油气层中井控安全起钻条件探讨——以川中东探区为例

孙晓波

(中国石化胜利石油工程有限公司西南分公司,四川德阳 618000)

对于油气层中安全起下钻应具备的条件,国内油气井施工现场大多以油气上窜速度是否满足要求作为判断依据。不同领域的学者对油气在钻井液中沿井筒上升过程中的运动规律进行了研究[1-4],油气在钻井液中的受力状态及其产生的运动规律并非简单的匀速运动,而现有油气上窜速度计算公式还不能对油气上窜的实际情况进行描述。国外各大公司的相关井控标准中很少提及油气上窜速度,国内各级井控标准中对油气上窜速度具体达到什么数值才能满足起下钻条件的要求也不统一;油气井施工现场一般采取较为保守的迟到时间法计算油气上窜速度,根据油气上窜速度的具体数值确定是否满足起钻条件。

1 井控标准中对油气上窜速度的要求

起钻前井筒条件安全是起钻过程中不发生井控事件的基础条件,因此起钻前必须首先确认井内压力系统已处于稳定状态,正如有学者所说“任何起钻作业在钻头离开井底前,必须做好井控工作。起钻作业常使井控问题突然出现,正如经常发生的情况,由于在检测出问题时才进行井控工作,井眼情况已恶化,井控问题越来越复杂[5]。目前,起钻前确认井筒条件是否安全的工艺方法,国内外没有统一的标准,有必要对安全起钻条件进行进一步探讨。

1.1 国内相关井控标准要求

短起下钻、测量油气上窜速度是否满足起钻条件,已作为国内现场油气层施工过程中保证井控安全的一项必不可少的程序,在钻井作业现场得到了广泛的应用。国内不同地区的井控风险差异较大,国家标准、行业标准及企业标准中,都未对油气上窜速度的具体数值做出明确规定,各施工区域制定的实施细则对油气上窜速度基本都提出了相关要求,但对油气上窜速度的计算方法及达到哪个数值能够满足安全起下钻的条件等仍不统一。

1.1.1 国家标准及行业标准

国家标准中要求短程起下钻后再下入井底循环观察,油气上窜速度满足安全作业时间,方可进行下步作业[6],该标准中并未对短程起下钻的具体做法及油气上窜速度的具体数值做出明确规定,但要求油气上窜速度满足安全作业时间。

石油天然气行业标准中要求在钻开含硫化氢油气层后,起钻前应先进行短程起下钻。短程起下钻后的循环钻井液观察时间应达到一周半以上,进出口钻井液密度差不超过0.02 g/cm3;短程起下钻应测油气上窜速度,满足安全起下钻作业要求[7]。该标准对短程起下钻的具体工艺措施做了较为详细的规定,对钻井液密度差做了较为明确的规定,未提及油气上窜速度的具体要求。

1.1.2 企业标准

中国石油天然气集团公司企业标准中要求短程起下钻的基本做法如下:①一般情况下试起10柱～15柱钻具或起至套管鞋,再下入井底循环观察一个循环周,若钻井液无油气侵或油气上窜速度满足安全作业时间,则可正式起钻,否则,应循环排除受侵污钻井液并适当调整钻井液密度至短程起下钻正常后再起钻;②特殊情况时(需长时间停止循环或井下复杂时),将钻具起至套管鞋内或安全井段,停泵观察一个起下钻周期或停泵所需的等值时间,再下入井底循环观察一个循环周,若钻井液无油气侵或油气上窜速度满足安全作业时间,则可正式起钻,否则,应调整处理钻井液[8]。该标准对短程起下钻的具体做法做了详细规定,对有无油气侵做了较为明确的规定,未对油气上窜速度的具体数值做明确规定,但要求油气上窜速度满足安全作业时间。

中国石化井控管理规定中要求进行低泵冲试验。起钻前应测油气上窜速度,确保油气上窜速度满足标准;下钻完毕应测油气后效,高压气层排完后效再正常钻进[9]。该标准对进入油气层主要井控措施进行了全面的总结,未对相关具体数值做明确规定,但要求油气上窜速度满足标准。

