井控技术理论在小井眼钻井中喷漏问题探究

林 瀚,张 浩

（1长江大学a.油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏研究室；b.石油工程学院，湖北武汉430100；2.中石化华北石油工程有限公司国际公司，河南南阳473132）

油田设计

井控技术理论在小井眼钻井中喷漏问题探究

林 瀚1a,b,张 浩2

（1长江大学a.油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏研究室；b.石油工程学院，湖北武汉430100；2.中石化华北石油工程有限公司国际公司，河南南阳473132）

小井眼钻井具有成本低、速度快、周期短，有利于环保等显著优势，特别是连续油管关键技术的突破，使得小井眼钻井的应用更为广泛。针对江汉油田在小井眼钻井中井漏、井喷事故频发的问题，结合连续油管钻井技术与江汉油田地质、油气的特点，分析了小井眼井漏、井喷的原因。从井控技术的基本理论着手，对小井眼钻井过程中的井控技术与常规井进行比较，紧接着从钻井液性能和钻井工艺方面阐述适应于小井眼钻井中的防喷漏措施。经在江汉油田不同区块的多口小井眼井中实践证明，这些措施收到了较好的防漏防喷效果。

小井眼；井控技术；重力置换；气侵；动态压井

国内外对小井眼的定义是：钻头尺寸Ф120.65mm，套管尺寸Ф88.9mm。使用小井眼钻井技术钻多分支井、长水平段井时，会碰到多套地层压力体系、高压油气层及含H2S地层，且环空容积大大减小，使得钻井工作存在较高的危险性和不确定性。为了保证钻井工作的安全进行，井控工作必不可少。小井眼井控工作主要面临两个难点：（1）小井眼环空间隙小、容积小，能更敏锐的监测井底溢流的发生；（2）小井眼钻井需要特定的设施和装备，普通的压力损失计算方法与压井方法具有局限性。从井控角度来考虑，发生溢流时，同样的流体侵入量，小井眼与常规井眼相比，流体在环空中占据空间大，上返速度快；且大量实践表明，小井眼环空压力损失占系统压力损失的90%，故可通过改变流量、钻柱旋转速度以及钻井液性能来平衡并控制井底压力。井控工作的成败，与国家和人民的生命财产息息相关。

1 油气侵入井筒的必然性与后果分析

在直井中，若钻井液依靠自身液柱重力产生的压力大于地层孔隙压力，并一直处于较大的漏失状态，气侵不明显，则钻井液体积增量并不显著。如果井内钻井液静止时间较长，如起钻、电测等，后效可能会相对明显，但远不如套管开窗侧钻井、大斜度井的后效严重。在大斜度井段中发生严重气侵钻井液返至井口时，常常钻井液罐液面上升，有钻井液增量。按井控操作规定，现场遇到该情况通常会关井，但关井后井口有立压、套压。此时监测的立压与套压存在一定的误差，不能作为地层压力评判的标准，更不能直观认为钻井液密度过低。出现这种现象的理论问题在于以下几点：

1.1 钻井液自动外溢的条件

天然气具有低密度、易扩散性、强置换性和高膨胀性等特点，从而更易发生井喷、溢流事故。如果井下有一段气柱或严重气侵的钻井液，高度为Xm。上面为未被气侵的液柱，高度为hm，钻井液密度为ρmg·cm-3，井筒截面积为Am2[1]。

则作用在气柱上的初始压力为PS+0.1ρmh，气柱的初始体积为AXm3；

如果液柱的高度减少△h，则作用在气柱上的压力将减为PS+0.1ρm（h-△h）；

由于压力的减少，气柱将发生膨胀而高度将增加，即气柱膨胀后的终了体积为A（X+△X）m3。

为方便计算和测量，认为气体的膨胀过程是等温的，则：

显然：如△X＜△h，不会发生外溢；如△X＞△h，则将发生外溢；而△X=△h，则为不稳定的临界条件。

我们将△X=△h及PS=0.1MPa（因为外溢时井口是开启的）代入上面方程（1）式中，可得：

如令△h=0，则：

式中X：井下积聚的气柱或严重气侵的钻井液柱的实际高度，m；h：气柱上面未被气侵的钻井液柱的高度，m；ρm：未被气侵钻井液的密度，g·cm-3。

从上面可知，对于因特殊作业停止循环钻井液的井，天然气会从岩层中释放出来，在压差的作用下逐渐向井底运移，从而在井筒中形成气柱。然后，覆着在泥浆中的气柱不断膨胀上升或者在下钻循环时上行膨胀，当井筒与井底压力差达到一定值时泥浆就会外溢喷出。

