固井安全下套管速度分析

王治国，周鹏成，徐璧华，陈 超，潘少敏

（1.中石化西北油田分公司工程监督中心，新疆 轮台841600；2.西南石油大学石油工程学院，四川 成都610500）

引 言

在固井下套管过程中平衡井底压力主要是通过控制地层压力与井内液柱压力之间的平衡来实现的。大量的理论和实践证明，在下套管过程中产生的激动压力远大于此时产生的抽汲压力，故在下套管时主要考虑激动压力，而在起套管时产生的抽汲压力远大于此时产生的激动压力，故在起套管时主要考虑抽汲压力。激动压力过大会发生井漏事故，抽汲压力过大则会发生溢流、井喷事故。在1口井中的易漏失层和异常高压层是最危险的层位。在下套管过程中，下套管速度控制应以易漏失层位的破裂压力作为控制下套管速度的依据；在上提套管的过程中，套管的上提速度应以高压地层的压力作为依据。只有满足这两个条件才能保证套管安全下入。文章采用稳态波动法进行下套管速度分析，将液体的弹性压缩、套管运动的惯性等因素放在安全系数中进行考虑。

1 平衡地层压力关系分析

为避免发生井漏事故，井底压力应该小于地层破裂压力:

式中:ρ－固井下套管时井内钻井液密度，g／cm3；H－危险地层深度，m；Ps－最大激动压力，N；Pf－危险地层破裂压力，N；Kf－地层破裂压力安全系数。

为避免发生溢流、井喷事故，井底压力应该大于地层压力:

式中:Pw－最大抽汲压力，N；kp－地层压力安全系数；PP－地层压力，N。

2 下套管速度分析

2.1 环空流速计算

套管柱在充有流体的井内运动相当于一个柱塞排出流体，使流体在井内运动。因此环空流速与运动管柱底端结构及几何尺寸有关。管柱底端一般有开口和堵口2种方式，在固井作业下套管过程中更类似于堵口管柱的方式（见图1）。

图1 套管下入排开井内流体

套管在井眼内运动时，井眼内流体的环空平均流速:

式中:vp－套管柱运动速度，m／s；－环空平均流速，m／s；D－井眼直径，cm；d－运动管柱外径，cm。

在套管的下放过程中伴有灌浆作业施工。灌浆作业有两种方式:人工灌浆，即下1段套管，灌1段泥浆；采用自动连续灌浆的方式进行灌浆作业。人工灌浆可能会因为灌浆而造成井下复杂情况的发生；自动连续灌浆具有安全、自动以及操作简单等优点。以自动连续灌浆方式对环空平均流速进行计算。采用连续灌浆作业下套管运动的环空平均流速为:

式中:Qp－连续灌浆的泥浆体积流量，L／s。

管柱在充有流体的井内运动时，由于流体粘滞效应，管柱表面层处的流体将以速度vp与管柱同步运动，在运动管柱为刚性的假设条件下，运动管柱沿轴向运动速度vp为一个常数。因此，粘附于管柱上行（或下行）的流体在每一横截面上流速分布相同，在刚性液柱条件下，粘附下行（或上行）的流体立即与进入环空上行（或下行）的流体叠加，以速度v流动。粘附力引起的环空流速与管柱运动速度vp、流体流变性、流道几何尺寸有关，写成以下形式:

式中:Kc－流体粘附系数。

紊流时候Kc取0.5；幂律流体层流时，Kc可以查得（见图2）。

图2 钻井液粘附系数

综上所述，不进行灌浆作业时，考虑钻井液粘附作用，管柱运动引起的环空流速计算式为:

进行灌浆作业时，考虑钻井液粘附作用，管柱运动引起的环空流速计算式为:

2.2 波动压力计算

前面求出了环空流速，现在根据环空流速计算井内的波动压力。计算波动压力前首先要辨别井内流体的流态。

幂律流体

塑性流体

式8、9中:Re－雷诺数（无量纲）；D－井眼直径，；／；－套管外径，cm －环空平均流速，msK－稠度系数，Pa·sn；n－流性指数（无量纲）；ηs－塑性粘度，Pa·s；τ0－屈服值，Pa；ρm－钻井液密度，g／cm3。幂律流体，当Re≥（3 470－1 370）时，为紊流。塑性流体，当Re≥2 000时，为紊流。

波动压力Psw可以由下式计算:

式中:Psw－波动压力，N；L－运动管柱长度，m；f－摩阻系数（无量纲）。

在固井起、下套管作业中，由于下套管和起套管本质上没有区别，仅仅是方向相反，所以下套管产生的激动压力和起套管产生的抽汲压力可以近似为大小相等方向相反。所以式（10）计算的波动压力可以同时应用于激动压力和抽汲压力。

下套管作业时伴随着灌浆过程，环空平均流速为式（7）所示的环空平均流速，用Psw＝Ps代入式（1）经过变形可以得到:

上提套管时一般不进行灌浆作业，环空平均流速为式（6）所示的环空平均流速，用Psw＝Pw代入式（2）经过变形可以得到:

式 （11）、（12）就是套管下放、上提的速度要求，在固井下套管作业中只有满足这个速度要求才能保证固井作业的安全进行。

3 实例计算

DXHW某井是位于准格尔盆地腹部陆梁隆起东南部一口水平井。套管的外径是244.5mm，钻头尺寸是311.2mm，套管下入井段深度为3 568m，本口井采用裸眼完井。给出该井钻井液相关参数（见表1）。

表1 钻井液参数

通过分析该井的地层压力图，可以确定出下放套管的“危险”井段在2 500m附近。在确定下套管速度时对该井段进行分析，选取2 400m到2 800m段进行安全下套管速度计算（见图3）。

图3 套管下放速度与底层破裂压力的关系曲线

如图3所示，当下套管速度为1.8m／s时，井内总压力与地层破裂压力相等，这时再加大套管的运动速度井内的总压力就会大于地层破裂压力，井内液柱就会压破地层，引起井漏事故。所以，该井的套管下放的速度应该控制在1.8m／s以内。需要指出的是，这里的地层破裂压力是原始破裂压力除以安全系数后的安全破裂压力。

和下套管相类似，上提套管的速度确定主要基于上提套管产生的抽汲压力加上井内液柱压力的值应该大于地层压力，这样才能避免井喷事故的发生。需要指出的是，当抽汲压力取正值时，井内总压力应该为井内液柱压力减去抽汲压力。计算出本井的上提套管速度应该控制在0.5m／s以内。

4 结论

1）在管柱下入过程中如果激动压力和井内液柱压力之和大于地层破裂压力就可能引起井漏事故；在上提管柱过程中如果抽汲压力和井内液柱压力之和小于地层压力就可能引起溢流、井喷等事故。

2）低破裂压力地层和高压地层属于“危险”层段，固井作业下套管过程中起、下套管的速度控制需要根据该“危险”层段进行分析计算，以得出合理的套管运动速度。

［1］陈平.钻井与完井工程［M］.北京:石油工业出版社，2005:200－215.

［2］管志川，宋洵成.波动压力约束条件下套管与井眼之间环空间歇的研究［J］.石油大学学报（自然科学版），1999，23（06）:33－35.

［3］Cannon，G.E.Changes in Hydrostatic Pressure Due to Withdrawing Drillpipe From the Hole Drill and Prod Prac API.1934:42－46.

［4］Burkhardt，J.A.Wellbore Pressure Surges Produced by Pipe Movement JPT 1961:56－59.

［5］汪海阁，刘希圣.定向井同心环空RS流体稳态波动压力研究［J］.钻采工艺，1995，02（18）:4－9.