不灌浆条件下的最大安全起钻高度计算

聂 臻，梁奇敏，游子卫

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.华北油田工程技术研究院，河北 任丘 062552)

在钻井的过程中，由于钻头磨损需更换新钻头或钻达完钻深度等自然原因，或者起钻打捞落鱼等客观需要，必然会进行起钻作业。在起钻过程中，随着起出钻具的增多，如果不及时灌满泥浆，由于井筒中钻井液体积不变，必然会导致井筒中的环空液面下降，进而导致井底压力降低，这会给井控安全带来很大风险[1-3]。为了保证井控安全，往往会凭经验作法和管理规范，每起出一定量的钻具后就灌浆一次[4-5]。灌浆太频繁(如每起出一柱钻杆后灌浆一次)固然安全，但浪费时间和人力。对于具体起出多少柱钻杆后灌浆最合适，本文在保证井底压力不变的基础上，忽略抽吸压力、泥包钻具等影因素响，针对“干起”和“湿起”两种起钻工况，根据井身结构和钻具的具体参数，给出科学的不灌浆起钻的最大安全起钻高度计算方法，可为安全起钻作业提供指导。

1 环空液面允许下降最大值计算

起钻过程中，只要井筒内钻井液对井底的液柱压力大于等于井底地层压力，理论上就可保证井控安全，见式(1)。

H×ρm×0.00981-Ha×ρm×0.00981-ΔPs=

H×ρp×0.00981

(1)

式中：H为起钻时井底位置垂深，m；ρm为起钻时井筒内的钻井液密度，g/cm3；ρp为地层压力系数；Ha为不灌浆起钻时环空液面允许下降的最大垂直高度，m；ΔPs是起钻时的抽吸压力，MPa。

因此，不灌浆起钻时井筒中的环空液面允许下降的最大高度计算见式(2)。

(2)

显然，通过上式计算的环空液面允许下降的最大高度的准确程度，与起钻时的抽吸压力是有直接关系的。而抽吸压力的影响因素很多[6-14]，如压井液的静切力、管柱的起下速度、环形节流、压井液的黏度以及管子和井眼间的环形孔隙等，因此要准确确定压力值有一定困难，而且即使考虑全部的因素后，计算出的值往往与现场偏差较大。所以，在不同地区的油田现场作业中，会根据情况取一个确定的经验值作为抽吸压力。本文为简化计算而不考虑该值(该值取为0)。因此，式(2)被简化为式(3)。

(3)

如果所作业井的井型不同，则不灌浆起钻时环空液面允许下降的最大长度的计算也不同，具体如下所述。

1) 对于直井：HL=Ha。

2) 对于定向井或者水平井：如果造斜点深度大于等于Ha：HL=Ha；如果造斜点深度小于Ha：需要根据定向井轨道具体计算[3]。HL为不灌浆起钻时环空液面允许下降的最大长度，m。

2 不灌浆起钻的最大安全起钻高度计算

2.1 “干起”工况下的计算方法

如果起钻时卸开立柱或单根后，没有泥浆从钻杆里面往外喷，行业里称这种起钻工况为“干起”，如图1所示。“干起”出的钻杆在井筒内的排代量为起出钻杆管壁的体积，其计算公式见式(4)。

(4)

式中：Vpo为每米钻杆开端排代量(包括接头)，m3；ρp为某钢级的钻杆线重(包括接头)，kg/m；ρs为某钢级的钢密度，g/cm3，本文取7.85 g/cm3。

起出钻杆的体积是套管和钻具之间的环空以及钻具内部的液面下降后的总体积，所以，“干起”每米钻杆后环空液面下降的高度计算见式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中：Dpo为“干起”每米钻杆后环空液面下降的高度，m；Vci为每米套管内容积，m3；Dci为套管内径，mm。

“干起”不灌浆工况下的最大安全起钻高度HO计算见式(7)。

HO=Ha/Dpo

(7)

2.2 “湿起”工况下的计算方法

图1 “干起”的示意图Fig.1 “Dry trip” schematic diagram

图2 “湿起”的示意图Fig.2 “Wet trip” schematic diagram

如果起钻时卸开立柱有泥浆往外喷，不论喷出量的多少，行业里称这种起钻工况为“湿起”，如常见的钻头水眼被堵后起钻时就会出现这种典型现象，如图2所示。保守起见，本文按照钻柱底端完全堵死情况处理，则“湿起”时起出的钻杆在井筒内时排代量为起出钻杆管体部分体积与钻杆内容积之和，也就是套管和钻具的环空液面下降后减少的体积。所以，“湿起”每米钻杆后环空液面下降的高度Dpx(m)计算公式见式(8)～(10)。

(8)

Vpx=Vpi+Vpo

(9)

(10)

式中：Vpx为每米钻杆闭端排代量，m3；Vpi为每米钻杆内容积，m3；Dpi为钻杆内径，mm。

“湿起”不灌浆工况下的最大安全起钻高度HX(m)，其计算公式见(11)。

HX=Ha/DpX

(11)

以上公式从井控安全角度出发，考虑起出钻具后导致井筒内剩下钻具排代量减少，可以直观反映环空中液面的下降程度，具有计算简单实用的优点。但需要地层压力值准确才能得到准确的结果，才能完全满足指导现场施工要求。

3 算 例

X油田XX井，钻至油气层，斜深2 500 m，造斜点700 m，垂深2 000 m，地层压力系数1.15，井眼尺寸216 mm，127 mm钻杆(内径108.61 mm)，244.48 mm套管(内径224.41 mm)下深500 m，钻进时泥浆比重1.20 g/cm3，每柱平均28.5 m。结合钻井手册，E级、G级、S级钻杆的平均每米重量(包括接头)分别为31.09 kg/m、32.62 kg/m，33.62 kg/m。采用本文介绍方法针对“干起”和“湿起”两种工况，计算得到不同钢级钻杆在不灌浆的情况下最大安全起钻柱数见表1。

表1 不灌浆的两种工况下不同钢级钻杆的最大安全起钻高度Table 1 Maximum safe trip height of drill pipe withdifferent steel grades under two workingconditions without filling up

从以上的计算结果可以看出，同一工况条件下，由于不同钢级的钻杆每米线重不同而导致计算结果不同；不论“湿起”还是“干起”，最大安全起钻高度随着钻杆的钢级增加而变短，但是变化范围不大。在其他条件相同的情况下，相同钢级的钻杆“湿起”比“干起”的最大安全起钻高度短，因而“湿起”需要更及时、频繁地灌浆。

4 结 论

1) 确定起钻时不连续灌浆条件下的最大安全起钻高度时，需要分“干起”和“湿起”两种工况，根据井身结构、钻柱等具体参数计算，而不是按同一个经验值执行。

2) 在其他条件相同的情况下，“湿起”比“干起”的最大安全起钻高度低，井控风险更大，因而“湿起”需要更频繁地灌浆。

3) 不论“干起”还是“湿起”，最大安全起钻高度随着钻杆钢级的增加而变低，但是变化范围不大。