CN104165053A - 一种确定钻井过程中气侵类型的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定钻井过程中气侵类型的设备和方法，该设备包括：出口流量检测装置，用于检测出口处的钻井液流量；入口流量检测装置，用于检测入口处的钻进液流量；控制器，在出现气侵的情况下，控制向井筒增加回压，根据增加回压一段时间之后出口处的钻井液流量和入口处的钻井液流量来确定气侵的类型。本发明通过在出现气侵的情况下，向井筒增加回压一段时间并通过所述出口处的钻井液流量和所述入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型，这种方式与井筒压力控制过程可以并行，在控制井筒压力稳定的同时判断井底进气类型，不仅能够据此准确指定控制气侵的方案，而且大大提高了控压钻井的安全程度。

Description

一种确定钻井过程中气侵类型的设备和方法

技术领域

本发明涉及对钻进过程中出现的气侵的类型的判断，具体地，涉及一种确定钻井过程中气侵类型的设备和方法。

背景技术

气侵是指在钻储气层的钻井过程中，地层中的气体进入井筒的过程。地层气体的运移膨胀会造成井底压力的下降，如控制不当则会引起井喷等井下复杂。根据发生气侵的机理不同，气侵可以分为欠平衡气侵、重力置换气侵、岩屑破碎气气侵和浓度差气侵。在碳酸盐岩地层，对井底压力造成影响较大的主要为欠平衡气侵和重力置换气侵。

欠平衡气侵是由于井底压力低于地层压力，地层气体在压差的驱动下由地层进入井筒的一种现象。欠平衡气侵会加剧井底压力的下降，如果控制不当，会形成井喷事故，常见的井喷事故多是由于欠平衡气侵引起的。

重力置换气侵主要出现在裂缝性地层中，是地层气体和井筒钻井液在密度差的驱动下，地层气体进入井筒，井筒钻井液进入地层的一种现象。随着裂缝性碳酸盐岩地层的勘探开发，裂缝性地层造成的重力置换气侵也越来越多地受到重视。2003年罗家16井钻进飞仙关目的层(为裂缝—孔隙型储层)，最大地层压力钻井液密度为1.28g/cm³，实际使用钻井液密度为1.43g/cm³，井底为过平衡钻井。在进入深度为413.68m的目的层时，井底发生重力置换气侵，由于对重力置换气侵认识不足和控制不当，在起钻过程中，井底重力置换气侵衍变为欠平衡气侵，最终形成井喷失控重大事故。

国外对气侵的研究主要是研究发生气侵后气体在井筒中的运移及井底压力的变化，表现为井口无干预情况下气体在井筒运移对钻井的影响。国内外公开发表的论文专利及科研院所研究报告中，都没有提出过一种关于欠平衡气侵和重力置换气侵判别的方法，而随着对裂缝性地层的开发及控压钻井井控的要求，亟需一种方便快速判别气侵类型的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种确定钻井过程中气侵类型的设备和方法，用于解决在钻井时出现气侵的情况下判断气侵的类型的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种确定钻井过程中气侵类型的设备，该设备包括：出口流量检测装置，用于检测出口处的钻井液流量；入口流量检测装置，用于检测入口处的钻进液流量；以及控制器，在所述井筒出口处的钻井液流量变大，即出现气侵的情况下，控制向井筒增加回压，根据增加回压一段时间之后所述出口处的钻井液流量和所述入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型。

相应地，本发明还提供了一种确定钻井过程中气侵类型的方法，该方法包括：检测井筒出口处的钻井液流量；检测井筒入口处的钻进液流量；以及在所述井筒出口处的钻井液流量变大，即出现气侵的情况下，向井筒增加回压，根据增加回压一段时间之后所述出口处的钻井液流量和所述入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型。

通过上述技术方案，本发明通过在出现气侵的情况下，向井筒增加回压一段时间并通过所述出口处的钻井液流量和所述入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型，这种方式与井筒压力控制过程可以并行，在控制井筒压力稳定的同时判断井底进气类型，不仅能够据此准确指定控制气侵的方案，而且大大提高了控压钻井的安全程度。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的确定钻井过程中气侵类型的设备的原理框图；

