本發(fā)明涉及一種基于井口溢流量的氣侵程度評(píng)價(jià)方法，屬于深水鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在深水鉆井過(guò)程中，由于地質(zhì)、氣候等不確定因素，導(dǎo)致鉆井風(fēng)險(xiǎn)較大，經(jīng)常發(fā)生氣侵、井涌等問(wèn)題。氣侵對(duì)鉆井作業(yè)危害極大，一旦失去控制，就會(huì)導(dǎo)致井噴事故，對(duì)平臺(tái)人員安全及海洋生態(tài)環(huán)境造成極大威脅。在氣侵發(fā)生以后，對(duì)氣侵的早期監(jiān)測(cè)及氣侵程度的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于后期井控工作具有重要意義。目前，對(duì)于氣侵程度的評(píng)估主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，具有很大主觀性，對(duì)后期井控措施的有效性產(chǎn)生不利影響。在壓井過(guò)程中，若壓井時(shí)間過(guò)晚，則易引發(fā)井涌甚至井噴事故，若壓井液密度過(guò)大，又容易壓裂地層，造成井漏，同時(shí)壓井排量的選擇液對(duì)井底壓力產(chǎn)生影響。壓井參數(shù)的選擇很大程度上依賴于氣侵程度的有效判斷。目前，在氣侵的早期監(jiān)測(cè)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了大量的研究，研發(fā)了一系列在井口，隔水管段以及井底的監(jiān)測(cè)方法，其中井口溢流量監(jiān)測(cè)法在海洋鉆井中得到了良好的應(yīng)用。因此，有必要建立一種基于井口溢流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的氣侵程度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，從而降低壓井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于井口溢流量的氣侵程度評(píng)價(jià)方法。本發(fā)明主要為了解決現(xiàn)有狀態(tài)對(duì)氣侵程度無(wú)法有效判別的問(wèn)題，提供一種已知井口溢流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，結(jié)合壓井工藝與套壓峰值等參數(shù)的氣侵程度方法，克服了傳統(tǒng)技術(shù)中的不足，可與多種現(xiàn)場(chǎng)井涌探測(cè)設(shè)備配套使用。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于井口溢流量的氣侵程度評(píng)價(jià)方法，包括氣侵程度評(píng)估階段：

1)壓井在關(guān)井后，求解井筒內(nèi)的壓力關(guān)系；

2)當(dāng)壓井液注入后，進(jìn)行地層壓力的計(jì)算，一般情況下，氣侵時(shí)鉆柱內(nèi)靜液壓力大于環(huán)空靜液壓力，且可以認(rèn)為鉆柱內(nèi)不含氣體，因此可以通過(guò)下式求得地層壓力：

pp＝psp+0.00981ρdd(ii)

式(ii)中，d——井深，m；ρd——初始鉆井液密度，g/cm³；

3)壓井時(shí)，需要對(duì)壓井液密度和壓井泵速進(jìn)行計(jì)算和選擇，對(duì)壓井液密度計(jì)算公式如下：

式(ii)中，psp——關(guān)井立壓，mpa；ρd1——壓井液密度，g/cm³；

在實(shí)際鉆井過(guò)程中，為保證鉆井安全，通常需要把鉆井液密度加大一點(diǎn)，推薦增加值視具體情況而定：

優(yōu)選的：油井的鉆井液密度為0.05～0.10g/cm³，氣井的鉆井液密度為0.07～0.15g/cm³；

優(yōu)選的：油井得鉆井液密度為1.5～3.5mpa，氣井的鉆井液密度為3.5～5.0mpa；

4)在壓井時(shí)，需要進(jìn)行壓井泵速選擇，在壓井循環(huán)過(guò)程中，通常用低泵速進(jìn)行壓井，壓井排量計(jì)算公式為：

q’＝(1/3～1/2)q(iv)

式(iv)中，q’——壓井排量，m³/s；q——鉆井時(shí)正常排量，m³/s；

5)在壓井液密度和壓井泵速計(jì)算完成后，確定壓井立壓，包括確定初始循環(huán)立壓和終了循環(huán)立壓：

①初始循環(huán)立壓pti：

pti＝psp+pc(v)

