气井钻井溢流早期监测技术

冯光通

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院， 山东东营257017)



气井钻井溢流早期监测技术

冯光通

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院， 山东东营257017)

摘要：针对常规气井钻井过程中易发生的早期溢流问题，开展了气井钻井溢流早期监测研究。在分析气体侵入方式基础上建立了气侵流动机理模型，分析了天然气溢流对井内压力的影响；研究建立了钻井环空多相流动数学力学模型，得到了钻进过程中允许的气侵溢流临界条件判别式，进一步结合泵工作冲数和立管压力确定了早期溢流发现的判别方法。将气井钻井溢流早期监测技术应用于气井钻能在发生溢流量较少时及时发现溢流现象并报警，利于及早排出溢流，恢复安全正常钻进作业，大大降低溢流处理费用，减少溢流发现的人为因素影响，对提高气井钻井的安全性和效益有着十分重要的意义。

关键词：气井钻井；溢流；早期监测技术；气侵流动机理；多相流

目前，溢流是影响气井钻井施工安全最为严重的复杂情况之一。溢流不仅严重阻碍钻井作业的正常进行，降低钻井效率，甚至可能引发井涌、井喷等事故，进而造成巨大经济损失，甚至人员伤亡[1-3]。因此，及时发现并排除溢流，恢复安全正常钻进，对提高气井钻井的安全性和效益有十分重要的意义。目前国内油气田在开采过程中应用最多的监测方法是利用钻井液流量计、泥浆池液面监测仪以及钻井地质综合录井仪进行监测，一般是由人工定时观测、记录并对比，以便判断是否出现溢流或者井漏等事故。这种判断方法的自动化程度不高，从发生溢流到溢流被发现会有一定滞后性，并且可能会因为人为的疏忽而导致较为严重的后果[4-5]。为此，笔者通过对气井钻井溢流时环空流动系统的数值计算与模拟分析，研究了天然气溢流对井内压力的影响，并综合录井仪实时分析录取到的地面监测数据，对溢流进行实时、自动化监测。

1气井钻井溢流特征

气井钻井常发生天然气溢流，由于气体的特殊性，溢流后的处理比液相溢流要复杂得多。在气层钻进中，井底压差小于或大于零状态下都有可能发生溢流[6]。

1.1气体侵入方式

目前在高压地层钻井时，气体侵入井筒的主要方式包括渗流侵入、随钻侵入、置换侵入及扩散侵入[7-8]。其中，井内压力小于地层压力情况下，地层气体在地层压力与井内压力差的作用下进入井筒，称之为渗流侵入。国内外对这方面已进行了较多的相关研究，但是对气藏天然气渗流的机理研究尚不够深入和系统。

1.2地层渗流数学模型

若发生天然气渗流侵入，无论是在孔隙型还是孔隙—裂缝型地层，天然气渗流侵入的能量都主要来自地层和天然气的膨胀，此渗流过程是一个弹性不稳定渗流过程。

1.2.1多孔介质渗流模型

对于新区钻井钻遇气层时天然气渗流侵入的问题，可认为是在无限大地层中以变产量生产时的弹性不稳定渗流问题，若假定：①渗流为等温过程；②气体粘度μ为常数；③地层均质，即渗透率K、孔隙度φ均为常数且不随压力变化；④压力梯度很小，服从线性渗流定律，可得此条件下的天然气不稳定渗流的数学模型为：

(1)

其中，ψ为拟压力(也称压力函数)，ψ=∫ρdP+C；C(P)为气体的等温压缩系数。

(2)

将压力函数换算成压力，可得无限大地层中变产量生产时气体不稳定渗流方程的解为：

(3)

其中，Z为地层温度、地层平均压力下的天然气压缩因子；Tf为地层温度(℃)；脚标“a”表示标准状况；Pa、Ta分别表示标准状况规定的压力(MPa)和温度(℃)；ρa表示标准状况下气体的密度(kg/m3)。