图2是本发明实施例提供的在钻井过程中对井口出入口流量检测装置井口回压的监测结果；

图3是本发明实施例提供的在向井口增加回压一迟到时间后对井口出入口流量检测装置井口回压的监测结果；以及

图4是本发明提供的确定钻井过程中气侵类型的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明提供的确定钻井过程中气侵类型的设备的框图，如图1所示，该设备包括出口流量检测装置、入口流量检测装置和控制器。出口流量检测装置用于检测出口处的钻井液流量。该出口流量监测装置可以被实施为流量计，即通过一流量计来检测出口处的钻井液流量。入口流量检测装置用于检测入口处的钻井液流量。该入口流量检测装置可以通过采集泥浆泵的相关参数并通过计算得到入口处的钻井液流量，例如，可以采集泥浆泵的冲数、冲程、缸套截面积和泵效率四个参数并将这四个参数相乘就可以得到泥浆泵的排量，该泥浆泵的排量即为入口处的钻井液流量。其中，泥浆泵用于向井筒泵入钻井液。控制器用于在井筒出口处的钻井液流量变大，即出现气侵的情况下，控制向井筒增加回压，根据增加回压一段时间之后出口处的钻井液流量和入口处的钻井液流量来确定气侵的类型。本发明说明书中所描述的一段时间一般情况下为钻井液从井底运移到井口的时间，即通常所说的迟到时间。本领域技术人员应当理解，在气井中，当井筒出口处的钻井液流量变大时，一般可以认为是出现了气侵的情况。此外，由于欠平衡气侵和重力置换气侵的原理不同，当发生欠平衡气侵时，通过以下方程式(1)

$Q_{\mathrm{sg}}=\frac{774.6*{\mathrm{Kh}}_i}{\mathrm{T\μZ}}\·\frac{(P_e^2-P_{\mathrm{wf}}^2)}{\ln \frac{r_e}{r_w}+S}=A(P_e^2-P_{\mathrm{wf}}^2)---\left(1\right)$

可以看出井底进气量与地层压力和井底压力间的压差有关，其中，p_wf为井底动压力，单位为MPa；p_e为地层压力，单位为MPa；Q_sg为气井产能，单位为m³/d；K为储层的渗透率，单位为10^-3μm²；h_i为钻开储层厚度，单位为m；T为气层温度，单位为K；μ为天然气粘度，单位为mPa·s；r_e、r_w为气井控制的外边缘半径和井底半径，单位为m；S为表皮系数；Z为气体偏差系数，而当发生重力置换气侵时，井底进气量为常数，与压力无关。

因此，在向井口增加回压时，会缓解或解除欠平衡气侵，而对重力置换气侵影响不大，所以可以通过向井口增加回压来观察出口处的钻井液流量和入口处的钻井液流量来确定气侵的类型。

此外，本发明提供的设备还可以包括节流阀，该节流阀设置在井筒出口处，控制器通过调节节流阀的开度来向井筒增加回压。例如，在需要增加回压的情况下，可以调小节流阀的开度。

以上描述了可以根据增加回压一段时间之后出口处的钻井液流量和入口处的钻井液流量来确定气侵的类型。具体如下存在以下三种情况：

第一种情况，在该一段时间之后，若出口处的钻井液流量等于入口处的钻井液流量，井底的状态为过平衡状态或平衡状态，则控制器可以确定之前的气侵的类型为欠平衡气侵。在过平衡状态或平衡状态下，井底压力大于或等于地层压力，地层气体没有驱动力进入井筒，气侵结束。在此期间，在未达到该一段时间的情况下，因为井筒内气体还未完全循环出地面，因而井口仍有气体，出口处的钻井液流量大于入口处的钻井液流量，所以泥浆池中的液体总量会变大。而在该一段时间之后，由于井筒原有的气体全部循环到地面，井底没有气体进入井筒，出口处的钻井液流量等于入口处的钻井液流量，所以泥浆池中的液体总量不变。其中，出口处的钻井液流量与入口处的钻井液流量的比较可以通过现有技术实现，例如通过比较器进行，控制器通过比较器输出的结果得到出口处的钻井液流量是否大于入口处的钻井液流量。

