两种井涌余量计算模型的比较分析

赵 建

油气田开发

两种井涌余量计算模型的比较分析

赵 建

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

井涌余量是衡量钻井过程中发生溢流后能否安全关井且循环压井时不至于压漏薄弱地层的一项重要指标，对于现场井控作业安全起着非常重要的作用。对连续气柱模型和动态多相流模型求取井涌余量的方法进行了比较分析，认为动态多相流计算模型更符合实际钻井作业过程中井涌余量的计算需求，从而为今后钻井现场安全作业提供了重要的依据和支撑。

井控； 井涌余量； 井涌强度； 连续气柱模型； 动态多相流模型

井涌余量又称溢流允许量，是钻井井控作业中衡量溢流处理能力的一个重要参数，是判断钻井溢流发生后能否关井，以及使用何种方法压井的判断标准，因此准确理解和求取各井段井涌余量对钻井设计及钻井作业安全是非常重要的[1]。目前，井涌余量的概念缺乏统一的标准，自20世纪70年代以来，国内外学者对井涌余量进行了研究，但目前大多数井涌余量的计算都是基于连续气柱模型而言，未考虑实际溢流气体的溶解性、压缩性、气体滑脱以及温度的影响，计算结果偏于理论。随着动态多相流理论研究的发展及应用，动态多相流模型成为计算井涌余量的一个重要手段。

本文首先根据新的行业标准对井涌余量进行了定义，并对连续气柱模型以及动态多相流模型求取井涌余量的方法进行了比较分析，从而得出更准确的井涌余量计算方法，为现场井控安全作业提供了理论依据。

1 井涌余量的定义

根据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T7453—2019《海洋钻井井控技术要求》的规定，井涌余量（Kick Tolerance）是指井涌时能安全关井且循环压井时不至于压漏地层所允许进入井筒的最大溢流量[2]；井涌强度（Kick Intensity）是指发生井涌时地层压力当量密度与钻井液密度之间的差值。由定义可知井涌余量是以体积单位来表示的一项重要参数，并且此处所指的循环压井方式通常为司钻法和工程师法等常规压井方法。

井涌余量是进行井控工作的先决条件，现场发生溢流后，首先应根据该井段计算的井涌余量值来判断是否能够安全关井，然后再决定采用何种方法压井[3-6]。若实际溢流量小于计算值，则可采用常规压井方法循环压井；若实际溢流量大于计算值，则需要采取非常规压井手段来进行压井。目前常用的井涌余量计算方法有连续气柱模型及动态多相流模型两种手段。

2 连续气柱模型

基于连续气柱模型的井涌余量计算方法，为了计算方便则假设溢流流体为均匀、连续的气柱，且发现溢流时侵入流体刚进入井筒底部，套管鞋处为井筒内薄弱层段，忽略气体在钻井液中的溶解度，忽略温度、气体压缩因子和气体滑脱的影响[7-8]。在气柱向上运移的过程中，一直保持为气柱形式，环空内流体分布如图1所示。

图1 气侵流体环空分布状态

发生气侵时，气侵在环空中的分布对井涌余量计算有较大影响。为计算方便，研究对象为直井且采用司钻法压井，计算步骤如下：

1）根据井底常压原理，计算最大允许溢流侵入高度，见公式（1）：

2）最大允许关井套压的计算公式详见（2）：

a）溢流在井底时井涌余量，见公式（3）:

b）溢流流体顶部在管鞋处时井涌余量，见公式（4）:

3 动态多相流模型

动态多相流模型模拟分析软件是求取井涌余量的一个重要工具，在应用多相流原理求取溢流允许量时，遵循了标准化的井控操作程序，即：发生溢流后停泵关井，井底压力达到平衡时求取地层压力；然后开泵以压井泵速循环排出溢流[9]。

在循环压井过程中，井底压力保持不变，此时环空中的压力由气体体积和井涌强度确定。溢流顶部到达管鞋时，管鞋处的压力刚好达到最大值。当此处的压力达到地层漏失压力时，所对应的最大溢流量即为井涌余量，循环过程中出现的最大套压值即为最大允许关井套压，如图2所示。

图2 溢流-关井-司钻法压井过程参数变化

由于动态多相流模型计算时考虑了气体扩散、溶解、气体运移、温度效应、气体膨胀、地层渗透率、孔隙度的影响，相比于连续气柱模型，环空中溶解气体/自由气体的分布更加分散。图3显示了泥浆密度剖面曲线以及关井期间自由气的分布，由于发生气侵导致泥浆密度的降低，从而直接影响了环空压力，因此基于管鞋处地层漏失压力而计算的动态井涌余量与连续气柱模型也大不相同。

