起钻中灌浆过程模拟及对井底压力的影响

周 宝， 郭 斌， 刘 伟， 刘俊峰， 王卫阳， 叶素桃

中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司

0 引言

随着油气勘探领域不断向深地复杂油气藏延伸，地层压力精准预测难度增大，特别是目的层钻进作业井控风险增高，溢流、井漏、漏后转溢等复杂井况时有发生，若发现不及时或处理不当，极易诱发井喷，导致井眼报废甚至造成人员伤亡[1- 2]，成为安全快速钻井的“拦路虎”。而起钻过程中因为无循环压耗、抽吸压力等降低井底液柱压力；下钻过程中因产生激动压力增加井底液柱压力均会破坏井筒压力平衡，溢流井漏等复杂风险增大[3- 9]。因此，起钻过程中对井底液柱压力的准确判断是井控安全的重要保障。

钻井现场通常通过环空灌入量与起出钻具的体积关系判断井下情况：环空灌入量小于起出钻具的本体体积时，井内可能发生溢流；环空灌入量大于起出钻具的本体体积时，井内可能发生漏失。而高密度钻井液在复合钻具水眼中的流动造成灌浆量与起出钻具的体积在井底正常的情况下不相等，从而影响现场对井下情况的判断。本文通过分析计算起钻过程中复合钻具水眼与环空内钻井液的流动情况，研究了钻具水眼与环空内钻井液的液柱压力平衡过程，分析了复合钻具水眼容积差对起钻全过程中钻井液流动规律，形成了复合钻具起钻过程中灌浆量随起出钻具长度变化关系，为现场监测井筒压力情况提供指导，对及时判断井下是否发生溢流、井漏等复杂情况具有重要意义。

1 起钻前压水眼作业

对于超深井来说，由于井身结构和井口钻具抗拉余量等因素的限制，常规采用复合钻具来减轻钻具重量。钻井过程中，环空中由于压耗的存在及岩屑在钻井液中悬浮造成环空的静夜柱压力当量钻井液密度高于钻具水眼内钻井液密度，即停泵后立管压力不为零，为防止起钻时钻具水眼内的钻井液下行不及时而喷出钻台面，造成钻台面污染，影响井口作业，延缓起钻速度，造成钻井液计量误差而影响井下情况判断，现场通常在起钻前向钻具水眼内注入高密度钻井液(密度大于循环钻井液)来“压水眼”，以平衡钻具内外的钻井液液柱压力差，如图1所示。起钻前注入高密度钻井液后，井内钻井液存在三种密度的钻井液：环空钻井液，水眼钻井液及高密度钻井液。

图1 钻前压水眼作业示意图

2 起钻过程中井内钻井液流动规律分析

理论计算做出以下基本假设：

(1)起钻过程中，高密度钻井液与原井浆不发生物质交换，二者界面保持水平。

(2)高密度钻井液与原井浆的各自密度均匀。

(3)大直径钻具长度为l1，小直径钻具为l2，同一尺寸的钻具水眼及环空横截面积相等。

(4)起钻过程中向环空连续灌浆，环空中注满钻井液，且井口压力为大气压。

(5)起钻过程中，有充足的时间使钻具水眼与环空中的钻井液压力平衡。

受重力影响，起钻过程中钻具水眼与环空钻井液的流动过程和压力变化情况为典型的“U型管效应”[6- 8]，本文将起钻过程分为六个阶段。

2.1 注入高密度钻井液后，水眼—环空钻井液建立压力平衡

起钻前高密度钻井液注入量根据停泵回压计算：首先以水眼中钻井液液面低于钻台面为目标确定所需压差(现场将停泵回压附加0.5～1 MPa作为初始压差)，然后根据所需高密度钻井液高度计算高密度钻井液用量：

p=ΔρgH2

(1)

V=H2A

(2)

式中：p—停泵回压附加量0.5～1 MPa，MPa；Δρ—压水眼钻井液与井内钻井液密度差，g/cm3；H2—压水眼钻井液在钻柱水眼中的高度,m；V—压水眼高密度钻井液体积，m3；A—单位高度钻柱水眼内容积，m3/m；g—重力加速度，m/s2。

钻具水眼中注入高密度钻井液后，在压差作用下，水眼中高密度钻井液下行至环空—水眼钻井液重新建立压力平衡，在钻具水眼顶部形成一段空气柱，压力平衡后，水眼中钻井液分为3段，见图2。

