控压钻井气侵早期监控方法及其应用

周号博，牛新明，王 果，范红康，高立攀

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中石化中原石油工程公司西南钻井分公司，四川 成都 610052)

随着油气勘探开发逐步向深部复杂地层、深水、超深水发展，常遇到窄安全密度窗口地层油气钻采问题[1-2]。控压钻井技术(managed pressure drilling,MPD)能很好地解决这些钻井难题，减少非生产时间，节约钻井成本。且随着控压钻井技术逐步向精细控制方向发展，精细控压钻井技术很可能是未来的首选钻井方案。MPD技术不但能够很好地解决窄密度窗口钻井安全问题，同时还可用于对井下气侵、溢流的动态控制。在MPD中发生气侵溢流时，通过井口节流管汇、实时控制系统对气侵进行有效控制直至气侵流体安全排出或压入地层，而不是常规钻井中的直接关井压井操作。控压钻井系统实现气侵有效控制的关键因素是气侵的早期监测与最优控制参数的制定。

气侵早期监测是指通过地面、井下钻井工程参数对地层气体侵入井筒进行早期预测，其对确保油气钻井安全至关重要。目前，控压钻井气侵早期监测方法主要有微流量气侵监测与井底压力特征分析监测，微流量监测方法主要是在循环出入口安装高精度质量流量计，通过实时质量流量分析进行溢流早期监测，但在出入口同时安装高精度质量流量计成本较高，国外压力特征分析监测方法主要基于智能钻杆海量实时数据分析，但智能钻杆成本高、多用于模拟实验,现场应用少，限制了该方法的推广[3-9]。控压钻井气侵控制是指监测到气侵后，不直接关井，首先利用控压钻井设备对溢流进行控制。有学者对控压钻井气侵控制进行了研究，但现有研究成果主要集中在定性分析上，没有系统的控压钻井气侵控制方法理论分析及定量分析评价方法[10-15]。MPD气侵监测与控制是精细控压钻井技术的重要组成部分，也是保证安全钻进的重要手段，本文基于控压钻井系统优势特点，基于气侵压力特征建立一种气侵早期监测方法，同时考虑地层、设备等因素建立一套合理的MPD气侵控制方法，为MPD气侵控制提供决策支持。

1 气侵早期监测方法

控压钻井过程中，当井下无涌漏发生时，出入口流量基本相等，即Qin=Qout。当井下一旦发现气侵时，瞬时出口流量大于入口流量，即Qin

1.1 井口、井底压力的时间导数

控压钻井多采用恒定井底当量循环密度(ECD)模式进行控压钻进，随着井深增大，为维持井底ECD恒定，需要根据机械钻速的大小对井口回压进行实时调整，同时由于出口流量的瞬时变化也会引起回压变化。控压钻进过程中井口压力计算公式见式(1)。

(1)

式中：WHP为机械钻速Rop时钻进Δt时间井底ECD恒定的实时套压，Pa；Rop为机械钻速，m/s；WHP0为初始套管压力Δt为时间间隔，s；WHPΔQ为瞬间出口流量变化引起的井口套压变化量，Pa。

同理，根据井底压力组成部分，为了达到井底恒定ECD，井底压力计算公式见式(2)。

Pb=ρmgH0+Pa+WHP0+

(2)

式中：Pb为以机械钻速Rop条件下钻进Δt时间时为了维持井底ECD恒定的实时井底压力，Pa；Pa为井深H0时的环空压降，Pa；Pa,ΔQ为出口流量的瞬时变化引起的环空压降增量，Pa。

根据式(1)和式(2)，以机械钻速Rop钻进Δt时间内井口压力变化量、井底压力变化量，计算公式分别见式(3)和式(4)。

(3)

Pa,ΔQ+WHPΔQ

(4)

由上述公式可知，在Δt时间内井口压力变化要小于井底压力变化量，井底压力变化量除了套压变化量外，还有Δt时间内井深增大引起的静液柱压力、环空压降的增加量。定义无因次压力变化量计算公式见式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中：ΔWHPdism为无因次套压变化量，无因次；ΔPdism为无因次井底压力变化量，无因次。

压力导数在现代试井分析中广泛应用，主要通过监测井底压力与压力随时间的变化判断油藏性质、估算产能等。导数在数学意义上更能反映变量的变化特征。如前所述，在控压钻井过程中一旦发生气侵必然引起井口压力、井底压力的变化，为了能够更准确地监测到这些变化，定义了井口压力、井底压力无因次变量的时间导数为式(7)和式(8)。

(7)

(8)

1.2 气侵压力特征分析

在正常钻进状态下，Δt趋近于0时，选择前一时刻的井底压力、井口压力作为初始压力，则RopΔt≈0，流量变化ΔQ≈0，因此可得控压钻井正常钻进过程中的压力特征计算公式见式(9)和(10)。

ΔWHPdism≈0; ∂WHPdism/∂t≈0

(9)