1.2.2孔隙—裂缝双重介质渗流模型

对具有一般孔隙结构的岩块和分割岩块的裂缝系统所组成的双重介质储层，假定其中裂缝系统的渗透率和孔隙度分别为K1和φ1，岩块系统的渗透率和孔隙度分别为K2和φ2。相对于裂缝而言，岩块系统的渗透率极差，可以认为K2=0，则单相液体在其中的渗流模型为：

(4)

对于双重介质中的天然气渗流，若假定：①渗流为等温过程；②气体粘度μ为常数；③地层均质，即渗透率K、孔隙度φ均为常数且不随压力变化；④压力梯度很小，服从线性渗流定律。则可得在孔隙—裂缝结构无限大地层中变产量生产时天然气不稳定渗流的数学模型为：

(5)

其中，ψ称为拟压力，ψ=∫ρdP+C；脚标“1”表示裂缝，“2”表示岩块；M(t)为气体的质量流量，(kg/d)，M(t)=ρaQ(t)。

通过分析渗流过程表达式可知，无论在一般孔隙介质地层还是孔隙—裂缝结构地层,钻进中发生天然气渗流侵入时，若保持井底压力不变，则由于天然气和地层中介质的膨胀而引起的天然气渗流的侵入速度将随时间增加而减小；若井底压力降低，则天然气渗流侵入速度将增加；在钻遇一定气层时，若发生天然气渗流侵入，井底压力的变化对气相侵入流量有较大影响。

2钻井环空多相流动数学力学模型建立

2.1环空多相流动控制方程

在考虑环空向上流动的稳定流动过程中，环空处于气/液两相流动，气相在上升过程中有膨胀和滑脱现象[9-10]，流动型式也随向上流动过程而有变化(泡状流、段塞流、搅动流等)，其流动特征非常复杂，应按漂移流动模型来分析和研究该环空向上流动过程的流体动力学问题[11]。

在研究中假定：①井眼形状规则，环空截面为一同心圆环形截面；②忽略气相在钻井液中的溶解，且两相间无化学反应；③用截面流体的平均特征和分布系数修正方法表征过流截面的流体参数；④环空内两相段在同一位置处的气相和液相温度相同，无热量交换。假定t时刻，在流道z位置的井斜角为α，环空直径为dh和dp，过流断面的面积为A，对于稳定的一维多相流动模型，建立其基本方程式如下：

气相连续方程：

(6)

液相连续方程：

(7)

动量方程：

(8)

式(8)表明，沿流道dz长度的总压降等于流体沿流道dz流动的摩擦压降、重力压降和加速度压降之和。

2.2环空多相流动物理参数计算

在钻井环空的多相流动过程中，H井深处的各物理参数可用如下方程描述。

①流动速度方程：

(9)

②对环空向上流动方程：

(10)

式中，uT∞为气泡或Taylor泡上升速度。

③含气率方程：

(11)

④温度方程：

Th=To+HΔt,

(12)

式中，To,Δt分别为当地地面温度和地温梯度。

⑤气/液相密度方程(气相可压缩)：

(13)

⑥混合物粘度方程(采用Cicchitti计算公式)：

μ=xgμg+(1-xg)μl。

(14)

⑦环空裸眼井段地层气相流入方程：

气相流入时，按气体平面径向稳定渗流规律，其数学模型为：

(15)

边界条件：r=rw,p=pw;r=re,p=pe。式中，rw,pw为dz微段处的井眼半径和井内压力；re,pe为dz微段处的储层供给半径和储层供给压力。

考虑气相的等温渗流过程，得到标准状态下平面径向流气体体积流量表达式为：

(16)

3天然气溢流对井内压力的影响分析

气井钻井出现气侵溢流时，可按气侵溢流的环空流动特点分为轻度溢流、中度溢流和严重溢流。

3.1轻度气侵溢流时井内压力分析

对轻度溢流，环空流动为泡状流动过程，在钻进过程中，泵入的钻井液排量ql、密度ρl、塑性粘度η等参数可测，返出井口的钻井液排量qglr、密度ρglr、塑性粘度η等参数可测，在一定钻速情况下，进入环空的岩屑流量qr可计算得到，据此可求出返出井口的流体基本参数。

