关于浅层气井压井液安全附加值的探讨

2013-10-25姚展华赵世华任秋军蔡茂佳李晓祥宿永鹏

石油地质与工程 2013年4期

姚展华，赵世华，任秋军，蔡茂佳，李晓祥，宿永鹏

（1.中国石油渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津 300283；2.中国石油大港油田公司勘探事业部）

根据埋藏深度天然气藏可分为浅层、中层、深层和超深层气。目前各国对于深浅层的划分无统一的标准，我国的学者们认识也不完全统一，一般认为，浅层气埋深小于1500 m，中层气埋深1500～3500 m，深层气埋深3500～4500 m，超过4500 m为超深层气。

预防浅层气井井喷是一个世界性的井控技术难题，国内外几乎每年都有浅层气井井喷的事故发生。大港油田港西、港东等油区浅层气分布较广，在这些地区的勘探开发中，先后有多口井发生过浅层气井井喷事故，造成井眼报废、井喷着火等严重后果。许多人认为浅气层地层压力低，不会造成井控事故，而实际上，井越浅，平衡地层压力的压井液液柱压力也越小，一旦失去平衡，浅层的油气上窜速度很快，很短时间就能到达井口，浅气层的存在往往是发生井喷事故的潜在危险。常规的检测仪器与方法很难满足浅气层井控需要，利用经验与数学模型描述浅气层的流动很困难。因此在浅层气井试油气时，我们一定要准确确定压井液密度，做好一次井控，这就需要针对浅层气井的特殊情况合理选择压井液安全附加值。

1 浅层气井井喷的原因及特点

1.1 浅层气井井喷原因［1］

（1）地层压力异常，一旦井喷，能使油气井迅速卸载，层位浅使报警信号反应时间短，天然气可能在几乎没有报警的情况下就到达地面，很容易让人措手不及。

（2）由于压井液密度较低，加上起管柱时的抽吸作用，以及向井内灌压井液不及时等因素，试油过程中发生井喷可能性大。

（3）在静止状态下，气体主要通过扩散作用侵入井眼，在一段时间内，气体会逐渐产生积聚现象，慢慢地形成气柱。由于天然气密度低，具有可压缩、易膨胀的特点，在置换作用下，气柱会逐渐上升，随着作用在气柱上压力的降低，气柱体积不断膨胀，并最终导致井喷。

（4）井漏后，液柱压力下降，在浅气层己钻开的情况下，容易发生井喷。

1.2 浅层气井井喷特点［2－3］

（1）易发生，速度快。浅层气埋深浅，一旦侵入井眼，比油、水侵入井筒的速度快，短时间内就会运移到井口，造成井喷。从溢流出现到井喷发生，往往只间隔几分钟，在如此短的时间内很难采取有效措施控制井喷。

（2）处理困难。浅层气埋藏浅且地层疏松，地层压力与地层破裂压力相差很小，表层一般是薄弱地层，容易憋裂，井喷处理难度比常规井大。

（3）危害大。浅层气井井喷属于严重的井喷事故，危害极大，常会引起火灾，造成人员伤亡、油气井报废、烧毁井架；井喷塌陷时，作业平台与设备可能下沉；喷出的气体不管有没有毒都会污染环境。

（4）在浅层气井起下管柱时，井筒压井液液柱压力稍不平衡，天然气就会迅速进入井眼，造成井喷；起带有大直径工具时尤其危险，可能使井筒内所有压井液喷出。

2 浅层气井气侵运移规律

天然气侵入井眼后，呈气－液两相流动状态，形成泡状流、段塞流等形态。压井液循环时，气体随着压井液循环在井内上返，同时在压井液中滑脱上升。压井液不循环时，压井液中的气体由于密度小，在压井液中置换上升。

天然气刚侵入井内时，处在井底，受到的压力大，体积小，对压井液密度影响小。天然气从井底向井口上升过程中，由于所受液柱压力逐渐减小，气泡就逐渐膨胀，体积增大，单位体积压井液中天然气体积增多，压井液密度则逐渐减小。当气泡上升至接近地面时，气泡体积膨胀到最大，而压井液密度降低到最小。天然气侵入井内后，井内压井液密度随井深自下而上逐渐变小［4－5］。

根据波义耳定律绘制了浅层气气侵体积与井深的关系图（图1），密度为1.20 g／cm3的压井液在井底1500 m处仅侵入了0.1 m3的气体，而随着气体沿井筒上升，气体体积逐渐膨胀。侵入气体在1500 m至450 m处体积变化相对较小，但此阶段是发现溢流、控制井口的的最佳时机，当气体上升至距井口300 m处时体积由0.1 m3增至约6 m3；上升至150 m处时，气体体积增长到约12 m3；150 m处至井口气体迅速增大至100 m3。

图1 浅层气气侵体积与井深关系

3 压井液安全附加值的分析

3.1 附加密度和附加压力的关系

许多人把附加密度和附加压力认为是等同的关系，这是认识上的误区。实际上，到底采用附加密度法好还是采用附加压力法好，要根据具体情况来定。

图2是井深与附加压差关系图，图3是压差为3 MPa、5 MPa时井深与压井液密度附加值的关系曲线。从这两个图可以看出：采取当量密度附加法，气井的附加密度为0.07～0.15 g／cm3。对于浅井此法确定的压井液密度值小，安全底线是压井液密度足以平衡环空压耗和起管柱抽汲的共同作用，保证起下管柱安全。采取井底压差附加法，按气井井底压差3.0～5.0MPa确定当量密度。这种方法对于浅井设计出的压井液密度值大，足以抵消环空压耗和起管柱的抽汲力。但是，要防止压井液密度过大压漏地层，造成先漏后喷。

上述是以计分模式为基础的客观性题目等级设定方式，正在主观题等级设定方面，需选择使用安戈夫的改进方法。其中，良好等级的标准就是每个试题最低分数是2分。所以，如果主观题的试题数量是8个，那么良好等级的标准就是16分。通常来讲，如果一套试题当中包含了客观题与主观题两种类型，在判定等级标准的时候应按照以下方法进行：

图2 井深与附加压差关系图

图3 压差为3MPa／5MPa时井深与压井液附加值关系曲线

3.2 气侵后的压井液密度计算及气侵后液柱压力减小值

（1）天然气侵入压井液密度计算式为：

式中：ρmh——在井深H 处气侵压井液密度，g／cm3；a——地面气侵压井液密度与气侵前压井液密度的比值；ρm——未气侵压井液密度，g／cm3；Ps——地面压力，MPa（开井时取0.098 MPa，关井时取关井套压值）；H——计算井深，m。

（2）气侵压井液柱压力减小值公式为：

式中：ΔPm——受侵压井液柱压力减小值，MPa；其它符号意义同上。

表1给出了密度为1.20 g／cm3的压井液受气侵后在各个井深点的静夜柱压力减少值，压力降低百分比。可以看出，随着井深增加，受气侵后压井液柱压力减少值也在增加，而压力降低百分比则是随着井深增加而减少，而且百分比降低幅度相对较大；当气侵后即使压井液密度减半，变为0.60 g／cm3时，各个井深点的压力损失值最大为0.669 MPa，损失极小，而各个井深点的压力降低百分比最大则为9.819%（井深305 m处）。由此可以看出，压井液受气侵后，在浅井处压力损失值虽然最小，但是其压力损失百分比却是最大，所以在浅层气井压井液附加安全值应适当加大，建议取值0.20 g／cm3。