ΔPdism≈0; ∂Pdism/∂t≈0

(10)

当井下一旦发生气侵，有流体瞬间侵入井筒ΔQ>0，井口安装有节流阀，节流阀开度没有改变，则在这一瞬间ΔWHPdism>0,无因次套压瞬间增大，则其导数∂WHPdism/∂t>0;井底压力也呈增大趋势，主要由套管压力增大与流量增大导致的环空压降增大引起。因此得控压钻井气侵的压力特征见式(11)和式(12)。

ΔWHPdism>0; ∂WHPdism/∂t>0

(11)

ΔPdism>0; ∂Pdism/∂t>0

(12)

因此，可根据控压钻井过程中压力数据的实时分析结合出入口流量的实时监测进行气侵的早期预警。

2 MPD气侵控制方法

控压钻井过程中采用旋转防喷器封闭井口，建立了一个密闭循环系统，一旦发现气侵溢流，可以采用的控制措施较传统钻井多。但控压钻井气侵控制的关键是确定最优控制参数，控制不当可能导致压裂地层、井口套压过高等情况，因此需要对控压钻井的气侵控制方法进行优选。

2.1 最高允许套管压力

最高允许套管压力是井底压力达到地层破裂压力(或漏失压力)所需的极限套管压力。为了避免压裂套鞋，井口最大允许套管压力计算公式见式(13)。

Pc,Max-shoe=

0.00981(ρf,shoe-ESDshoe-ΔECDshoe)TVDshoe

(13)

式中：Pc,Max-shoe为避免压破套管鞋得最高允许套管压力，MPa；ρf,shoe为套鞋处的地层破裂压力梯度，g/cm3；ESDshoe为套管鞋处的静态当量泥浆密度，g/cm3；ΔECDshoe为套鞋处由于循环压降引起的附加当量密度，g/cm3；TVDshoe为套鞋处垂深，m。

此外，裸眼段也可能存在地层破裂压力(漏失压力)低的情况，裸眼地层薄弱点最高允许套压计算公式见式(14)。

Pc,Max-BH1=

0.00981(ρf,BH1-ESDBH1-ΔECDBH1)TVDBH1

(14)

式中：Pc,Max-BH1为压破薄弱地层最高允许套管压力，MPa；ρf,BH1为对应破裂压力梯度，g/cm3；ESDBH、ΔECDBH1为对应点的静态当量密度及循环附加当量密度，g/cm3；TVDBH1为垂深，m。

根据上述方程计算最高允许极限套管压力，计算过程中如果地层漏失压力系数较地层破裂压力系数低，则需采用地层漏失压力系数进行分析计算。此外，根据钻井工程条件计算得到允许套管压力极限值Pc,Max-drill后，还需要与井口设备所能承受的最高井口压力进行对比分析，确定气侵控制的最高允许套压。

2.2 期望套管压力

期望套压是指当气侵发生时，为抑制地层流体进一步侵入井筒，能够将溢流有效控制并将其安全循环出井所需的套管压力。在以下分析中，均假设在正常钻进过程中发生气侵，且气侵位置为井底。循环排溢所需井口回压计算公式见式(15)。

Pc,Exp=Pc,init+0.00981ΔρUBTVDBH+

ΔPstatic+ΔPaf,ΔQ+ΔPsf

(15)

式中：Pc,Exp为控制气侵所需的井口压力，MPa；Pc,init为气侵发生前的初始套管压力，MPa；ΔρUB为发生气侵前井底欠压值，g/cm3；ΔPstatic为气侵发生后井筒内的静液柱压力降低值，MPa；ΔPaf,ΔQ为循环排溢过程中排量变化所引起的环空压降变化量，MPa；ΔPsf为安全系数，MPa。

根据式(15)对一定强度气侵所需的井口回压进行计算分析。这里需要指出，气侵后井筒内的静液柱压力降低值是随着气体上移而不断变化的，需要结合气液两相流模型进行计算分析后得到[16]。在循环排溢过程中，一般当气体运移至井口所需的井口压力最高、静液柱压力降低最大，因此一般将气体循环至井口所需井口压力设置为期望套管压力。

2.3 其他影响因素

在进行气侵控制参数选择时我们还要考虑旋转防喷器的压力级别、循环排量变化、控压钻井系统的最高可控井口压力、最高允许的循环立管压力等，在计算所得期望井口压力高于旋转控制头的压力级别或系统的最高可控压力范围时，则需要采用BOP关井。

2.4 气侵控制参数的确定

确定气侵控制参数是一个系统工程，需要根据实际情况进行综合计算分析，获取最优的气侵控制参数。详细流程如图1所示。

图1 控压钻井气侵控制参数确定流程Fig.1 The schematic diagram of gas influx control parameters optimization

当确定发生溢流后，可采用图1的控压钻井气侵控制流程，如果计算所得期望套管压力能够满足要求，则可以直接排溢；如果不能满足要求，需要迭代求取最优排量确定是否有满足需求的循环排量，如均不能满足要求则需采用BOP关井。