第二种情况，在该一段时间之后，若出口处的钻井液流量大于入口处的钻井液流量且出口处的钻井液流量与在该一段时间之前相比变小，则控制器可以确定气侵的类型为欠平衡气侵。在这种情况下，因为出口处的钻井液流量与在该一段时间之前相比变小，也就是说出口处的钻井液流量有减小的趋势，则说明通过增加回压的方式对气侵是起作用的，所以控制器可以确定气侵的类型为欠平衡气侵。其中出口处的钻井液流量与该一段时间之前相比变小可以通过现有技术实现，例如每隔一段时间采集一次出口处的钻井液流量值，通过比较器进行比较可以得到出口处的钻井液流量是否变小了，控制器根据比较器输出的结果得到出口处的钻井液流量与该一段时间之前相比是否变小。优选情况下，为了使控制器得到的结果准确度更高，如果出现该第二种情况，控制器可以通过调节节流阀的开度来再次向井筒增加回压，又在同样的一段时间(该一段时间与以上描述的一段时间相同)以后，若出口处的钻井液流量大于入口处的钻井液流量且出口处的钻井液流量与一段时间之前相比未变小，则控制器可以确定气侵的类型为重力置换气侵，否则，确定气侵的类型为欠平衡气侵。

第三种情况，在该一段时间之后，若出口处的钻井液流量大于入口处的钻井液流量且出口处的钻井液流量与该一段时间之前相比未变小，则控制器可以确定气侵的类型为重力置换气侵。在这种情况下，表明向井口增加回压对气侵的影响不大，所以控制器可以确定气侵类型为重力置换气侵。

对于控制器的输出，例如在确定气侵类型为欠平衡气侵时输出为1，在确定气侵类型为重力置换气侵时输出为0，当然，具体形式由多种，可以根据需要进行设定。

此外，本发明提供的确定钻井过程中气侵类型的设备还可以包括报警器，该报警器可以与控制器连接，在控制器确定气侵的类型为欠平衡气侵的情况下，若在一段时间(一般为迟到时间)期间的泥浆池增量大于第一预定泥浆池增量，则控制器控制报警装置报警，而在控制器确定气侵的类型为重力置换气侵的情况下，若在一段时间(一般为迟到时间)期间的泥浆池增量大于第二预定泥浆池增量，则控制器控制报警装置报警。也就是说，不同类型的气侵，在确定是否需要报警时依据的泥浆池增量的阈值不同，一般情况下，在欠平衡气侵情况下所设定的泥浆池增量(即第一预定泥浆池增量)为1m³，而在重力置换气侵情况下所设定的泥浆池增量(即第二预定泥浆池增量)为3m³。在报警器报警后，应当进行常规井控操作(如，关井及后续操作等)，以免发生危险。

下面结合具体实施例进行说明，塔中某井，目的层为上奥陶统良里塔格组，设计完钻井深为6740m，垂深5005m，采用精细控压钻井，钻井参数有：立压为18.7MPa，排量为13.5L/s，钻井液密度1.10g/cm³，钻井液粘度计600转读数为38，300转读数为24，粘度为11mPa·s，正常钻井期间井口回压保持在2.5-3MPa，接单根期间井口回压为4.5MPa。在8:40min时，钻头钻达6139.86m，井口回压为2.8MPa，钻井液迟到时间为102min，出口流量大于入口流量，井口检测到气侵，如图2所示。从8:40min开始，出口流量持续升高，8:49min井口回压由2.8MPa升高到3.4MPa，之后保持井口回压为3.4MPa的状态，入口排量保持不变，返出流量因为有大量气体的原因，出口流量一直大于入口流量。

向井口增加回压一个迟到时间后，井口出入口流量及井口回压的变化如图3所示。15：40分出口流量和入口流量相等，之后出口流量一直保持和入口流量相等。由此可知，8:50分增加井口回压后，井底停止进气，从而判断在8:50分时通过井口增加回压使井底变为过平衡状态，井底停止进气。根据气侵判定方法可知，8:40分发生的气侵为欠平衡气侵，泥浆池增量应该控制在1m³内，井筒内气体循环完毕后，井口回压降低到2.5-3MPa之间，进行正常钻井。

图4是本发明提供的确定钻井过程中气侵类型的方法的流程图，如图4所示，该方法包括：检测井筒出口处的钻井液流量和井筒入口处的钻进液流量；在井筒出口处的钻井液流量变大，即出现气侵的情况下，向井筒增加回压，根据增加回压一段时间之后出口处的钻井液流量和入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型。