图3 泥浆密度剖面曲线以及关井期间自由气/溶解气的分布

4 两种模型的算列比较

以渤海某口实钻探井为例，使用两种模型对三开Φ311.1 mm井眼的井涌余量进行计算，以此分析二者的不同，其中地层渗透率500 mD，孔隙度20%，井的各项参数如表1所示。

表1 井的参数

不同井涌强度下的井涌余量计算结果如表2与表3所示。

表2 连续气柱模型井涌余量计算结果

由计算结果可知：在不同的井涌强度条件下，使用动态多相流模型得出的最大允许关井套压以及井涌余量值均高于连续气柱模型。原因分析：这是由于在产生溢流的一段时间内，泥浆循环使侵入的流体更加分散，发生气侵后导致泥浆密度降低，最大允许关井套压随之增加，从而使得动态井涌模型计算的井涌余量也增加。

表3 动态多相流井涌余量计算结果

由于动态多相流模型考虑了井侵后的动态影响，能够更真实地模拟井控事件，所以能够更好地评估钻井作业期间在确定井涌强度下能否安全循环排出溢流的风险。在钻井作业过程中，可根据各参数的变化实时计算动态井涌余量，指导现场作业。尤其是面对高温高压井等高度复杂的工况时，动态多相流模型具有很高的应用价值，该模型目前已经广泛应用于国内外重要作业区域，成为指导现场施工作业，确保井控安全的重要工具[10-11]。

5 结 论

井涌余量是衡量钻井过程中发生溢流后能否安全关井且循环压井时不至于压漏薄弱地层的一个重要参数，对于现场井控作业安全起着非常重要的作用。在确定的井涌强度条件下，使用动态多相流模拟得出的最大允许关井套压及井涌余量均高于连续气柱模型。由于考虑了井侵后的气体扩散、溶解、气体运移、温度效应、气体膨胀等各项重要因素的动态影响，动态多相流模型能够更真实地模拟井控事件，因此更符合实际钻井作业过程中井涌余量的计算需求，为今后井控作业安全提供了重要的保障。

［1］王涛，李基伟，王宏民，等. 井涌余量概念的修正与实例分析[J].海洋石油，2019，39 (02)：79-84．

［2］国家能源局. SY/T 7453—2019海洋钻井井控技术要求[S]. 北京：石油工业出版社，2019.

［3］李基伟. 井涌余量对套管下入深度的影响研究[J]. 石油机械，2018，46 (04)：7-12.

［4］郝瑞. 用溢流容限余量控制和处理溢流[J]. 天然气工业，1987，7 (1)：84-90．

［5］毛亚军，王振，王国栋，等. 延长气田靖边区域延927-1井井涌压井案例分析[J]. 辽宁化工，2016，45 (10)：1324-1327．

［6］伍葳，魏云锦，郭建华，等. 关井井涌余量在钻井工程设计中的应用浅析[J]. 油气藏评价与开发，2019，9 (04)：47-50.

［7］刘凯. 如何认识和计算井涌余[J]. 西南石油学院学报，1990，12 (1)：37-44．

［8］郝俊芳. 如何计算井涌余量[J]. 西南石油学院学报，1983(03)：45-50．

［9］李允智，孙长利，苗典远，等. 气井溢流关井求压时间探讨[J].当代化工研究，2019 (14)：22-24．

［10］Lawrence Umar, Yap Yun Thiam. Dynamic Multiphase Kick Tolerance Allows Safe Drilling Which Led to Huge Gas Discovery in a HPHT Exploration Well in Malaysia[C]. IPTC17460, 2014 (1): 20-22．

［11］John P. James, Iain M. Rezmer-Cooper, Sverre Kr. Sørskår. New Diagnostics and Procedures for Deep Water Well Control[C]. SPE/IADC 527654.

Comparative Analysis of Two Kick Tolerance Calculation Models

（CNOOC Ener Tech-Drilling & Production Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

Kick tolerance is an important index to measure whether the well can be shut in safely after kick in the drilling process and whether the weak formation will not be lost during well killing. It plays a very important role in the safety of on-site well control operation. In this paper, the methods of calculating kick tolerance by single bubble static model and dynamic multiphase flow model were compared and analyzed. It was considered that the dynamic multiphase flow calculation model was more in line with the calculation requirements of kick tolerance in the process of actual drilling operation, which could provide important basis and support for drilling design and field safe operation in the future.

Well control; Kick tolerance; Kick Intensity; Single bubble static model; Dynamic multiphase flow model

TE21

A

1004-0935（2022）04-0536-04

国家重点研发计划，海洋石油天然气开采事故防控技术研究及工程示范（项目编号：2017YFC0804500）。

2021-11-25

赵建（1988-），男，山东肥城人，工程师，硕士研究生，2015年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程，研究方向：海上钻完井、井控应急技术。