恒进气量欠平衡钻井方式气侵特征及井口压力控制研究

张兴全 李相方， 任美鹏 马 龙 徐大融

（1.中国石油大学石油工程学院，北京 102249；2.中国石油大学机械储运学院，北京 102249）

恒进气量欠平衡钻井方式气侵特征及井口压力控制研究

张兴全1李相方1，2任美鹏2马 龙1徐大融1

（1.中国石油大学石油工程学院，北京 102249；2.中国石油大学机械储运学院，北京 102249）

欠平衡钻井打开储层后，随着打开储层的厚度不断增加，储层进入井筒中的气体不断增加，引起井口含气率剧烈变化，从而造成井底压力的失控。计算了欠平衡钻井期间不同井深含气率的变化，分析了不同进气量和井口回压对井筒含气率的影响；在考虑井口回压对井底压力增加值影响的情况下，得到欠平衡钻井打开储层期间恒进气量时井口回压的计算方法。结果表明：井筒中的气体在井口处急剧膨胀，井口回压对井口段气体含气率影响很大，对500 m以下井段含气率影响很小；在恒定进气量下，打开储层厚度越大，井口回压越大，井筒恒进气量越小，需施加的井口回压越大。

欠平衡钻井； 恒进气量；井口回压； 打开储层厚度；气侵

欠平衡钻井过程中，进入井筒中的气体体积与打开储层的厚度和井底与地层的负压差有关。根据欠平衡破岩机理可知，井底压力和地层压力负压差越大，机械钻速越高。在钻开储层后，井底与地层负压差不变的情况下，随着打开储层的厚度增大，井底进气量越来越大，进入井筒中的气体可能会超出地面设备分离能力，或关井时井口压力超过井口防喷器承压能力，从而引起欠平衡钻井井筒压力的失控［1］。在小气侵量下井筒底部两相流流型为泡状流，在钻井液环境下泡状流很快转换为段塞流，在中气侵量和大气侵量时，井口出现搅拌流和环状流［2-4］。当井口出现搅拌流和环状流时，井控和携岩都非常困难［5］。欠平衡钻井只要能保证地层流体能进入钻井环空即可，不必追求过高的欠压值。大港油田欠平衡钻井时欠压值一般取 0.2～1 MPa［6］。

改变钻井液密度和增加井口回压能够改变井底压差［7］，从而控制井底进气量。改变钻井液密度不能改变井筒内含气率的分布，且打开储层厚度后，需要改变的钻井液密度范围很小，不容易精确控制。改变井口回压能够改变井筒内含气率的分布，同时改变井底流动压力，控制井底进气量，且井口回压方便操作，现场应用也证明通过控制井口回压能够控制井底压力的变化［8］。在欠平衡钻井打开储层后，通过改变井口回压来调整井底流压和储层压力之间的压差，保证进入井筒内的气体体积维持在一个恒定值，使井筒内气体流动处于稳定状态。笔者分析了气体进入井筒后不同井深含气率的变化和井口回压对不同井深含气率的影响，得到欠平衡钻井恒进气量时井口回压变化规律，从而为欠平衡安全钻井提供理论依据。

1 恒进气量欠平衡钻井气侵特征

1.1 地层气体进入井筒模型

地层气体进入井筒遵循达西定律，在钻井过程中，随着打开储层的厚度不断增加，进入井筒中的气体不断增加。气井产能用下式计算

式中，pwf为井底流压，MPa；pe为储层压力，MPa；Qsc为气井产能，m3/d；K为储层的渗透率，mD；hi为打开储层厚度，m；T为气层温度，K；μ为天然气黏度，mPa·s；re、rw为气井控制的外边缘半径和井底半径，m；S为表皮因子；Z为气体偏差因子。

1.2 气体在井筒内的分布

气体在钻井液中主要以段塞流形式流动，忽略在井筒底部小段泡状流，采用段塞流模型来计算不同井筒深度下气体截面含气率［9］。

根据经验公式，液相段数区持液率计算公式为

段塞流动气体主要以Taylor气泡的形式运移，则Taylor气泡的上升速度为

液相段内气泡速度为

因此，可以得到段塞流动平均持液率

气体在井筒中的分布遵循气体的状态方程

式中，Hlls为液相段塞持液率；vsg为气相表观速度，m/s；vm为混合物速度，m/s；vtb为 Taylor泡上升速度；D为管道直径，mm；ρ1为钻井液密度，kg/m3；ρg为气体密度，kg/m3；vgls为液相段塞内气泡速度，m/s；σ为表面张力，N/m；Hlsu为平均持液率。

井口无回压情况下，井筒不同进气量时，井筒内含气率分布见图1。

图1 不同进气量下含气率随井深的变化

井底进气量为0.05 kg/s时，井口不同回压时井筒内的含气率分布见图2，可以看出，井口回压对井口段0～100 m 井段气体含气率影响很大，对500 m以下井段含气率影响很小。

图2 不同井口回压下含气率随井深的变化

2 井口压力控制参数计算

根据欠平衡钻井破岩机理可知，井底压力和地层压力负压差越大，机械钻速越高。当钻达储层时，负压差越大，进入井筒中的气体体积越大。在欠平衡钻井过程中，随着打开储层的厚度不断增大，若使进入井筒中的气体体积不变，应通过增加井口回压从而减小井底与地层之间的负压差。在恒进气量情况下，井底压力为

由图2可知，井口压力的增加使得井筒内含气率发生变化。井口压力的增加，截面含气率减小，井筒内静液柱压力增加，进一步增大井底压力。井口回压与井底压力增加值的关系如图3所示。