气体在井筒中不断向上运移，体积逐渐膨胀变大，但增加效果并不明显，当离地面越近时，才迅速增加，钻井液池增量才比较明显；气体体积膨胀上升时井底压力波动较小，越靠近地面时，井底压降才越明显。当井底压力明显低于地层压力时地层流体进入井内形成井喷。

1.2 在高油气比地层中气侵原因分析

当静液压力大于地层孔隙压力时，一方面会发生正相漏失；另一方面钻井液密度越高，重力置换效果越明显，进入井筒中的天然气就越多；此外，钻井液粘度过高不利于依附在钻井液中的气体分离。故而在气井或高气油比的井中要合理控制钻井液密度。石灰石是大多钻井队储备的加重材料，钻下部井段或平衡地层压力时若用石灰石加重钻井液，必然会导致粘度上升，即使使用液气分离器，气体并未有效除掉，且重力置换越发严重。

依据井控安全理论，钻气井或高气油比油井，钻井液密度一般比地层压力密度量纲大0.07～0.15g·cm-3[2]，或钻井液静液柱压力比地层压力大3～5MPa。对钻井液的粘度要求以接近水的粘度为宜，这样才利于钻井液中气体的析出。王古-1井用密度为1.07 g·cm-3,粘度控制在27s的钻井液钻完目的层,达到了超高的逾期效果。当井底地层压力微高且有明显气侵时，使用加重材料入井循环后，钻井液粘度涨幅明显，且液面上升，立即进行关井操作。若关井时间较长，井口压力得不到释放，则不能作为精准预测地层孔隙压力和计算压井液密度的根据。

图1 地层中的天然气与钻井液重力置换的示意图Fig.1 Schematic diagram of gravity displacement of natural gas and drilling fluid in formation

从图1中不难看出，地层中的气体与钻井液的重力置换随时间的延长置换作用越完全。低粘度的钻井液重力置换也存在，但地面脱气效果非常好，避免了气侵钻井液重新注入井内产生溢流的后果。实践证明，有的井严重气侵，长时间循环后井口返出的钻井液还是严重气侵或者有溢流，当用新钻井液或低密度、低粘度的钻井液注入后，井口不外溢。王北新9-4井用密度为1.35g·cm-3的高粘度钻井液循环时井口气侵比较严重,且井口有轻微溢流,但用1.2 g·cm-3的盐水循环后,井口不外溢也不气侵[3]。

2 小井眼钻井的井控问题

套管开窗侧钻属于典型的小井眼钻井方式，其井控的主要特点有：

（1）环空间隙小、体积小，同样的溢流量，流体在环空中占的体积大，上返速度快，对溢流更敏感。环空体积是井眼与钻具之间的容积。

式中V环：单位环空容积m3；D1：井眼直径mm；D2：钻柱内径mm；H：钻柱长度m。

井底压力是静液压力与其他垂直方向上压力的矢量和。因井内静液压力同时作用于井底和井壁，不同的工况，井底压力也不同。

环空压力损失：

式中PV：钻井液塑性粘度mPa·s；ρ：钻井液密度；Q：泵排量L·s-1；

钻井液上返速度：

例如：318升的溢流量在常规井眼（81/2”）环空中占12m的高度；而在小井眼环空中占114m的高度；井底压力减小8倍多；流体在小井眼环空的上返速度是在常规井眼环空上返速度的数倍。

（2）小井眼钻井在起钻或上提钻具时由于抽吸作用易造成溢流或井喷。相同的井深、钻井液性能和提升速度，小井眼的抽吸压力大的多。

（3）环空流动阻力大。在小井眼钻井过程中，环空压力损失占泵压的九成左右；常规钻井方式的压力损耗主要在钻柱和钻头上，能达到泵压的90%，环空压力损失仅为泵压的10%左右[4]。所以，钻井液循环时小井眼很容易发生井漏；而在起钻时又很容易发生井喷。

3 小井眼井漏预防措施

小井眼施工作业中井漏主要发生在钻时加快或在扩眼、划眼作业中，因环空流动阻力大、环空岩屑多，其发生井漏的可能性更大，根据以上情况分析，总结出预防小井眼井漏的措施：

（1）在停泵后开泵时要用小排量缓慢开泵，尤其是下钻完或钻井液长时间停止循环时开泵要用小排量（单凡尔）缓慢开泵，待泵顶开后再缓慢提高排量。小井眼要特别防井漏，钻井泵排量的大小对井底压力影响比较大。

