置换法压井技术在延安气田井下作业中的应用

刘 骁，张盼盼，张 泉，窦天财

（陕西延长石油有限责任公司油气勘探公司，陕西 延安716000）

一、引言

延安气田地处鄂尔多斯盆地东南部，构造上属于伊陕南坡，是典型的“三低”气藏。在试气作业过程中，井内无油管、少油管或油套不通，导致无法建立循环通道，常规压井法无法使用，就需要使用置换法压井。但置换法压井操作节点把控严格，现场应用时容易与硬顶法混淆。为此，对置换法压井的基本原理、操作步骤、相关参数计算进行介绍，结合现场实践应用，分析总结置换法压井技术的注意事项，以便在延安气田特殊压井作业中推广应用。

二、置换法压井技术

在气井发生溢流、井涌时，由于井内管柱少、管柱上部断裂或脱落、无法建立压井液循环通道时，常规法压井无法使用，需要考虑非常规压井法即置换法压井。

1.基本原理

置换法压井是将压井液挤入井筒，利用压井液与天然气之间产生的滑脱效应使压井液向下运动、天然气向上运动，待天然气聚集到井口附近，减轻井口压力，多次重复，让压井液填充井筒，逐步排空井筒中的天然气，从而达到控制井底压力的目的。

2.操作步骤

根据延长气田压井实际，结合张桂林的置换法压井方法的操作步骤，提出了延长气田置换法压井操作步骤：

A.关井，观察井筒压力恢复情况，根据井口压力和地质资料计算压井液密度并配液；

B.放喷，尽量放气，不要放液，见水显示，关井记录井口压力；

C.放喷结束后，用高于射孔液密度约0.05-0.15g/cm3的压井液进行压井；

D.等待气体滑脱，重复步骤B、C，直至井口压力降为0MPa。

在压井的全过程应保持井筒压力大于地层孔隙压力小于地层漏失压力。

3.气泡上升速度

天然气在井筒中通常以气泡的形式上升，达到最大速度时，浮力与重力和阻力平衡，根据Stokes公式，可表示为：

式中：ν—天然气上升速度，m/s；

μ—介质粘度，Pa·s；

ρ液—井筒液体密度，Kg/m3；

ɡ—重力加速度，m/s2；

d—气泡半径，m。

取液体密度为1000Kg/m3，介质粘度1×10-3Pa·s，忽略天然气密度，重力加速度9.8m/s2，气泡直径0.3～0.4×10-3m，计算结果为0.049～0.087m/s，即176～313m/h。

三、现场应用

1.基本概况：J54-1位于陕西省靖边县东坑镇，井深4198.37m，射孔层位：马五+山2+山1+盒8。2017 年6月8日18：00，开始射孔作业。6月9日6:00，对盒8 层进行射孔，当射孔枪下至600 米，发现井口有液体溢出，观察后确认溢流。起出射孔枪，采取空井筒关井。半小时后，压力上升至3MPa；继续关井，1小时后上升至4.5MPa。

2.压井过程：由于井内无法建立循环通道，优选后采用置换法压井。因马五、山2、山1层已射开，射孔液密度为1.0g/cm3，故压井液密度初始密度设为1.05。考虑井口设备试压28MPa，压井时最大允许泵压的控制在20MPa，以防止损坏井口。

（1）6月9日12：00 开始放喷，见水显示后开始压井，准备密度1.05g/cm3的70m3KCl 溶液压井，挤进井筒30m3，最高泵压17MPa，停止压井，关井压力扩散，压力逐渐降低至3MPa，又上升至13MPa。

（2）18：00 开始控制放喷，压 力13MPa ↓10MPa，开始出液，压井，挤进井筒10m3，关井，压力缓慢降低至10MPa 又升至17MPa。

（3）23：00 开始放喷，见水显示后停止放喷，开始压井，考虑前两次井口压力逐渐升高，提高压井液密度，挤进井筒密度1.15g/cm3KCl 溶液3m3，最高泵压13MPa，停止压井，关井，压力降低至6MPa，又逐渐上升至10MPa。