式中，pwf为井底流压，MPa；pa为井口回压，MPa；ph为井筒内静液柱压力，MPa；pf为两相流在井筒内的摩阻，MPa。

图3 井口压力与井底压力增加值关系

井口回压影响井筒内气液两相分布，改变井筒内静液柱压力，从而改变井底流压。即：

式中，Δph为因井口回压变化引起的静液柱压力的变化，MPa；Δpwf为因井口回压变化引起的井底流压的变化，MPa。

3 计算分析

井深为3 000 m，储层压力35 MPa，渗透率为20 mD，钻井液密度1 200 kg/m3，钻井液排量为30 L/s，井口温度25 ℃，井底温度100 ℃，气体黏度为0.3 mPa·s，打开储层前井底流压为34 MPa。随着打开储层厚度的增大，保持进气量不变，则井底压力的变化如图4所示。

图4 恒进气量下打开储层厚度与井口和井底压力的关系

由图4可以看出，恒进气量为0.05 kg/s时，在打开储层厚度5 m时，开始增加井口压力，在打开储层厚度20 m后，井口压力基本稳定在0.5 MPa；恒进气量为0.01 kg/s时，在打开储层厚度1 m时，开始增加井口压力，在打开储层厚度10 m后，井口压力基本稳定在0.6 MPa。井筒允许的恒进气量越小，井口回压和井底流压越大；井筒允许进气速度越大，井口开始加回压时打开储层厚度越大，井口回压和井底流压稳定时的打开储层厚度越大。

4 结论

（1）井口回压能够有效控制气体的膨胀。气体进入井筒环空后，气体体积在井筒下部变化很小，在井口位置气体膨胀，含气率快速增大，井口回压能够改变井口处气体压力，控制井口的处截面含气率。

（2）根据恒进气量下井口回压与井底压力增加值的关系，可以得到不同储层深度下井口回压大小；允许进入井筒的恒进气量越小，打开储层时井口压力变化越大，井口回压趋于稳定时的储层厚度段越小。根据井筒进入的恒进气量不同，优化井口压力，从而更好地控制欠平衡钻井井筒气体的体积。

［1］陈永明. 液流钻井下的负压差设计与控制［J］. 钻采工艺，2000，23（2）：11-13.

［2］李相方，庄湘琦，隋秀香，等. 气侵期间环空气液两相流动研究［J］. 工程热物理学报， 2004，25（1）：73-76.

［3］李相方，刚涛，隋秀香，等.欠平衡钻井期间地层流体流入规律研究［J］. 石油学报， 2002，23（2）：48-52.

［4］庄湘琦，李相方，刚涛，等. 欠平衡钻井井口回压控制理论与方法［J］. 石油钻探技术，2002，30（6）：12-14.

［5］徐小峰，陈玉峰，靳鹏菠，等. 欠平衡钻气井井口回压控制理论及实践［J］. 天然气技术，2010，4（4）：21-23.

［6］何卫滨. 流体欠平衡钻井压力控制［J］. 钻采工艺，2000，24（2）：7-9.

［7］杨虎，鄢捷年. 欠平衡钻井中钻井液密度的确定与控制方法［J］. 石油钻采工艺，2003，25（6）：5-9.

［8］周英操，王广新，唐丽华，等. 欠平衡技术在汪深 1 井中的应用［J］. 钻采工艺，2005，28（5）：10-13.

［9］王卫阳，陈听宽，罗毓珊. 垂直井筒气液段塞流压力梯度的简便算法［J］. 中国石油大学学报：自然科学版，2006，30（4）：75-77.

（修改稿收到日期 2013-03-19）

Characteristics of gas kick in underbalanced drilling with constant air intake fl ow and of wellhead pressure management

ZHANG Xingquan1, LI Xiangfang1,2, REN Meipeng2, MA Long1, XU Darong1

（1. College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China;2. College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China）

In the process of penetrating the reservoir by underbalanced drilling, with the increase of the penetrated reservoir thickness, the volume of gas kicking into the wellbore increases, which causes the drastic change of wellhead void fraction, leading to the bottom-hole pressure out of control. The changing of void fractions in different well depths are calculated during underbalanced drilling,and the inf l uence of different air intake fl ow and wellhead back pressure on wellbore void fractions is analyzed. In consideration of wellhead pressure adding value on bottom hole pressure, the computing method of wellhead pressure of constant air intake fl ow is obtained for penetrating the reservoir by underbalanced drilling. The results show that gas rapidly expands when it reaches the surface, and the wellhead back pressure have a enormous effect on the void fractions at wellhead while have a little inf l uence on the void fraction under 500 meters. Keeping the air intake fl ow constant, with the increase of the penetrated reservoir thickness, the wellhead pressure increases.The smaller the air intake fl ow, the bigger the wellhead pressure needs to load.

underbalanced drilling; constant air intake fl ow; wellhead back pressure; penetrated reservoir thickness; gas kick

张兴全，李相方，任美鹏，等.恒进气量欠平衡钻井方式气侵特征及井口压力控制研究 ［J］. 石油钻采工艺，2013，35（3）：19-21.

TE249

A

1000 – 7393（2013） 03 – 0019 – 03

国家科技重大专项“南海深水油气开发示范工程”（编号：2011ZX05056-001-03）部分内容。

张兴全，1986年生。现主要从事井控和多相流动研究，硕士研究生。E-mail：zxq336998@163.com。

〔编辑

薛改珍〕