图2 钻具水眼注入高密度钻井液后井内钻井液分布示意图

由上至下依次为高度为H1的空气；高度为H2的高密度钻井液，其密度为ρ1；高度为H3的井浆，其密度为ρ2；环空中钻井液密度为ρ2。根据“U”型管压力平衡原理[10- 12]，由公式(3)和公式(4)计算出空气高度H1高密度钻井液下行替出的钻井液体积V1：

ρ1gH2+ρ2gH3=ρ2g(H1+H2+H3)

(3)

(4)

V1=H1qa

(5)

式中：qa—大直径钻具单位高度水眼容积,m3/m。

2.2 高密度钻井液在大直径钻具水眼中运移至底部

开始起钻作业后，水眼中空气高度H1及高密度钻井液高度H2保持不变，直至起钻至高密度钻井液即将进入小直径钻具水眼，如图3，此过程中环空灌入量等于起出钻具的本体体积，正常灌浆起出钻具的高度lab为：

图3 高密度钻井液在大直径水眼中运移至底部井内钻井液分布示意图

lab=l1-H1-H2

(6)

2.3 高密度钻井液进入小直径钻具水眼

继续起钻，高密度钻井液从大直径钻具水眼底部开始进入小直径钻具水眼，由于大、小钻具水眼容积差，高密度钻井液高度开始增加，高密度钻井液形成的附加压差随之增大，水眼—环空钻井液压力体系发生改变，水眼—环空钻井液重新建立平衡。此时水眼中钻井液液面开始下降，环空灌浆量小于起出钻具的本体体积，如图4。

设定大水眼钻具中高密度钻井液高度为a，小钻具水眼中高密度钻井液高度为b，计算当起出钻具高度为x时(图4)，水眼钻井液高度、等压差变化情况，根据“U”型管原理，高密度钻井液进入小直径钻具水眼前、后，水眼—环空钻井液压力保持平衡：

图4 高密度钻井液进入小钻具水眼过程中井内钻井液分布示意图

ρ1gH2+ρ2gH4=ρ2g(H1+H2+H4)

(7)

ρ1gL2+ρ2gL3=ρ2g(L1+L2+L3)

(8)

式中：H1、H2、H4—分别为高密度钻井液在大直径钻具水眼底部时，空气柱、高密度钻井液、井浆的高度,m;L1、L2、L3—分别是高密度钻井液进入小直径钻具水眼后，空气柱、高密度钻井液、井浆的高度，m。

起出高度为x的钻具后，钻具长度与初始态的关系为：

L1+L2+L3=H-x

(9)

L2=a+b

(10)

L3=H4-b

(11)

大、小钻具水眼单位长度容积分别为qa、qb，起钻过程中高密度钻井液体积保持不变：

qa×a+qb×b=qa×H2

(12)

b=λ(H2-a)

(13)

式中：λ—大、小钻具水眼单位长度容积的比值，即λ=qa/qb。

求解大直径钻具水眼中高密度钻井液高度a的解：

(14)

当a=0时，高密度钻井液全部进入小钻具水眼，此时起出钻具的长度为：

(15)

高密度钻井液全部进入小钻具水眼后，水眼中空气高度由H1增大为L4(如图5):

图5 高密度钻井液完全进入小钻具水眼后井内钻井液分布示意图

(16)

此过程中环空欠灌量为：

V2=(L4-H1)qa

(17)

也可以表示为：

(18)

欠灌状态下起出钻具的高度为：

lbc=H1+H2-L4

(19)

2.4 高密度钻井液在小直径水眼中运移，起出所有大直径钻具

继续起钻，钻具水眼中空气及高密度钻井液高度不变(图6)，但此过程中，起出钻具由大直径钻具转变为小直径钻具，钻具水眼体积由大变小，水眼中空气的体积减小，而空气体积的减小量需要钻井液补充，即环空灌浆表现为灌入量大于起出钻具的本体体积，多灌量为：

图6 起出所有大直径钻具过程中井内钻井液分布示意图

(20)

多灌状态下起出钻具高度lcd为：

lcd=L4

(21)

2.5 高密度钻井液在小直径水眼中运移至底部

继续起钻，高密度钻井液在小直径钻具水眼中运移至底部，此过程中，水眼中空气高度L4、高密度钻井液高度L5保持不变，如图7所示，即环空灌浆表现为灌入量等于起出钻具的本体体积。正常灌浆状态下起出钻具的高度为：

图7 高密度钻井液在小直径水眼中运移至底部时井内钻井液分布示意图

lde=l2-L5-L4

(22)