式(v)中，pc——壓井循環(huán)壓力，mpa；pti——初始循環(huán)立壓，mpa；

②終了循環(huán)立壓ptf：

式(vi)中，ptf——終了循環(huán)立壓，mpa；

6)在壓井液密度和壓井泵速計(jì)算完成后，在壓井過(guò)程中，設(shè)井底氣侵量為零，兩相流方程與氣侵時(shí)的兩相流方程類似，得壓井模型如下：

氣體連續(xù)性方程：(引用：中國(guó)石油大學(xué)(華東)碩士論文，龐華，第17頁(yè))

液體連續(xù)性方程：

氣液兩相混合方程：

結(jié)合相關(guān)輔助方程，所述輔助方程包括：鉆井液粘度，天然氣的性質(zhì)，外界環(huán)境溫度，對(duì)流換熱系數(shù)及熱源項(xiàng)的求解方程，分別計(jì)算在不同溢流量情況下，壓井過(guò)程中產(chǎn)生的套壓峰值，即求得井口溢流量與套壓峰值的關(guān)系，從而判別氣侵程度并對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本發(fā)明在所述氣侵程度評(píng)估階段之前還包括常規(guī)的數(shù)據(jù)輸入階段、實(shí)時(shí)調(diào)整階段、套壓及溢流量計(jì)算階段，其中所述數(shù)據(jù)輸入階段是指從現(xiàn)場(chǎng)鉆井設(shè)計(jì)方案及鉆井日志中提取氣侵井的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)及套管參數(shù)；實(shí)時(shí)調(diào)整階段是指根據(jù)氣侵發(fā)生時(shí)的鉆井進(jìn)度及施工方案進(jìn)行的參數(shù)補(bǔ)充，從而依據(jù)壓井模型對(duì)套壓及溢流量進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)套壓及井口溢流量的實(shí)時(shí)定量關(guān)系，構(gòu)建不同井口溢流量下，套壓峰值計(jì)算及安全性評(píng)價(jià)方法，即為氣侵程度評(píng)估階段，該階段能夠保證氣侵發(fā)生后及時(shí)有效的對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述壓井采用的是司鉆法壓井：第一循環(huán)周用原鉆井液循環(huán)排出井內(nèi)受污染鉆井液；待壓井鉆井液配置好后，開始第二循環(huán)周，將壓井液泵入井內(nèi)；

在所述步驟1)中，所述井筒內(nèi)的壓力關(guān)系根據(jù)u形管原理求得，為:

psp+phi＝pp＝pa+pha(i)

式(i)中，psp——關(guān)井立壓，mpa；phi——靜液柱壓力，mpa；pp——地層壓力，mpa；pa——關(guān)井套壓，mpa；pha——井筒環(huán)空中兩相混合物壓力，mpa。本發(fā)明中優(yōu)先采用司鉆法進(jìn)行壓井，其他壓井方法依然適用，只是井筒壓力關(guān)系求解方式發(fā)生改變，應(yīng)作出相應(yīng)調(diào)正，本發(fā)明中提出的氣侵程度評(píng)價(jià)原理適用于所有壓井方式。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟6)判別氣侵程度并對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法包括：確定最大允許關(guān)井套壓，具體步驟如下：在上述壓井過(guò)程中，井底壓力及井筒環(huán)空壓力隨壓井液的注入而變化，關(guān)井套壓也是時(shí)刻變化的。根據(jù)海洋鉆井手冊(cè)中井控技術(shù)的要求，無(wú)論什么情況下關(guān)井，所述最大允許關(guān)井套壓取以下三個(gè)壓力參數(shù)中的最小值：

①井口裝置額定工作壓力；例如海底防噴器等；

②套管薄弱處抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80％；此參數(shù)可通過(guò)套管型號(hào)確定；

③地層薄弱處(一般為套管鞋處)破裂壓力允許關(guān)井套壓＝

plt-0.0098×ρ×hc，其中plt為地層破裂壓力，hc為地層薄弱處深度。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在計(jì)算出最大允許關(guān)井套壓后，所述步驟6)判別氣侵程度并對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的具體方法包括：

(1)分別計(jì)算出所述步驟6)中三種條件下的最大允許關(guān)井套壓；所述三種條件是指所述步驟6)中①②③三種條件下的最大允許關(guān)井套壓；

(2)假設(shè)其他風(fēng)險(xiǎn)因素不變，按照步驟6)求套壓與溢流量?jī)蓛芍g的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制關(guān)系曲線：橫坐標(biāo)為溢流量，單位m³，縱坐標(biāo)為在該溢流量下進(jìn)行壓井時(shí)，井控過(guò)程中產(chǎn)生的套壓峰值，單位mpa，不同的曲線代表不同的壓井排量下的溢流量與套壓峰值對(duì)應(yīng)關(guān)系，壓井排量單位為m³/min；