需要说明的是，本发明提供的确定钻井过程中气侵类型的方法的具体细节及益处与本发明提供的确定钻井过程中气侵类型的设备相对应，于此不予赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种确定钻井过程中气侵类型的设备，其特征在于，该设备包括：

出口流量检测装置，用于检测出口处的钻井液流量；

入口流量检测装置，用于检测入口处的钻进液流量；以及

控制器，在所述井筒出口处的钻井液流量变大，即出现气侵的情况下，控制向井筒增加回压，根据增加回压一段时间之后所述出口处的钻井液流量和所述入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括：

节流阀，设置在所述井筒出口处；

其中，所述控制器通过调节所述节流阀的开度来向井筒增加回压。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器根据增加回压一段时间之后所述出口处的钻井液流量和所述入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型包括以下至少一者：

(1)在所述一段时间之后，若所述出口处的钻井液流量等于所述入口处的钻井液流量，则所述气侵的类型为欠平衡气侵；

(2)在所述一段时间之后，若所述出口处的钻井液流量大于所述入口处的钻井液流量且所述出口处的钻井液流量与在所述一段时间之前相比变小，则所述气侵的类型为欠平衡气侵；或

(3)在所述一段时间之后，若所述出口处的钻井液流量大于所述入口处的钻井液流量且所述出口处的钻井液流量与在所述一段时间之前相比未变小，则所述气侵的类型为重力置换气侵。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，在所述第(2)个步骤中，所述控制器确定所述气侵的类型为欠平衡气侵之前还包括：

控制器再次向井筒增加回压，又在所述一段时间之后，若所述出口处的钻井液流量大于所述入口处的钻井液流量且所述出口处的钻井液流量与在所述一段时间之前相比未变小，则所述气侵的类型为重力置换气侵，否则所述气侵的类型为欠平衡气侵。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括：

报警器；

其中，在所述气侵的类型为欠平衡气侵的情况下，若所述一段时间期间的泥浆池增量大于第一预定泥浆池增量，则所述控制器控制所述报警器报警；在所述气侵的类型为重力置换气侵的情况下，若所述一段时间期间的泥浆池增量大于第二预定泥浆池增量，则所述控制器控制所述报警器报警。

6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述一段时间为钻井液从井底运移到井口的时间，即迟到时间。

7.一种确定钻井过程中气侵类型的方法，其特征在于，该方法包括：

检测井筒出口处的钻井液流量和井筒入口处的钻进液流量；以及

在所述井筒出口处的钻井液流量变大，即出现气侵的情况下，向井筒增加回压，根据增加回压一段时间之后所述出口处的钻井液流量和所述入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

通过调节节流阀的开度来向井筒增加回压。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据增加回压一段时间之后所述出口处的钻井液流量和所述入口处的钻井液流量来确定所述气侵的类型包括以下至少一者：

(1)在所述一段时间之后，若所述出口处的钻井液流量等于所述入口处的钻井液流量，则所述气侵的类型为欠平衡气侵；

(2)在所述一段时间之后，若所述出口处的钻井液流量大于所述入口处的钻井液流量且所述出口处的钻井液流量与在所述一段时间之前相比变小，则所述气侵的类型为欠平衡气侵；或

(3)在所述一段时间之后，若所述出口处的钻井液流量大于所述入口处的钻井液流量且所述出口处的钻井液流量与在所述一段时间之前相比未变小，则所述气侵的类型为重力置换气侵。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述第(2)个步骤中确定气侵的类型为欠平衡气侵之前还包括：

再次向井筒增加回压，又在所述一段时间之后，若所述出口处的钻井液流量仍大于所述入口处的钻井液流量且所述出口处的钻井液流量与在所述一段时间之前相比仍未变小，则所述气侵的类型为重力置换气侵，否则所述气侵的类型为欠平衡气侵。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

若所述气侵的类型为欠平衡气侵，在所述一段时间期间的泥浆池增量大于第一预定泥浆池增量的情况下进行报警；以及

若所述气侵的类型为重力置换气侵，在所述一段时间期间的泥浆池增量大于第二预定泥浆池增量的情况下进行报警。

12.根据权利要求7至11中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述一段时间为钻井液从井底运移到井口的时间，即迟到时间。