压井过程中井底压力的控制方法

李 黔 杨先伦 伍贤柱

1．西南石油大学石油工程学院 2．陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院 3．中国石油川庆钻探工程公司

在常规压井过程中虽然对套压变化规律研究较多，但是作为控制井底压力变化的节流阀操作基本上是应用立压控制法。充分利用立压和套压数据变化趋势，使用节流阀来产生回压，以保证井底压力略大于地层压力的条件下排除溢流和进行压井，该方法称为井底压力控制法［1－2］。井底压力控制法对井底压力的控制能更平稳，更及时，避免了井涌的二次产生和地下井喷的风险［3］。随着随钻井底压力测量技术的发展［4－5］，可以使现场对钻遇的压力系统做出快速准确的抉择，显示出处理井控复杂方面的应用前景。

1 气侵时常规压井中套压的变化

司钻法压井第一循环周用原钻井液排除地层侵入流体，当气体从井底到井口环空上返的过程中套压都是逐渐上升的，气体在接近井口时上升较快，到达地面时套压达到最大。当气体循环出井口时套压急剧下降。溢流排完时套压等于关井立压。司钻法第二循环周时，压井液从井口向钻头下行时，套压维持不变，当压井液从井底环空上返时，套压逐渐降低，压井结束时，套压为零。

工程师法压井，气体在环空上返时套压逐渐升高，气体接近进口时套压上升较快，气体到达地面时套压达到最大。排除气体的过程中，套压逐渐下降至零［6］。

1．1 套压是保障压井作业顺利进行的关键

为保证压井成功规避井控风险，在压井作业中实时监测预测井控问题尤为关键。套压作为重要的井控参数，能及时发现压井过程中出现的井控问题并解决（表1），以保障压井作业的顺利进行。

表1 压井中可能发生的井控问题表

1．2 套压是衡量井控风险的重要指标

在油气井钻进中，由于地层压力预测方法本身的缺陷而存在一定的误差［7］，这种误差还只有依靠实钻监测进行实时处理，尤其在新区和新层中的钻井作业中。井涌强度越高，地层流体侵入量越大，则需要控制的井口回压越高。套压越高，井筒压力安全性的考验就越大［8－9］。因此，检测到溢流就需要立即关井。操作节流阀，借助它的开启和关闭维持一定的套压，将井底压力变化控制在一定窄小的范围内。为避免套压过高，压漏井筒薄弱地层，必要时需要降低套管压力极限，保证井筒安全。

1）降低流体侵入量：提高早期溢流监测能力，及时发现溢流，建议关井方式选择硬关井。

2）增加压井排量：环空压耗大（分布在整个环空）有助于不使地层过载而又增大井底压力。

3）超重密度压井液：超重密度钻井液到达环空时，附加的静液柱压力将有效地降低套压。

4）气涌高于套管鞋时：气体静压力梯度低，当气体在套管鞋上方时，作用在地层上的静液柱压力会减小。在不压裂地层的情况下，套压可以适当增大。

1．3 套压在常规压井中的运用

在压井作业中，溢流物从井底运移到井口，如果地层流体是气体，必然发生膨胀，为保持井底压力大于地层压力，必须增加井口套压。立压控制法在常规压井中应用广泛，然而在运用该法压井中，因压力传递存在的延迟性，对节流阀操作人员技术要求高［10］。压力传递如图1所示，立压控制法比套压控制法压力传递路径长1倍，压力传递时间多1倍，压力传递延迟性，前者远比后者长。为了消除压力延迟，更好地处理气柱膨胀带来的压力变化，节流阀开度应尽量保证不变，操作平稳，这样保证了控制压力的准确性和及时性［11］。因此运用套压控制法调节节流阀能更精确更及时地保持井底压力在安全窗口的范围。

图1 压力传递路径图

2 常规压井技术井底压力控制改进

2．1 压力控制方法对比及改进

常规压井中套压的应用必须由被动的参数记录，压井过程后期分析的简单应用向主动指导压井施工方向发展。积极运用套压，可以把套压极限问题减到最低程度，并且可以尽量消除压力传递的延迟性。