(3)由最大允許關(guān)井套壓作為限定條件，在步驟(2)所繪制的關(guān)系曲線上劃分為幾個(gè)不同的區(qū)域，劃分方法為：

最大允許關(guān)井套壓與第一條關(guān)系曲線的交點(diǎn)為第一交點(diǎn)，橫坐標(biāo)小于第一交點(diǎn)的區(qū)域?yàn)閍區(qū)域，

最大允許關(guān)井套壓與最后一條關(guān)系曲線的交點(diǎn)為第二交點(diǎn)，橫坐標(biāo)大于第一交點(diǎn)、小于第二交點(diǎn)的區(qū)域?yàn)閎區(qū)域；

橫坐標(biāo)大于第二交點(diǎn)的區(qū)域?yàn)閏區(qū)域；

(4)確定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間：

所述a區(qū)域表示氣侵程度安全區(qū)間；即在該溢流量范圍內(nèi)進(jìn)行壓井時(shí)，所產(chǎn)生的套壓峰值不會(huì)超過(guò)最大允許套壓峰值，雅靜作業(yè)過(guò)程安全；

所述b區(qū)域相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)間；即在該溢流量范圍內(nèi)進(jìn)行壓井時(shí)，所產(chǎn)生的套壓峰值有可能會(huì)超過(guò)最大允許套壓峰值，但可以通過(guò)壓井排量的調(diào)節(jié)將其控制在安全范圍內(nèi)，故為相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)間；

所述c區(qū)域?yàn)槭治ｋU(xiǎn)區(qū)間；即在該溢流量范圍內(nèi)進(jìn)行壓井時(shí)，所產(chǎn)生的套壓峰值一定會(huì)超過(guò)最大允許套壓峰值，且無(wú)法通過(guò)壓井排量的控制減低風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)壓井井噴概率高，故為十分危險(xiǎn)區(qū)間。

本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)氣侵壓井過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)程度主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，具有很大主觀性的缺點(diǎn)，利用壓井參數(shù)及井筒內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了溢流量與關(guān)井套壓的定量關(guān)系描述，所計(jì)算結(jié)果能夠客觀反映氣侵程度的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，彌補(bǔ)了深水鉆井領(lǐng)域在氣侵發(fā)現(xiàn)時(shí)對(duì)氣侵程度的評(píng)估方面的空白，對(duì)氣侵的控制有重要意義。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述基于井口溢流量的氣侵程度評(píng)價(jià)方法的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例1中，通過(guò)南海xx-x井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使用本發(fā)明計(jì)算出井口溢流量與套壓峰值的實(shí)時(shí)定量關(guān)系，結(jié)合最大允許關(guān)井套壓繪制的氣侵程度及井控風(fēng)險(xiǎn)示意圖，橫坐標(biāo)為井口溢流量體積，縱坐標(biāo)為實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)的井筒套壓峰值。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法的實(shí)施方式做詳細(xì)說(shuō)明，但不限于此。

實(shí)施例1、

一種基于井口溢流量的氣侵程度評(píng)價(jià)方法，包括氣侵程度評(píng)估階段：

1)壓井在關(guān)井后，求解井筒內(nèi)的壓力關(guān)系；

2)當(dāng)壓井液注入后，進(jìn)行地層壓力的計(jì)算，一般情況下，氣侵時(shí)鉆柱內(nèi)靜液壓力大于環(huán)空靜液壓力，且可以認(rèn)為鉆柱內(nèi)不含氣體，因此可以通過(guò)下式求得地層壓力：

pp＝psp+0.00981ρdd(ii)

式(ii)中，d——井深，m；ρd——初始鉆井液密度，g/cm³；

3)壓井時(shí)，需要對(duì)壓井液密度和壓井泵速進(jìn)行計(jì)算和選擇，對(duì)壓井液密度計(jì)算公式如下：

式(ii)中，psp——關(guān)井立壓，mpa；ρd1——壓井液密度，g/cm³；

在實(shí)際鉆井過(guò)程中，為保證鉆井安全，通常需要把鉆井液密度加大一點(diǎn)，推薦增加值視具體情況而定：

優(yōu)選的：油井的鉆井液密度為0.05～0.10g/cm³，氣井的鉆井液密度為0.07～0.15g/cm³；

優(yōu)選的：油井得鉆井液密度為1.5～3.5mpa，氣井的鉆井液密度為3.5～5.0mpa；

4)在壓井時(shí)，需要進(jìn)行壓井泵速選擇，在壓井循環(huán)過(guò)程中，通常用低泵速進(jìn)行壓井，壓井排量計(jì)算公式為：

q’＝(1/3～1/2)q(iv)