3 试例验证与评价

3.1 模拟井筒试验验证

在中石化中原全尺寸科学试验井进行了模拟气侵测试试验，该井在表层套管756 m处联通有2in注气寄生管，可通过寄生管向井筒内注入压缩气体模拟地层气侵。现以井下注入0.3 m3压缩气体为例对控压钻井过程中的气侵监测进行验证。测试过程中，保持井底注入气体体积流量恒定，Qsg=4.5 L/s，实时监测井口压力，监测结果如图2所示。由图2可以看出,在气侵瞬间井口回压有一定上升，但不明显；但通过实时计算其无因次压力导数可以看出在注入气体瞬间，压力导数有一个异常增大。运用导数可以对气侵的起始瞬间进行准确预测(图2)。

图2 气侵套压导数与套压关系曲线Fig.2 The curves of WHP derivative and WHP

图3 压力导数与总池体积增量关系曲线Fig.3 The curves of WHP derivative and pit gain

套压导数与总池体积增量对比结果如图3所示，由图3可以看出,气侵瞬间套压导数有异常凸起，在气侵过程中压力导数波动较大，因此可以根据气侵的压力导数进行气侵早期监测。同时，为了避免误判，结合质量流量计计算得到的总池体积增量可以准确地对气侵进行早期预警。

由于在全尺寸试验井套管内进行气侵模拟实验，不存在压漏地层与套鞋的风险，采用直接排溢进行了溢流控制，结果如图4所示。由图4可以看出，基于本文提出的溢流控制方法能够很好地控制溢流，井底压力控制结果与实测数据吻合很好，当气侵流体运移至井口压力略有波动，但能够保持井底压力维持恒定，避免气侵进一步发生。

图4 排溢过程压力控制结果Fig.4 The pressure results during circulating the influx

3.2 现场应用分析

某井钻进至1 675 m处发生气侵，根据出入口流量计算检测到5 min内侵入0.55 m3气体，运用前述气侵监测方法对气侵进行了早期监测，监测结果如图5所示。从图5可以看出，气侵发生瞬间，套管压力导数响应特征明显，再一次证明了运用压力导数对气侵进行早期监测的可行性。

该井地层孔隙压力系数1.28 g/cm3、1 300 m处易漏失， 漏失压力系数1.5 g/cm3、 套鞋处破裂压力系数2.2 g/cm3；钻井液密度1.32 g/cm3,表层采用13-3/8”套管下至557.34 m，随后采用12-1/4”钻头、5-1/2”钻杆钻进，根据基础数据计算了不同回压时井筒ECD分布情况及环空压降。

图5 某井气侵监测压力导数及溢流量Fig.5 The WHP derivative and pit gain results ofkick detection

由图6(a)可知，当钻进至1 675 m处时，井口回压达到1.8 MPa时井深1 300 m处ECD达到漏失压力临界点，因此，为了控制本次气侵，套管压力最高不允许超过1.8 MPa。图6(b)给出了不同排量下环空压降，由结果可知排量变化对井底压力影响较小，因此，在循环排溢过程中排量对采用正常排量循环排溢即可。运用多相流模拟分析计算了将侵入0.55 m3气侵流体安全循环出井筒所需的井口压力，计算最高所需井口套压为0.8 MPa，该压力小于允许最高压力且小于旋转防喷器压力级别，因此可以将该股气体循环出井筒。

图6 气侵控制参数计算分析Fig.6 The results of kick control parameters

根据计算分析选择直接循环加回压控制方法将气体循环出井筒，以井底恒压模式对气侵溢流进行控制，实时监测井口压力、出入口流量变化，最终将气侵流体安全循环出井口。图7给出了整个气侵发生至将其安全循环出井口的整个控制过程。由图7可以看出,井口套管压力控制结果与前述模拟计算分析结果基本吻合，井底压力控制效果也很好。

图7 循环排溢压力控制结果Fig.7 The results of pressure control during circulating

4 结 论

1) 分析了气侵过程中井口压力、井底压力的变化规律，建立了井口、井底压力导数的气侵响应特征及其计算方法，最终建立了基于气侵压力特征的气侵早期监测方法；该方法可应用于控压钻井过程中的实时气侵早期监测，确保及早发现微溢流，为溢流安全控制提供基础支撑。

2) 分析了MPD气侵控制方案制定的影响因素，综合考虑地层、设备特性、钻井工况，建立了控压钻井气侵控制与安全排溢参数的优选方法，MPD发生气侵时，通过该方法可以确定最优的气侵控制参数，为气侵控制安全控制提供基础参数

3) 运用中原实验井气侵实验数据对气侵早期监测方法进行了应用分析，验证了模型的准确性与实用性；运用某井气侵实测数据进一步对气侵监测模型、气侵控制方法进行了实际应用分析，监测与控制效果与实际吻合很好，证明本文提出的气侵早期监测及控制方法的准确性与实用性。