和上式代入（1），得到

将（3）分离变量积分为

最后得到放喷过程井底压力为

其中s为指数系数，D为当量直径，具体表达式如下:

式中:ρg为天然气密度，kg/m3； g 为重力加速度，m/s2；f为T、P下的摩阻系数；v为任意位置流动状态下的气体流速，m/s；D为井眼当量直径,m；vsc为气体放喷过程中的标准状态下气体流速，m/s；Bg为气体体积系数；qsc为标准状态下气体产量，m3/s；T为该井眼任意位置处的温度，℃；p为该井眼任意位置处的压力，MPa；Z为气体压缩系数；γg气体相对密度；为井筒平均温度和气体平均偏差系数；Pa井口放喷压力，MPa；e为自然对数；D1为套管段井眼直径，m;D2为裸眼段井眼直径，m;A为井眼环空面积，m2。

1.1.2 地层压力计算

开展施工作业的时候，应当在完成了排水管道施工之后，对其进行压力试验，有助于了解施工的质量情况，对产生的问题及时予以补救，提高工程建造的质量。试验的方法可以利用气压和水压，可以通过管道的性能来判断和掌握要采用哪种方式。在试验过程中，详细检查管道的施工接缝位置，并记录结果。如果使用PP－R管的管材，那么就要开展两次试验，可以设置在整个施工的前期和后期，在试验的过程中，应当着重注意两个方面的问题。首先是连接部位，其次是室内管道部分。这些地方尤其要注意它们的密封性是否良好，否则水不能够正常地被排放出去就会引发事故。

压井过程，就是要使井内液柱压力平衡地层压力，要确定压井液的密度必须首先确定地层压力，根据二项式产能公式来计算地层压力为[5]:

求出地层压力之后，即可求出压井液密度。

式中:Pp为地层压力，MPa；Pb为井底压力，MPa；k 为地层渗透率，10-3μm2；rw为井底半径，m；re为气层半径，m；β为速度系数，m-1；μ－为气体平均黏度，mPa·s;h 为气层厚度，m;Tsc为标况下温度，℃;Psc标准状况下压力，MPa。

1.2 压井排量确定

钻井液喷空后，需要迅速建立井内压力平衡，在开始压井时，到达平衡点之前，要用最快速度阻止气体侵入，因此，开始压井之后可以用允许的最大排量。平衡点法压井排量应以在用缸套下的最大泵压来计算。当压井液到达平衡点之后，为了减小设备负荷，可采用正常压井排量循环[6]。

1.3 平衡点计算

1.3.1 平衡点气液两相流模型

在压井液到达井底并开始从环空上返，环空开始呈现气液两相流动状态。此后环空液体逐渐增多，因此环空井底压力逐渐增大，气体侵入量渐渐减少。因此，计算平衡点时间时，压力关系式为:

式中:Pao为井口套压，MPa；Pf为环空气液两相流所产生的井底压力，MPa。下面具体研究Pf求法。

由于环空井底压力不断增加，此后，气体侵入不断降低，在这个过程中应当使用达西定律来计算气体侵入量。应用Amoco公司Nichens等人建立的气体侵入流量公式来计算气体在压井过程中的溢流量，其表达式如下:

式中:h 为气层厚度,m；μg为地层气体黏度,Pa·s；c 为综合压缩系数，Pa-1；t为溢流时间，s；vm为气液混合物流速，m/s；ρm为气液混合物密度，kg/m3；α 为井斜角；φ为孔隙度；rw井底半径，m。

在压井过程中，到达平衡点之前，Qg和井底压力是一个相互影响的过程，环空进入压井液之后，Qg降低，Qg降低之后，环空含气率，混合密度都会发生变化，从而又使井底压力增加。因此，要用到数值方法来进行求解。

1.3.2 模型求解

（1）确定初始和边界条件

到达平衡点之前，井底压力为气井放喷时的井底压力，气井气侵量即为放喷时的产量。刚刚达到平衡点，井底压力刚好等于地层压力，气侵量为零。因此可以得到初始条件和边界条件为:

式中:Pb0为放喷时井底压力，MPa；Qg0为气井放喷时的产量，m3/d。

方程求解过程中，时间和空间都是影响因素，因此取时间间隔Δt为不变的步长，Δz为井深步长，应用以上的初始和边界条件，即可求解。

（2）计算流程

①根据在用缸套直径计算出最大压井排量；②计算钻柱、环空、井筒容积，并且根据钻柱容积和压井排量计算出压井液到达井底时间；③根据天然气放喷量确定地层压力，并且确定压井液密度；④节点序号用i表示，ti时刻，选取压力增量和空间步长；⑤计算此时气体和液体流量Qg和Ql，表观流速vsg，vsl以及混合物流速vm和各种无因次量，并判断流型；⑥计算相应流型下的持液率、混合物密度、摩阻系数和压力梯度（dp/dz）i,ΔZi；⑦若/Zi＜ε(误差)，则下一步计算，否则令Z0=Zl,重复计算回到第4步；⑧计算出井底压力，如果 Pb＜Pp，则 i=i+1，回到第 4步继续迭代计算直到Pb=Pp，后计算出平衡点时间；⑨改变排量，继续压井，直到套压为零，压井结束。

2 压井实例计算

某井井深2010m，井径311mm，钻杆外径127mm，钻杆壁厚 18.4mm，钻井液密度 1.12kg/m3，地热增温率 41.5m/℃，井口温度 20°，井口放喷压力 5.5MPa，天然气相对密度 0.6，天然气放喷量2237233m3，井口承压力 15MPa，井口套压 10 MPa，气层半径为5000m，气体黏度20mPa·s，套管鞋处破裂压力梯度0.016MPa/m,地层综合压缩系数6×10-5MPa，钻头未装喷嘴。

通过编制程序计算了压井的部分参数，并与该井现场相关记录数据进行了对比（表1）。