式(iv)中，q’——壓井排量，m³/s；q——鉆井時(shí)正常排量，m³/s；

5)在壓井液密度和壓井泵速計(jì)算完成后，確定壓井立壓，包括確定初始循環(huán)立壓和終了循環(huán)立壓：

①初始循環(huán)立壓pti：

pti＝psp+pc(v)

式(v)中，pc——壓井循環(huán)壓力，mpa；pti——初始循環(huán)立壓，mpa；

②終了循環(huán)立壓ptf：

式(vi)中，ptf——終了循環(huán)立壓，mpa；

6)在壓井液密度和壓井泵速計(jì)算完成后，在壓井過(guò)程中，設(shè)井底氣侵量為零，兩相流方程與氣侵時(shí)的兩相流方程類似，得壓井模型如下：

氣體連續(xù)性方程：(引用：中國(guó)石油大學(xué)(華東)碩士論文，龐華，第17頁(yè))

液體連續(xù)性方程：

氣液兩相混合方程：

結(jié)合相關(guān)輔助方程，所述輔助方程包括：鉆井液粘度，天然氣的性質(zhì)，外界環(huán)境溫度，對(duì)流換熱系數(shù)及熱源項(xiàng)的求解方程，分別計(jì)算在不同溢流量情況下，壓井過(guò)程中產(chǎn)生的套壓峰值，即求得井口溢流量與套壓峰值的關(guān)系，從而判別氣侵程度并對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

所述壓井采用的是司鉆法壓井：第一循環(huán)周用原鉆井液循環(huán)排出井內(nèi)受污染鉆井液；待壓井鉆井液配置好后，開始第二循環(huán)周，將壓井液泵入井內(nèi)；

在所述步驟1)中，所述井筒內(nèi)的壓力關(guān)系根據(jù)u形管原理求得，為:

psp+phi＝pp＝pa+pha(i)

式(i)中，psp——關(guān)井立壓，mpa；phi——靜液柱壓力，mpa；pp——地層壓力，mpa；pa——關(guān)井套壓，mpa；pha——井筒環(huán)空中兩相混合物壓力，mpa。

所述步驟6)判別氣侵程度并對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法包括：確定最大允許關(guān)井套壓，具體步驟如下：在上述壓井過(guò)程中，井底壓力及井筒環(huán)空壓力隨壓井液的注入而變化，關(guān)井套壓也是時(shí)刻變化的。根據(jù)海洋鉆井手冊(cè)中井控技術(shù)的要求，無(wú)論什么情況下關(guān)井，所述最大允許關(guān)井套壓取以下三個(gè)壓力參數(shù)中的最小值：

①井口裝置額定工作壓力；例如海底防噴器等；

②套管薄弱處抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80％；此參數(shù)可通過(guò)套管型號(hào)確定；

③地層薄弱處(一般為套管鞋處)破裂壓力允許關(guān)井套壓＝

plt-0.0098×ρ×hc，其中plt為地層破裂壓力，hc為地層薄弱處深度。

在計(jì)算出最大允許關(guān)井套壓后，所述步驟6)判別氣侵程度并對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的具體方法包括：

(1)分別計(jì)算出所述步驟6)中三種條件下的最大允許關(guān)井套壓；所述三種條件是指所述步驟6)中①②③三種條件下的最大允許關(guān)井套壓；

(2)假設(shè)其他風(fēng)險(xiǎn)因素不變，按照步驟6)求套壓與溢流量?jī)蓛芍g的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制關(guān)系曲線：橫坐標(biāo)為溢流量，單位m³，縱坐標(biāo)為在該溢流量下進(jìn)行壓井時(shí)，井控過(guò)程中產(chǎn)生的套壓峰值，單位mpa，不同的曲線代表不同的壓井排量下的溢流量與套壓峰值對(duì)應(yīng)關(guān)系，壓井排量單位為m³/min；