（4）10日2：00 开始放喷，压力降低至5MPa，出液后，压井，挤进压井液3m3，最高泵压10MPa，缓慢降低至3MPa 后又升至6MPa。5：00 开始放喷，压力降低至1MPa，出液后关井，开始压井，挤进井筒3m3，最高泵压6MPa，压力缓慢降低至3MPa。8：00 开始放喷，压力降低至0MPa，不出液，压井成功。

3.压井总结：（1）若每次置换时，井口压力上升幅度比前一次大，需要增大压井液密度，反之，说明压井已逐步控制；（2）在注入过程中，每次泵注压力应逐次降低，以防止井漏；（3）在排气过程中，应保持一定回压，见到液体显示即可下次压井；（4）射孔过程中尽量减少作业时间，射孔后应立即下压裂管柱作业。

4.对比分析：区域内其他相同情况的井喷常采用硬顶法压井，平均耗时3 天左右，平均消耗氯化钾60 吨、清水300 方。而置换法压井平均费时1天，平均消耗氯化钾20 吨、清水60 方。显然本方法具有压井快、效果好，储层伤害小的特点，可用于空井筒（无油管）、井内管柱少、上部管柱断裂或脱落、油套无法建立循环等情况的压井作业。

四、置换法压井注意事项

若井筒压力小于地层压力，地层流体会流入井筒，井口压力会越来越大，此时考虑提高压井液密度；若井筒压力大于地层漏失压力，井筒发生漏失，井筒液柱压力降低，井易发生溢流，导致压井失败。因此，需要注意以下几个问题。

A.注入量

压井过程应以小排量逐次注入压井液，使其在气体中下沉至井底；逐次小排量排出上部的气体，防止对已形成液柱的干扰。考虑压井初期，井内容积大，气体可压缩空间大，每次注入和排出的量也大；随着液柱升高，气体体积减少，每次注入压井液与排出气体的量也应逐次减少，直到液柱到达井口附近。只要注入过程防止漏失，排气过程防止溢流，压井液就不会消耗太多。

B.注入压力

注入压力控制不合理是压井中普遍的问题。在注入压井液过程中，每次以高压注入，没有逐次降低，其结果是每次都发生漏失，液柱始终不会升高。

以井内压力平衡为基础，防止注入过程的漏失和排气过程的溢流。发生溢流关井后，井底压力计算公式：

式中：Pb—井底压力，MPa；

ρm—压井液密度，Kg/L；

ɡ—重力加速度，m/s2；

H1—井内液柱密度，m；

ρ1—井内气体密度，Kg/L；

Pa—套压，MPa。

由式（4-1）可知，因气体密度远远小于压井液密度，井底压力基本由液柱压力和套压组成。若第一次注入压井最高压力为P1，第一次排出气体最低压力为P2，二者之差△P=P1-P2，则每次注入压力和排出压力参考表4-1确定。

表4-1注入压井液与排出气体的压力

C.置换压力

在置换过程中，随着井底气体逐步聚集至井口，井口压力会逐渐升高，若每次置换时井口压力上升的幅度都比前一次小，则可预见本井将逐步控制成功；若每次置换时井口压力上升的幅度都比前一次大，则说明压井液密度太低，需要提高压井液密度。

D.排气过程

排气（放压）的过程，应控制地面节流阀，保持井口有一定回压，尽可能少的排出液体，见液体显示可关井准备下一次压井。有学者提出压井置换时应每隔0.5～1小时排气一次，井内有管柱应参考井口套压进行排液，这样更容易形成稳定液柱，只不过这样麻烦一点，但可以降低井口最大压力，减小井筒漏失的风险。

五、结论与认识

1.与常规压井法对比，置换法压井具有压井快、压井液用量少，压井成本小等特点；

2.在注入过程中，每次泵注压力应逐次降低，以防止井漏；在排气过程中，应保持一定回压，见到液体显示即可下次压井；

3.置换法压井可用于空井筒、井内管柱少、上部管柱断裂或脱落、油套不能建立循环等工况。