中国海洋石油总公司企业标准中规定短程起下钻的基本做法是循环至少两周,气测全量值小于10%且处于下降的趋势,溢流检查后,若无溢流,则可起钻;否则,应循环排除受侵钻井液内气体,并适当调整钻井液密度后再起钻[10]。该标准对气测全烃值的具体数值做了明确的规定,并提出了国外普遍使用的溢流检查的概念。

1.1.3 各区域井控细则

各区域的井控细则较多,对油气上窜速度的具体算法以及能够安全起钻的油气上窜速度达到的具体数值等的规定不完全统一。有的地区明确规定了油气上窜速度,使用迟到时间法计算;有的地区将安全作业时间明确为起下一趟钻需要的时间(h)+10 h小于油气上窜到井口的时间(h),在一趟起下钻时间内油气上窜距井口1 000 m以下或者油气上窜速度按作业周期内控制不超过储层顶部井深1/3～1/2(即控制时间的安全系数为2～3);有的地区将油气上窜速度的数值限定为不超过10 m/h或小于30 m/h;有的地区针对不同井型、不同井深、不同层位,将短程起下钻的具体做法及油气上窜速度的具体数值进行了更细致地划分。

1.2 国外相关井控标准要求

国外各大公司相关的井控操作指南(Well Control Mannual)对油气上窜速度并无特殊要求,在其规定的起钻程序(Tripping Procedures)中,大都提及溢流检查(flowcheck)的概念,并对溢流检查的施工节点、溢流检查的时间长短等做出了明确的规定。

2 油气上窜速度计算数值的探讨

油气上窜速度传统的计算方法主要有迟到时间法、容积法、相对时间法等,不同计算方法得出的油气上窜速度会有一定的差异,同一种计算方法因现场操作人员取值的差异,得出的油气上窜速度的数值也会有一定的差异。本文以现场应用最多的迟到时间法为例[11],现场使用的油气上窜速度计算的数值,主要作为下步施工的参考依据,但油气在井筒内的实际运移规律与计算的数值并不相符。

2.1 油气上窜速度计算方法的探讨

目前,国内现场普遍使用的计算油气上窜速度的方法为迟到时间法,其具体计算公式如下:

(1)

式中:v为油气上窜速度,m/h;Hy为油气层顶部深度,m;Hzt为循环钻井液时钻头所在深度,m;tc为钻头所在深度迟到时间,h;t为从开泵循环到见到油气显示的时间,h;tj为从停泵起钻至本次开泵的总静止时间,h。

2.1.1 参数取值

对于同一口井,该计算方法会因参数取值差产生误差。计算公式的右边涉及5个参数,其中油气层顶部深度Hy、循环钻井液时钻头所在深度Hzt为定值;从开泵循环到见到油气显示的时间t,基本已达成共识,取全烃曲线第一个明显的拐点;钻头所在深度迟到时间tc,按照相关标准每隔50～100 m现场需用指示物或电石实测(迟到时间=实测的循环周-指示物在管柱内的下行时间),该数值受泵的上水效率、钻具在井内的运动状态等影响较大且该数值并非连续测量而是阶段性测量,现场计算中可能造成不同的取值;从停泵起钻至本次开泵的总静止时间tj,因多数情况下现场需缓慢开泵至正常排量,取值上可能产生差异。

2.1.2 误差

对于不同的井,计算方法产生的误差不同。在实际应用中,计算方法会因井身结构、钻具结构、井下情况(钻柱底部下过油气上窜界面的深度不同会导致因钻具排替导致油气上窜界面上升不同的高度)等的变化产生不同的误差,也就是说该计算方法在不同的情况下计算精度会有较大差异,由于相关标准中未对具体问题做出相应的说明,因此现场计算的精度不会更高,最终导致现场有可能用不准确的数据指导下步施工。

2.2 油气上窜规律的探讨

实际开井条件下,在气体上窜过程中,根据玻意耳定律,由于压力降低,气体的体积将迅速膨胀,气液两相流态可能发生变化,造成气体并非匀速上窜,因此计算的油气上窜速度与气体实际上窜速度会有差异。井下钻井液流变参数存在差异性,井下环境的多样性,要想精确计算出井筒内侵入流体的运移速度并非易事。

