基于环空液面监测技术的井筒漏失动态模型的建立及应用

曹 旭 徐声驰 常小龙 刘 锐 刘 刚 李 立

（中国石油西部钻探工程有限公司录井工程分公司）

0 引言

井漏是常见的钻井难题之一，当钻遇薄弱地层或裂缝性储层时常发生，严重时甚至出现井漏失返现象[1-2]。传统的井漏监测方法是根据钻井液池液面高度变化来实现的，存在滞后性、精度低等问题[3]，而且当井漏失返时传统液面监测方法失效，由于不能掌握井筒内液面动态变化情况，难以及时采取合理的吊灌措施。一旦吊灌不及时或吊灌量不足可能引发井漏转溢流甚至井喷等事故，导致井控安全面临巨大挑战；若吊灌量过多则会导致钻井液大量消耗，钻井成本增加[4-5]。环空液面监测技术能够准确快捷地获取井筒内钻井液液面高度，从而实时掌握井筒液面动态，实现钻井液的合理吊灌。本文基于环空液面监测技术获取液面高度动态数据，计算漏失相关参数，采用数理统计分析方法建立井筒漏失动态函数模型，可为堵漏作业决策提供重要依据，为井控安全提供技术保障。

1 环空液面监测技术

井筒环空液面监测原理如图1所示[6-7]。通过井口声呐发生装置向井筒环空发射声呐脉冲波后，遇到液面产生回声反射，反射信号经过计算机软件识别处理后自动计算出环空液面高度。该技术采用的设备主要有环空液面监测仪、压力脉冲枪、氮气瓶等，具有设备安装简便、操作简单、测量精度高、可带压监测等特点。因此，利用环空液面监测技术可在线实时获取环空液面高度，有效监测井筒液位变化情况，为井漏动态分析提供数据支持。

图1 井筒环空液面监测原理示意

2 井筒漏失动态分析

通过环空液面监测仪实时获取井漏状态下井筒液面高度数据，分析液位随时间变化规律，预测漏失平衡点位置，计算出钻井液漏失速率，采用数理统计分析方法建立井筒漏失动态函数模型，从而分析井筒漏失动态。

2.1 预测漏失平衡点位置

通过对多口失返性漏失井液面监测数据分析可知，井筒环空液面高度随漏失时间变化规律如下：在漏失初期环空液面迅速下降，漏失速率大，随着漏失时间增加，环空液面高度（液面距井口高度）不断增加，且高度变化幅度越来越小，液柱压力不断降低，漏失速率也逐渐减小，直至液面高度不再变化时，漏失速率降为0，此时环空液面高度即为漏失平衡点位置H0，如图2所示。

图2 漏失平衡点预测

通过测定漏失失返井井漏时的液面高度数据，设定第1个测点对应时间为0，利用测点数据建立井筒环空液面高度H与漏失时间t的关系，通过曲线拟合求取两者关系式，优选确定拟合函数的一般形式为：

式中：H为环空液面高度，m；t为漏失时间，h；a、b、c为相关系数。

对公式（1）求导可得：

当导数为0，即液面高度不再变化时，认为达到漏失平衡，由此可预测出漏失平衡点的位置H0。

2.2 计算漏失速率

漏失速率表征单位时间井筒环空中钻井液漏失量。当发生失返性漏失时，在dt时间内环空液面高度减少了dH，如图3 所示，单位时间内液面高度的变化量与环空横截面积的乘积即为钻井液的漏失速率，其计算公式如下：

图3 井筒漏失示意

式中：Q为漏失速率，m3/h；Ω为环空横截面积，m2；D为井眼内径，m；d为钻柱外径，m。

将公式（2）代入公式（3）可得不同时间钻井液漏失速率表达式为：

2.3 建立漏失动态函数模型

漏失动态函数是表征漏失速率的函数，利用环空液面高度与漏失速率之间的关系建立漏失动态函数模型，以此来描述井筒漏失动态。该模型的一般形式为：

式中：A、B为地层漏失相关系数。

由于上述漏失动态函数模型是依据现场液面监测数据统计分析而建立的，故方法简单有效，易于井漏现场应用。利用该函数模型可以预测不同液面高度下的漏失速率，可为合理的钻井液吊灌量提供重要参考。

3 应用实例

3.1 漏失平衡位置预测

通过CP-X 井等4 口失返性漏失井的液面监测数据进行统计分析，预测漏失平衡位置结果如表1所示。结果表明，预测的漏失平衡位置与实测漏失平衡位置相对误差小于1%，该计算模型较为可靠。

表1 漏失平衡位置计算结果

以CP-X井为例，该井在井深2 958 m处太勒古拉组发生井漏失返，钻井液密度为1.50 g/cm3，井眼内径为215.9 mm，钻杆外径为127 mm。现场利用环空液面监测仪实时获取井漏时环空液面高度随漏失时间变化数据，井筒液面监测曲线如图4 所示。利用曲线拟合方法建立环空液面高度H与漏失时间t的关系式为：

图4 CP-X井液面监测曲线

当液面高度不再变化时，井筒漏失达到平衡，由此计算出漏失平衡点液面高度H0为304.47 m，与实测值相对误差为0.82%。

3.2 漏失动态分析

通过CP-X 井等4 口失返性漏失井的钻井液漏失速率计算，绘制漏失速率与环空液面高度的关系曲线，应用公式（5）的漏失动态函数模型的数据拟合度较高，相关系数r2均大于0.97，如表2所示。

表2 漏失动态函数模型拟合结果

以CP-X 井为例，根据该井环空液面高度与漏失时间关系模型，由公式（4）分别计算出对应时间点的漏失速率，绘制漏失速率与环空液面高度的关系曲线如图5所示。从图5中可以看出，漏失速率随着井筒环空液面高度降低而减小，不同液面高度下的钻井液漏失速率存在较大的差异。在此基础上采用曲线拟合方法建立了漏失动态函数的表达式为：

图5 漏失速率与环空液面高度关系曲线

利用该函数模型可以预测不同液面高度的漏失速率，当灌浆后液面距离井口高度为0～140 m 时，钻井液漏失速率可达5 m3/h，灌浆至该高度将消耗较多的钻井液，可见吊灌量不合理。而当灌浆后液面距离井口高度为270～300 m 时，钻井液漏失速率将小于1 m3/h，在保证平衡地层压力前提下只需灌入少量钻井液就可安全进行起下钻作业。因此，利用该函数模型可为合理地测算钻井液吊灌高度提供参考。

4 结论与认识

借助于环空液面监测技术，在井漏失返工况下能够有效监测井筒漏失动态。通过分析环空液面监测实时数据，采用数理统计分析方法，建立漏失动态函数模型，可有效表征漏失速率与液面高度的变化关系，从而分析井筒环空中钻井液漏失动态变化规律。

本文所建立的漏失动态函数模型是基于现场液面监测数据的统计分析而来，方法简单有效，可为现场堵漏施工提供可靠参考，同时为井控安全提供有力保障。