出口液相流量方程：

qlr=ql+qr。

(17)

出口液相密度方程：

(18)

出口气相密度方程：

(19)

出口含气率方程：

(20)

出口气相流量方程：

qg=qglrφg。

(21)

3.1.1环空流动过程控制方程的求解

求解流动过程的控制方程，将求解域划分为有限小体积单元，在每个单元内只作简单的积分，这种离散法称为有限体积法。

对钻井环空多相流动问题，环空向上流动过程取有限小体积单元dv=Aadz，Aa为环空截面积，dz为有限小体积单元长度。对稳定的环空一维多相流动控制方程(6)、(7)、(8)，在有限小体积单元内进行积分，有气相连续方程

(22)

液相连续方程

(23)

动量方程

(24)

3.1.2举例分析钻井气泡侵入对井内压力影响

某井井眼尺寸：技术套管φ244 mm(平均内径φ222 mm)下至1 500 m，φ216 mm钻头裸眼到井底2 600 m。

钻进钻具组合：φ216 mm钻头×0.40 m+430×410×0.46 m+7″DC×172 m +411×410×0.46 m+5″DP×Lpm+411×410×0.54 m+下旋塞×0.42 m+411×520×0.37 m+方入×1.7 m(钻头水眼：φ12 mm×3)。

钻井实际情况：钻井液密度ρm=1.3 g/cm3，排量Qs=1.56 m3/min，钻进立压Pd=14.7 mPa；钻至井深2 600 m发生气泡侵入，出口钻井液密度ρmg=1.22 g/cm3，流量Qsg=1.63 m3/min。根据“3.1节”中返出井口的流体基本参数计算公式可得环空压力与钻井液密度随井身变化数据，计算结果如图1、图2所示。

图1、图2的结果表明，随井深的增加，环空压力逐渐增加，钻井液密度也逐渐增加。当井深为2 600 m时，有气泡侵入时的井底流动压力为35.9 MPa，而无气泡侵入时的井底流动压力为36.2 MPa。有气泡侵入钻井液时出口钻井液密度为1.22 g/cm3，而无气泡侵入时出口钻井液密度为1.3 g/cm3。由此可见，气泡侵入使井口钻井液密度有明显下降，但对井底流动压力影响较小。

图1有气泡侵入井液时环空压力与井深的关系

Fig.1Relationship between annulus pressure and

depth at drilling within a bubble invasion

图2有气泡侵入井液时钻井液密度与井深的关系

Fig.2Relationship between drilling fluid density and

depth at drilling within a bubble invasion

3.2中度气侵溢流时井内压力分布

中度溢流时，有气柱进入环空，环空流动可分为气柱流动和液柱流动。在钻进过程中一旦发生中度溢流，必须及时关井，以免溢流进一步发生。关井待套压上升到基本稳定后读取套压、立压值，可用于计算此时地层压力大小。此后，井内气柱会滑脱止升，井内压力分布会随气柱的上升而变化。

3.2.1关井后井内气柱的上升速度分析

在垂直管流的分析中，离散泡上升速度可由Harmathy关系式计算，即：

(25)

式中，ρg,ρl为气相和液相密度(kg/m3)；σ为界面张力(N/m)；g为重力加速度(m/s2)。

对环空管中Taylor泡上升速度，Caetano采用Sadatomi的计算模型[12]，即：

(26)

式中，De=Do+Di为环空管的等周直径(m)，Di,Do分别为环空管的内径和外径。

在现场施工中，由关井读取套压、立压值后的套压变化记录分析可得实际气柱的上升速度。在关井条件下，井内天然气气柱不能膨胀，钻进液不循环，井内天然气气柱在上升过程中，压力将保持井底压力(即地层压力)不变，井内天然气气柱体积不变。则有：井口套压=气柱压力-气柱以上的液柱压力。

i时刻到i+1时刻的气柱上升路程和上升速度计算式分别为：

(27)