2.6 高密度钻井液出水眼过程

高密度钻井液出水眼过程中，水眼中高密度钻井液高度开始下降，形成的附加压差减小，表现为水眼中空气高度减小，直至起出所有钻具时，高密度钻井液全部出水眼，水眼中空气高度由L4减小为0，空气的体积由钻井液补充，补充量为：

V4=qb×L4

(23)

带入L4，表示为式(24)，数值上等于V1，即将阶段1中，压水眼高密度钻井液最初找平所顶替出的V1补足。

(24)

多灌状态下起出钻具的高度lef为:

lef=L5+L4

(25)

3 计算实例

以塔里木油田一口超深井某次起钻过程为例，对起钻过程中的高密度钻井液高度、水眼中空气高度变化，及其造成的灌浆异常情况进行理论计算，具体参数见表1，计算结果见表2。按照钻具水眼中空气的高度，把起钻过程分为6个阶段，起钻过程中水眼中空气柱的高度变化如图8所示，环空灌入量与起出钻具本体体积的差值变化如图9所示。

图8 起钻过程中水眼内空气的高度变化过程

图9 起钻过程中环空灌入量与起出钻具本体体积的差值变化

表1 起钻前理论计算参数

表2 起钻过程中理论计算结果

起钻阶段a：向水眼中注入高密度钻井液后，水眼中钻井液下行，水眼—环空压力体系趋于平衡，钻具水眼中形成了高度为H1的空气，替出体积为V1钻井液。

起钻阶段a～b：水眼—环空钻进液压力体系平衡后起钻至高密度钻井液到达大直径钻具水眼底部，此过程中，钻具水眼中钻井液及空气高度保持不变，此阶段环空灌入量等于起出钻具的本体体积。

起钻阶段b～c：高密度钻井液开始进入小直径钻具至完全进入小直径钻具过程，此过程中，由于大、小钻具水眼容积差异，高密度钻井液在水眼中高度增加，压差增大，水眼中钻井液开始下行，上部空气高度增加为L4，此阶段环空灌浆情况为欠灌。欠灌体积为7.04 m3，现场实际作业过程中欠灌量为6.85 m3；欠灌的距离为678.43 m，现场欠灌高度为712 m，实际起钻作业过程中，高密度钻井液与井浆混合，造成钻井液密度不均匀是造成误差的原因。

起钻阶段c～d：钻具水眼中钻井液全部进入小直径钻具至起出所有大直径钻具，此过程中，水眼中高密度钻井液及空气高度保持不变，但起出的钻具为大直径钻具，水眼中空气的体积减小，需要钻井液补充。因此，环空灌浆情况表现为灌入量大于起出钻具体积，多灌量为V3。

起钻阶段d～e：起出大直径钻具后继续起钻至高密度钻井液到达钻具底部，此阶段，水眼中空气及高密度钻井液高度保持不变，环空灌浆量等于起出钻具本体体积。

起钻阶段e～f：高密度钻井液开始从底部出水眼，因此，水眼中高密度钻井液高度减小，水眼—环空压差减小，水眼中空气高度减小直至所有钻具起出。此过程中，环空灌浆情况表现为灌入量大于起出钻具体积，多灌量V4等于起钻前注入压水眼高密度钻井液时替出的井浆体积V1。

4 结论

钻井现场复合钻具起钻过程中环空灌浆会出现“正常灌浆—欠灌—多灌—正常灌浆—多灌”的过程，高密度“压水眼”钻井液在大、小直径钻具中形成不同压差造成了环空灌浆异常，本文分析了整个过程并给出了灌浆异常量及灌浆异常距离的计算方法。并以塔里木一口使用复合钻具的井作为实例对分析过程进行了验证，结果与现场数据有较好的对应关系。

高密度钻井液进入小水眼钻具开始的欠灌距离及欠灌量随着大、小钻具水眼单位长度容积比值、高密度钻井液与井浆密度差、停泵回压增大而增大；高密度钻井液完全进入小直径钻具水眼后开始多灌，多灌量等于高密度钻井液进入小水眼钻具后的欠灌量；这个“欠灌”后“多灌”的过程应当引起现场技术人员的重视，在起钻过程中对于大、小直径钻具水眼容积差引起的“假溢流”及“假井漏”能够做出准确判断。

现场起钻作业前应尽量调整钻井液流变性，以降低停泵回压，在条件允许情况下，减小“压水眼”高密度钻井液的密度及用量，减小起钻过程由于大、小直径钻具水眼容积差引起的“假溢流”及“假井漏”量。现场技术人员应对起钻过程中灌浆异常情况做出预测，准确识别大、小直径水眼容积差引起的“假溢流”及“假井漏”。