改进的井底压力控制法［12］和常规压井法在压力控制原则是一样的，即井底恒压。唯一不同的是在操作程序上，充分利用了立压和套压，即在压井不同时间段节流阀操作依据不一样。套压变换越小，越平稳越平缓甚至无变化，就采用套压控制法；套压变换迅速就采用立压控制法。

井底压力控制法应用了立压和套压，压井过程中根据压力变化交叉综合运用，解决了初始立管压力到终了循环压力，操作节流阀的难度问题，消除了压力延迟性的影响，并且对压井作业中的异常现象做了分析。根据以上分析，压力保持平稳变化越小，压力延迟就越小，节流阀操作越容易，压力控制越精确。立管压力变化趋势越剧烈，采用套压控制井底压力能更好地处理井下气体膨胀问题。3种压力控制法对比见表2。

表2 3种压力控制法比较表

2．2 随钻井底压力测量（PWD）在井控中的应用

PWD可直接精确测量环空井底压力，能更早发现压力变化，这对消除压力计算模型计算值的不确定性，具有重要的意义［13］。压力数据可实时传输，在停泵模式下，测得的最大、最小和平均压力，当循环开始通过钻井液脉冲传输到地面。测量结果提供的信息，能直接判断溢流物类型（油气侵），判断分析井涌余量、井下是否井漏，避免溢流、井涌等复杂情况的发生，减少压漏地层出现地下井喷的风险［14］。PWD测量数据在井控中的应用主要有：井涌检测、破裂压力试验和关井压井压力曲线分析，指导压井施工。

图2显示一种典型的盐水溢流。在接单根后钻进至井深2 057m时（钻井液密度2．01g／cm3）液面上涨1．9m3，发现溢流，PWD记录的井底压力小于了地层流体压力。由于地层流体的侵入，测量的当量钻井液密度减小至2．04g／cm3。立即停止钻井作业并进行关井作业，PWD记录了关井—压井过程中压力恢复曲线。传感器中得到了溢流至关井井底钻井液当量密度的减小过程，在关井时已减小到1．98g／cm3（停泵环空压耗消失）。关井求压得地层压力当量密度2．06 g／cm3。在地层压力恢复期间调配密度2．06g／cm3压井液，压井方案采用工程师法准备实施压井作业。开泵实时PWD数据记录了将钻井液密度由2．01g／cm3提高至2．06g／cm3，用压井排量15L／s循环排除侵入流体，重新建立井筒压力平衡的钻井液当量密度曲线。开泵注入高密度钻井液循环压井，开关节流阀控制井口回压排除侵入流体产生了井底压力当量密度波动。由图2所示当量密度波动范围为2．04～2．10g／cm3，主要是因为井口回压控制不合理造成的。根据PWD记录数据及时调整回压钻井液当量密度由2．08↓2．04↑2．10↓2．05↑2．08g／cm3最终趋于稳定，说明井口回压控制合理正常能够满足井底恒压的原则。压井结束后钻井液面回到了溢流前位置，成功实现溢流的排除。

图2 溢流时PWD压力记录曲线和常规录井曲线图

从图2中也可以直观地发现当井底当量钻井液密度有下降趋势的时候，泥浆池液面变化并不明显，因此根据PWD数据能有效识别井底地层流体气侵状态，及时发现溢流，是早期溢流监测方案的有利补充，为油气井发生溢流后的二次井控创造更为有利的条件。

实时PWD数据与常规钻井液录井数据结合，能够用于解决井控问题，指导井队安全有效压井，可提高压井成功率，降低井控风险。

3 结论和建议

1）通过立压控制法和套压控制法的对比，提出了井底压力控制法的操作程序和使用原则，为其现场的进一步应用提供了借鉴。

2）在压井单上，建议增加套压变化数据和曲线，以保证节流阀操作人员更为方便和快捷的操作节流阀。

3）随钻井底压力测量技术能实时获得真实的压力数据，可以优化钻井液密度和当量循环密度，建议进一步加强研究软件硬件配套技术，对常规压井技术进行有效改进。

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