（2）限于小井眼尺寸及环空容积，钻具在通过裸眼井段特别是易漏敏感地层时应防止压力激动。

（3）对于多年开采后的老井地层实际压力普遍降低，对于小井眼钻井液密度不能过高。这是小井眼发生井漏的高机率原因之一。

（4）钻井液的密度和粘切是影响动压差和漏失压力的首要因素。在低压力的上部井段，主要优选密度低、粘切高的钻井液，功能是阻止漏失，有效预防井漏；在高压深井段应选择排量低、粘切度低的钻井液，主要作用是降低循环压耗，避免井漏事故发生。

（5）控制钻井速度。在可钻性好的砂、泥岩地层钻进中发生井漏可通过控制钻进速度，以减少钻井液中岩屑浓度，实践证明，将环空钻屑浓度控制在5%以下为宜。

4 小井眼钻井发生溢流的处理

4.1 采用动态压井法

由于小井眼环空体积小，溢流来得快、检测溢流的反应时间短等特点，常规压井方法并不适用。动态压井是一种更精准更便捷的压井方法,即在循环过程中用环空流动阻力损失控制地层压力。

结合上述公式（5）不难得出，泵的排量与环空压力损失有内在的紧密联系，小井眼的井底压力可以通过排量来控制，从而能控制溢流。动态压井主要优势有3点：（1）不用加重钻井液；（2）可以尽快地实施压井作业；（3）能大幅减小套管鞋处的压力。

4.2 合理选择循环方式

为了使环空中的油气循环干净，达到环空与钻具内的密度一致，是选用正循环还是选用反循环，这主要由过流面积决定。如果环空的过流面积比钻具内的过流面积大，则选用反循环效果比较好。井下作业通常是21/7”的油管，其过流面积比环空小得多，但用反循环效果显著好，这就是有的井循环几周后环空还有油气的原因之一。

4.3 优选防喷器组合

渗透性好、孔隙度高的大斜度的小井眼（如套管开窗测钻井）钻头在油气层下面，重力置换作用特别明显，若产层天然气重力置换现象严重，科学的应对措施是先用环形防喷器关井再起钻，把钻头起到油气层顶部然后再压井，这就很容易把环空的油气循环干净。行业标准规定井口套压在不大于14MPa时方可关井起钻。

5 结语

小井眼由于特殊的设备、技术、工艺决定了其井眼尺寸小、环空间隙小的特点，在井控理论与实操方面也不能硬搬常规井控知识，必须制定符合小井眼的井控预防与处理措施，对溢流的监测要做到三早：早发现、早关井、早处置，做到“发现溢流，及时关井;疑似溢流，关井检查;预测溢流，关井循环”。

［1］王子建.控制泥浆帽压力钻井工艺技术研究［D］.中国石油大学（华东）,2009.

［2］曾时田.四川天然气井钻井压力控制［C］.井下控制工程技术学术研讨会，2001-10-15.

［3］韩金井.精细控压钻井技术在塔里木碳酸盐岩超深水平井中的应用［D］.西安石油大学,2012.

［4］陈强,高坚.扎纳诺尔油田开窗侧钻水平井钻井技术［J］.西部探矿工程,2014,（11）：41-44.

Exploration on spray leakage problems of slimhole drilling in well control technology

LIN Han1a,b,ZHANG Hao2
（1a.Leakage Protection&Sealing Technology Laboratory,Oil and Gas Drilling National Engineering Laboratory;b.Institute of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 430100,China;2.International Company of Sinopec Huabei Petroleum Engineering,Nanyang 473132,China）

Slimhole drilling with low cost,fast speed,short cycle,is conducive to environmental protection and other significant advantages,especially with the breakthrough of coiled tubing key technologies,make the application of slimhole drilling more widely.The accident of lost circulation and sticking are very frequent in slim hole sidetracking of Jianghan Oilfield.On the basis of the Coiled tubing technology，the characteristics of Jianghan oil reservoir,the paper analyses the reasons of lost circulation and sticking in slim hole sidetracking.According to the basic principle of well-control technology,the paper carried out the comparison between the well-control technology in the slim-hole drilling,and that in the regular well drilling,then elaborated from the drilling fluid properties and drilling technology suitable for the blowout of the leakage of slimhole drilling measures.Through field application in sidetracking wells in Jianghan Oilfield,these measures have better effect to prevent lost circulation and sticking.

slim-hole;well control technique;gravity displacement;gas cut;dynamic pressure well

TE256

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170359

2017-01-11

林瀚（1991-），男，长江大学石油工程学院，硕士生，现主要从事钻井工艺技术方面的研究工作。