式中，p,h,ρm,ug为地层压力(MPa)、井深位置(m)、井内钻井液密度(kg/m3)和气柱上升速度(m/s)。

3.2.2气柱上升过程中的井内压力分析

dp=gρdz，

(28)

得到以下公式。

气柱以上的液柱段压力分布式：

p=Pa+gρmhi。

(29)

气柱段压力分布式：

p=Pa+gρmhi+gρghgi。

(30)

气柱以下的液柱段压力分布式：

p=Pa+gρmhi+gρghgi+gρmhj。

(31)

假定气柱上升过程中，气柱尚在井底时为状态1，气柱上升至距井底1/3距离时为状态2，气柱上升至距井底2/3距离时为状态3，气柱到达井口时为状态4，适量开井，在保持井口套压一定情况下，气柱上升过程中的井内环空压力在4种状态下的分布如图3所示；在关井情况下，气柱上升过程中一直保持地层压力不变，气柱上升过程中的井内环空压力在4种状态下分布如图4所示。

从图3可知，在环空侵入气柱、适量开井、保持井口套压一定的情况下，气柱沿环空上升过程中，气相膨胀，气相在环空占有高度增加，环空中液柱减少，井底压力降低。从图4可看出，在环空侵入气柱，关井情况下，气柱上升过程中一直保持地层压力不变，气相不能膨胀，气相在环空占有高度不变，环空中液柱不变，井底压力和井口压力均有较大增加。

图3井口套压一定，气柱上升过程的环空压力分布

Fig.3Annulus pressure distribution during rising

column maintaining certain wellhead casing pressure

图4井口关闭，气柱上升过程的环空压力分布

Fig.4Annulus pressure distribution during rising

column maintaining holding wellhead close

3.3严重气侵溢流时井底流动压力分析

3.3.1严重气侵溢流时井底流动压力计算

对严重气侵溢流，环空呈气雾状流动或气相流动，按均流模型或单相流动过程进行分析计算，以垂直井眼为例，忽略加速度压降，有流动控制方程：

(32)

考虑井壁与钻具所形成的环形空间的流动气柱，采用平均温度和气体平均压缩系数进行计算，可得其井口流动压力、井底流动压力及产层产量(流量)之间的关系如下：

(33)

3.3.2计算实例

图5　地层产气量与井底流动压力的关系Fig.5　Relationship of Stratigraphic gas productionand bottomholeflowing pressure

某井井眼尺寸：技术套管φ244 mm(平均内径φ222 mm)下至1 500 m，φ216 mm钻头裸眼到井底3 000 m。

钻进钻具组合：φ216 mm钻头×0.40 m+430×410×0.46 m+7″DC×172 m +411×410×0.46 m+5″DP×Lpm+411×410×0.54 m+下旋塞×0.42 m+411×520×0.37 m+方入×1.7 m(钻头水眼：φ12 mm×3)。

对不同产气量进行环空井底流动压力的分析计算，结果如图5所示。由图5可知，环空井底流动压力与地层产气量大小密切相关。钻井中发生严重气侵溢流时，天然气从防喷管线中喷出，井底流动压力将会随着地层产气量的增大而增大。

4溢流早期发现的分析判别方法

在钻进过程中欲发现早期的井内溢流，应对钻井井内压力安全控制进行分析，提出钻进过程中允许的气体溢流临界条件，结合“综合录井仪”实时录取到的钻井液入口、出口流量、液罐中钻井液的总体积、立管压力、钻时、钻速，环空容积等数据，给出溢流早期发现的分析判别方法。

4.1钻进过程中允许的气侵溢流临界条件

为保证地层压力平衡、井壁稳定和钻井安全，需设计合理的钻井液密度。若已知地层压力当量密度ρp，则气井钻井设计钻井液密度应是ρm=ρp+ρe，其中，ρe为安全附加压力当量密度。