(3)由最大允許關(guān)井套壓作為限定條件，在步驟(2)所繪制的關(guān)系曲線上劃分為幾個(gè)不同的區(qū)域，劃分方法為：

最大允許關(guān)井套壓與第一條關(guān)系曲線的交點(diǎn)為第一交點(diǎn)，橫坐標(biāo)小于第一交點(diǎn)的區(qū)域?yàn)閍區(qū)域，

最大允許關(guān)井套壓與最后一條關(guān)系曲線的交點(diǎn)為第二交點(diǎn)，橫坐標(biāo)大于第一交點(diǎn)、小于第二交點(diǎn)的區(qū)域?yàn)閎區(qū)域；

橫坐標(biāo)大于第二交點(diǎn)的區(qū)域?yàn)閏區(qū)域；

(4)確定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間：

所述a區(qū)域表示氣侵程度安全區(qū)間；即在該溢流量范圍內(nèi)進(jìn)行壓井時(shí)，所產(chǎn)生的套壓峰值不會(huì)超過(guò)最大允許套壓峰值，雅靜作業(yè)過(guò)程安全；

所述b區(qū)域相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)間；即在該溢流量范圍內(nèi)進(jìn)行壓井時(shí)，所產(chǎn)生的套壓峰值有可能會(huì)超過(guò)最大允許套壓峰值，但可以通過(guò)壓井排量的調(diào)節(jié)將其控制在安全范圍內(nèi)，故為相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)間；

所述c區(qū)域?yàn)槭治ｋU(xiǎn)區(qū)間；即在該溢流量范圍內(nèi)進(jìn)行壓井時(shí)，所產(chǎn)生的套壓峰值一定會(huì)超過(guò)最大允許套壓峰值，且無(wú)法通過(guò)壓井排量的控制減低風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)壓井井噴概率高，故為十分危險(xiǎn)區(qū)間。

本實(shí)施例1中，通過(guò)南海xx-x井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使用本發(fā)明計(jì)算出井口溢流量與套壓峰值的實(shí)時(shí)定量關(guān)系，結(jié)合最大允許關(guān)井套壓繪制的氣侵程度及井控風(fēng)險(xiǎn)示意圖，橫坐標(biāo)為井口溢流量體積，縱坐標(biāo)為實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)的井筒套壓峰值。

表1南海xx-x井相關(guān)參數(shù)

本實(shí)例1井中所使用的套管及其參數(shù)如表2所示：

表2套管參數(shù)

在本次分析中，鉆遇氣侵時(shí)鉆頭已到達(dá)井底油層處，此時(shí)井底砂巖層的地層破裂壓力為1.59g/cm3；地層2800m薄弱處砂巖破裂壓力為1.48g/cm3；海底防噴器的額定工作壓力為103mpa，遠(yuǎn)大于井底地層壓力；套管薄弱處為技術(shù)套管的2800m處，其抗內(nèi)壓強(qiáng)度為34.61mpa，因此允許的最大壓力為它的80％，即27.69mpa。

要求解最大允許關(guān)井套壓：

裝置額定工作壓力(防噴器)為103mpa；

處抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80％：27.69mpa：

地層2800m薄弱處破裂壓力允許關(guān)井套壓＝plt-0.0098×ρ×hc＝(1.48-1.14)×0.00981×2800＝9.33mpa；油層破裂壓力允許關(guān)井套壓值＝(1.59-1.14)×0.0098×3630＝16mpa。

因此，最大允許關(guān)井套管壓力9.33mpa，為上述三者中最小值：

與此同時(shí)，把風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為(安全，相對(duì)危險(xiǎn)，十分危險(xiǎn))三個(gè)級(jí)別；計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在溢流量低于0.8m³時(shí)，為氣侵程度安全級(jí)別，此時(shí)進(jìn)行井控，風(fēng)險(xiǎn)程度低；在溢流量大于0.8m³小于4.83m³時(shí)，為氣侵程度相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域，此時(shí)進(jìn)行壓井應(yīng)重點(diǎn)注意壓井參數(shù)的選擇并做好適時(shí)調(diào)整的準(zhǔn)備；在溢流量大于4.83m³時(shí)，為氣侵程度十分危險(xiǎn)級(jí)別，此時(shí)進(jìn)行井控風(fēng)險(xiǎn)程度高，應(yīng)直接關(guān)井觀察。因此，該實(shí)例井應(yīng)盡早對(duì)氣侵的發(fā)生采取措施，確保在溢流量達(dá)到4.83m³之前進(jìn)行壓井和井控。