关井侵入气体运移规律探讨

2013-12-01李旭光中石化华北分公司第一采气厂河南郑州750000长江大学石油工程学院湖北武汉430100

长江大学学报(自科版) 2013年14期

李旭光（中石化华北分公司第一采气厂，河南郑州750000；长江大学石油工程学院，湖北武汉430100）

杨波（长江大学石油工程学院，湖北武汉430100）

孙晓峰（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）

气泡带压上升理论可这样简述：假设温度不变，流型为连续气柱，井筒是刚性的。气侵关井后，侵入气体由于密度差向上运移，但由于井筒容积一定，钻井液不可压缩（非假设条件），所以气体运移过程中保持初始井底压力不变，随着气体运移，井底压力将不断增高，并有压漏套管鞋处裸露地层的可能，按照这一理论支撑的压井方法通常称为体积法压井。

表1 水的体积压缩系数

1 液体不可压缩的相对性

对于液体的压缩性（以水为例），在温度不变的情况下，引用一组数据来说明液体的压缩性（见表1）。

从表1中可以看出，如从压力为8MPa算起，压力每增加0.1MPa，水的体积改变量为0.505×10－4，可见其压缩性很小，其他液体也一样。

2 关井前后气体在井筒中运动流型

在敞口管道中的气液两相流动规律大致是从泡状流、弹状流向环状流过渡。关井后的井筒显然已不是敞口管道模型，这里不能允许气体、液体自由形变，气体运移规律显然已不能应用敞口管道中得出的气液两相流动规律理论公式。

笔者对气体流型做定性讨论。气侵关井前，由于地层渗透率不同，进入井筒的气量也不同。相同时间内，高渗地层的进气量可能会高些。进气量多可能在运移过程中出现弹状流，进气量少则为泡状流运移，所有气侵气体以连续气柱形式（见图1）出现是缺乏依据的。

图1 连续气柱模型

图2 泡状流模型

气侵后，井筒底部出现泡状流（见图2），向上运移过程中气泡合并，可能出现弹状流，该观点已有学者通过试验井证明。如果关井及时，气体在最初时间内将以气泡形式出现在井底，这时气体压力为地层压力，由于关井液体压缩，井口产生回压，即出现关井套压，当然液体体积变化在万分之一以内，关井套压产生的时间也是非常短的，可参考压力波传播规律计算。

图3 U型管模型示意图

3 U型管模型计算气侵后井底压力

气侵关井后，井口产生回压，回压大小被套压表随时监测。若钻具在井底，可利用U型管模型（见图3）计算井底压力。通常在参考资料中得到井底压力Pb计算公式：

或：

式（1）可以接受，式（2）则对井底压力高估。无论是连续气柱模型，还是泡状流模型，笔者认为通过关井套压计算初始井底压力公式可表示如下：

或：

式（3）可解释为气侵关井后，气泡压力较高，气泡以上钻井液被气泡桥堵，但气泡压力大小很难获得。式（4）理解为气侵关井后，气体压力高于钻井液静液压力，钻井液被压缩，井口压力增高，由气侵所引起的增高压力已经被套压表监测到，这时井内液体为连续相，压力可沿液体传播，故无需考虑气泡压力（忽略气体自重产生的压力）。

4 关井气体运移速度、压力的变化规律

气侵关井后，气体有可能不运移。对单一气泡做受力分析可以得出气泡上升速度的大致规律。

对单一气泡有力学方程：

式中，ρm为钻井液密度，kg／m3；V为单一气泡体积，m3；F为单一气泡受到的粘滞力，N；M为气泡质量，kg；g为重力加速度，m／s2；a为气泡上升加速度，m／s2。

由式（5）知，在单一气泡重力忽略不计的情况下，气泡是否运移可认为是浮力和粘滞力是否平衡的结果。在高温、高粘度钻井液中，气体的粘度也很大，气泡受到的粘滞力很大，如关井及时，分散在井底的小气泡是可能不运移的，这时只能通过循环排出气泡。若浮力大于粘滞力，气泡产生加速度，向上运移，但钻井液的粘度随温度下降而增高，气泡受到的粘滞力会不断增大，而浮力却没改变多少，气泡的加速度会不断减小，其结果是气泡整个运移过程中速度是不断加快的，但越接近井口，气泡运移速度加快的频率变慢。

以上仅是简单的受力分析得出气泡运移速度的大致规律。具体的讲，气泡运移速度大小受到地层渗透率大小、气泡尺寸、环空间隙、钻井液性质、气体性质、井眼轨迹等多因素影响，离开具体井谈气泡上升速度是没意义的。

5 关井后气体运移过程中压力的变化规律

气泡带压上升理论认为井筒是刚性的，井筒容积不变，钻井液不可压缩，整个气泡运移过程中气体体积保持不变，故运移到井口后，气泡压力仍然是初始井底压力，而此时的井底压力已经是2倍于初始井底压力或略小于2倍初始井底压力。气泡带压上升理论说气泡压力保持不变在短距离运移是可以接受的，而气泡沿长距离井筒运移过程中的温度不断降低，压力必然受影响。