3 安全起钻条件探讨及现场应用

3.1 安全起钻条件的程序探讨

钻井施工过程中,地层流体主要以岩屑气侵、重力置换气侵、浓度扩散气侵、压差气侵、抽汲气侵等5种方式进入井筒,但无论是哪种方式,只要有足够多的地层流体进入井筒,能够引起负压差,井筒压力系统就会处于不稳定的状态。也就是说,对于同一个井筒,在其他各项条件不变的情况下,能够引起井筒不稳定状态的首先是进入井筒的地层流体的量,地层流体进入井筒的方式则在一定程度上决定了处理气侵的方式(是否需要进行节流循环加重钻井液或只进行循环排气),该种流体在井筒内的上窜速度在一定程度上能够决定安全作业时间[12],但为减缓油气上窜而采取其他工艺措施的情况除外[13]。本文认为逐项做好以下5个步骤,可准确判断是否满足安全起钻条件。

1)认真执行短程起下钻措施。短程起下钻前应对重点钻机提升系统等认真做好检查保养,起下钻期间尤其是钻具下深较浅的情况下,尽量不进行检修作业。参考国内外相关标准,短程起下钻的柱数控制为10～15柱的同时,短程起下钻的时间控制应不少于4 h。若短程起下钻井段太长或时间太久,则存在较大的井控风险;若短程起下钻井段或时间不够,则不能反映起下钻工况下井底压力与地层压力之间的真实状况。

2)观察记录气测录井的全烃峰值。全烃峰值可较直观地判断在一定时间内地层流体进入井筒的量。参考国内外相关标准,钻进过程中的起下钻作业全烃峰值上限可规定为10%,中完作业期间或其他需井底长时间静止的作业全烃峰值上限可规定为5%(如果其他起钻条件都满足,根据施工情况,全烃峰值在10%或5%及以下,可不将油气上窜速度作为起钻的参考值)。

3)分析气测录井的全烃值曲线变化情况。通过全烃曲线变化情况可判断地层流体进入井筒的方式,如果是因为压差气侵引起的全烃值升高,井底存在负压差,地层内流体将持续不断地进入井内,往往会出现全烃值持续不降或下降缓慢的现象;如果是其他原因气侵引起的全烃值升高,全烃曲线往往会达到峰值后,短时间内回归至基值。

4)综合运用溢流检查手段。溢流检查可排除循环过程中停泥浆泵后钻井液惯性外溢的干扰,更直观准确地发现溢流。参考国内外相关标准,溢流检查的时机应为短程起下钻排完后效以后,打重浆压水眼之前,溢流检查的时间应不少于15 min。期间,钻具以10 r/min的转速转动,确保井口无外溢,方可打重浆压水眼,起钻。起钻进技术套管,起钻至普通钻杆最后1柱,均要停止起钻,观察10～15 min,确认无异常才能继续起钻。

5)参考油气上窜速度的计算值。在执行国内外相关标准的同时,综合运用好以上4个程序,即可准确判断是否满足安全起钻条件。

3.2 安全起钻条件的现场应用

YB103-1H井为川东北探区1口三高开发井,该井三开施工期间,根据油气上窜速度计算的安全作业时间,不能满足安全起下钻要求(表1)。该井起钻前,将钻具起至技术套管内等安全作业时间,再将钻具下入井底循环排后效的方式,验证了有足够的安全起下钻时间。随后按照上述安全起钻的程序逐项验证,起下钻过程中未见异常。

表1 YB103-1H井后效显示情况

4 结论

1)现行井控标准对油气层中能够井控安全起钻的油气上窜速度的规定不统一,现有油气上窜速度计算公式所得数值不能客观反映井下油气上窜的真实情况。仅依据油气上窜速度超标就不起钻,甚至盲目提高钻井液密度,存在一定的片面性,甚至会造成不应发生的井下复杂情况。

2)在油气层中进行起钻作业前,应严格执行短程起下钻技术措施,并充分利用短程起下钻获得的全烃峰值及全烃值曲线变化趋势等相关数据,通过溢流检查手段,综合、客观地判断是否满足起钻条件,油气上窜速度的计算值可作为参考数据,但不能以其数值判断起钻是否安全。

3)做好现场井控工作需技术与管理并进,安全起钻条件的判断还应充分考虑油气藏类型、地区经验及队伍水平等。

4)当井眼出现钻井液性能、沉沙问题的井下阻卡、喷漏同存等复杂情况时,在起钻前还应充分考虑相应复杂情况可能造成的井控风险。