钻进过程中，当井下产生气侵且尚未达地面时,经过t时间,环空气侵液的平均密度ρmg可由式(34)计算出：

(34)

当ρm-ρmg≥ρe时，井底静液柱压力将小于或等于地层压力，井下气侵会连续发生。由ρmg计算式(34)，可把钻进过程中允许的气侵溢流临界条件定义为:

(35)

4.2溢流早期发现的分析判别方法

运用“综合录井仪”实时记录到的地面监测数据，按上述方法进行处理、分析得到钻进过程中溢流早期发现的判别方法。

设钻井液入口流量Qi，出口流量Qo，三台泵的工作冲数为n1,n2,n3，液罐中钻井液的总体积(VV-ΔVh)，立管压力Pdt，钻时tm、钻速um，环空截面积Aa，井深H，钻头直径为Db，钻杆外径和内径分别为dpo,dpi，设计钻井液密度ρm，安全附加压力当量密度ρe，每间隔Δt时间作一次计算分析判断。

在正常钻井过程中，当测到Qo-Qi>0时，计算Vgt、ΔVh、ρmg、VHA，并判断是否会有溢流。判断条件如下：

①泵的工作冲数有增加，立管压力有降低，可判断井下有气侵发生，井内溢流1级报警。

②泵的工作冲数有增加，立管压力有降低，钻速增加，可判断井下有气侵发生，井内溢流2级报警。

5结论

①在一般孔隙介质气层和孔隙—裂缝结构气层中，保持井底压力不变情况下，天然气渗流侵入速度将随时间增加而减小；若井底压力降低，则天然气渗流侵入速度将增加；井底压力的变化对气相侵入流量有较大影响。

②将钻井工程中遇到的环空流动分为多相流混合均相流动和漂移流动模型，建立多相流混合均相流动的流动控制方程，可计算出某一井深处多相流的物理参数。

③轻度溢流时，环空流动为泡状流动过程，气泡侵入钻井液使井口钻井液密度有明显下降，但对井底流动压力影响较小。中度溢流时，适量开井情况下，气柱沿环空上升过程中，井底压力降低；关井情况下，气柱上升过程中一直保持地层压力不变，井底压力和井口压力均有较大增加。严重气侵溢流时，环空呈气雾状流动或气相流动，通过实例计算得出环空井底流动压力随地层产气量的增大而增大。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

Early detection technology of overflow during drilling gas well

FENG Guang-tong

(Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co. Ltd, Dongying 257061,China)

Abstract:In view of the early overflow problem happened in conventional gas well drilling process, the early overflow detection study of gas well drilling was carried out. Based on the analysis of the gas invasion method, the mechanism model of gas flow was established and the influence of the gas overflow to the borehole pressure was analysed. The drilling annulus multiphase mathematical and mechanical model was established in the research. The gas cut overflow critical condition allowed in the process of drilling and the early overflow discriminated method were found using pump working punch number and standpipe pressure.Gas well drilling overflow early detection technology is applied in gas well drilling, which can find the overflow exists in time and raise the alarm when the overflow capacity is small. The overflow can be discharged as soon as possible and the normal drilling work can be restored, which greatly reduce the overflow processing costs and the artificial factors of the overflow detection. This detection technology has a vital significance on enhancing the security and efficiency of gas well drilling.

Key words:gas well drilling; overflow; early detection technology; gas cut flow mechanism; multiphase flow

中图分类号：TE242

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0291-10

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0291

通讯作者：冯光通(1974—)，男，山东庆云人，中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院高级工程师，博士；E-mail：fengguangtong.slyt@sinopec.com。

基金项目：国家重大专项课题资助项目(2011ZX05022)

收稿日期：2015-09-02；

修订日期：2016-01-06

引文格式：冯光通.气井钻井溢流早期监测技术[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：291-300.