CN105672927B - 一种气体钻井井喷后的压井方法 - Google Patents

Abstract

一种气体钻井井喷后的压井方法，包括以下步骤：安装常规钻井泵和节流管汇；将另一调压泵接入节流管汇阀门；计算最大井口许用压力；通过接入节流管汇的调压泵和节流阀调节井口压力至最大井口许用压力；打开钻井泵压井；记录压井液到达钻头时间和其后产生的环空静液柱压力；判断节流阀处压力与静液柱压力之和与地层压力关系，决定进行节流压力调节或重新压井设计。该方法适于井内完全无钻井液的工况，有效解决了压井初始阶段节流纯气体困难的问题，进而能加快井筒环空内压井液静液柱压力的建立，从而尽快压井成功。本发明所述方法不需特殊设备，操作较易，适合现场应用。

Description

一种气体钻井井喷后的压井方法

技术领域

本发明涉及一种气体钻井钻遇高产气层后的压井方法，属于石油钻井井控技术领域。

背景技术

随着国民经济的快速发展，我国对石油天然气能源的需求和依赖与日俱增。目前石油钻井中传统泥浆钻井应用最成熟，它采用常规钻井液，保持井底压力略高于地层压力进行钻进，存在机械钻速慢，对产层造成伤害，影响后续的产油(气)量，不容易发现新产层等缺点。欠平衡钻井能有效解决这一不足，特别是其中的气体钻井，采用气体作为循环介质，在高效破岩的同时，能避免污染储层，并有利于新产层的发现。因此气体钻井是一种节约成本、高效的、应用潜力很大的钻井方法。

目前气体钻井主要用来提高机械钻速和钻开低渗油气藏。由于地层压力的不确定性，一旦钻遇高产气层，气体介质不具备常规钻井液的静液柱压力，无法用常规井控的井底恒压法(如司钻法和工程师法)进行压井。气体钻井钻遇高产气层，注入压井液后，由于井内复杂的多相流动，使井内建立压井液液柱变得困难，目前还没有适用于气体钻井的系统压井方法，因而成为井控领域的一个难点。

发明内容

本发明为解决气体钻井井控中所存在的问题，提出一种气体钻井井喷后的压井方法。该方法在气体钻井钻遇气层后，结合压井水力参数的理论计算分析，可以较快地建立起井内液柱压力，从而为成功压井奠定基础。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种气体钻井井喷后的压井方法：

(1)拆除气体钻井空压机及其管线，在钻柱和井口四通之间接入钻井循环系统，该钻井循环系统包括钻井泵、节流管汇、节流阀、气液分离器、振动筛、真空除气器、泥浆池和连接管线；同时在节流管汇泥浆池之间接入调压系统，该调压系统通过高压软管接入阀门和调压泵；

(2)根据最大井口许用压力，开启节流管汇上的阀门和调压泵，并逐步提高其排量，直至节流阀处压力达到最大井口许用压力；

(3)保持接入调压泵的排量不变，打开钻井循环系统的钻井泵，开始计时，并计算压井液开始到达井底的时间；

(4)计算压井液进入环空的体积，并得到压井液在环空产生的静液柱压力；

(5)计算节流阀处的压力与环空压井液的静液柱压力之和，如二者之和达到地层压力，则通过节流阀和调压泵逐步降低节流阀处压力，直到节流阀处压力释放到0，压井完成；若二者之和尚未达到地层压力，则需要重新加重压井液，或提高钻井排量，继续循环压井作业直至节流阀处的压力与环空压井液的静液柱压力之和达到地层压力。

上述方案中最大井口许用压力计算公式采用：

p_amax＝Min{p_bop,0.8×p_casing,p_af} (1)

式中，p_amax为最大井口许用压力；p_bop为井口防喷器额定压力；p_casing为套管抗内压强度；p_af为套管鞋处地层破裂时井口的回压；

其中，井口防喷器压力和套管抗内压强度为已知，套管鞋处地层破裂时井口压力的求取通过如下公式：

式中：P_af为套管鞋破裂时井口的压力，单位Pa；H_shoe为套管鞋深度，单位m；f为气体的流动摩阻系数；P_f为地层破裂压力，单位Pa；ρ_g为气体密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位m/s²；v_g为气体流速，单位m/s；d_e为环空当量直径，单位m。

钻井液到达钻头时间的计算公式为

式中：d为钻杆内径，单位m；H为井深，单位m；Q₁为正常钻井时排量，单位m³/s；

任意时刻环空内压井液静液柱压力的计算公式为

式中：p_m为压井液静液柱压力，单位Pa；D为井眼尺寸，单位m；ρ为压井液密度，单位kg/m³。

上述方案进一步包括：若节流阀处压力与环空静液柱压力之和等于地层压力，单位时间内节流阀处压力降低值为满足：

本发明有以下显著优势：对于气体钻井钻遇气层的特殊情况，能在压井的最初阶段通过调压泵有效施加节流回压，从而为井筒环空静液柱压力的建立提供了条件，进而为压井的成功奠定了基础。该方法操作要求不高，不需要特殊设备，适合现场使用。操作比较简单，压井步骤易于实施，能有效施加井口回压，从而较快的建立起井筒内液柱压力，为成功压井提供了理论和技术支持。

附图说明

图1是一种气体钻井井喷后的压井方法的流程示意图。

图中：1、钻井泵；2、调压泵；3、旋转控制头；4、排砂管线；5、防喷器组；6、四通；7、钻柱；8、环空；9、钻头；10、阀门(平板阀)；11、节流管汇；12、节流阀；13、气液分离器；14、振动筛；15、真空除气器；16、泥浆池；17、高压气层。

具体实施方式

下面结合附图1首先对本发明所涉及的部件和设备的连接结构进行说明。

钻遇气层后，首先拆除气体钻井使用的空气压缩机等设备，建立起图1所示的连接方式。第一路循环流程是：将常规钻井泵1连接泥浆池16和井口钻具7，钻井泵1将泥浆池16中的钻井液泵入钻具7，经过井底钻头9后携带地层气体进入环空8，由于井口防喷器组5关闭，环空8中的气液两相流通过四通6进入节流管汇11，气液两相流经节流阀12节流后进入气液分离器13，之后经过振动筛14和真空除气器15的处理后钻井液进入泥浆池16。第二路循环流程是：将调压泵2通过高压软管连接泥浆池16和节流管汇11，调压泵2泵入的钻井液与第一路循环中四通6流出的流体一起流入节流管汇，并经过节流阀12节流，进入气液分离器，完成和第一路循环流程相同的过程进入泥浆池16。

本发明的压井方法包括以下步骤：

1、安装常规钻井泵和节流管汇：

如图1所示，钻遇气层后，应先使用排砂管线4进行放喷，将常规钻井泵1接入到井口，将节流管汇11的平板阀10和节流阀12全部打开。

2、将另一调压泵2接入节流管汇：

通过高压软管，将调压泵2接入节流管汇上的阀门10，打开阀门10。

3、确定计算最大井口许用压力所需的参数，并进行计算：

根据钻井地层数据包括地层压力、地层破裂压力梯度、地温梯度、地层天然气密度，结合现场设备参数包括防喷器组额定压力、井身结构和套管抗内压强度及井深等，计算最大井口许用压力。

最大井口许用压力需满足：井内压力不超过套管抗内压强度的80％，井口压力不得超过防喷器组工作压力，且压井过程中不可压裂套管鞋处裸露地层。最大井口许用压力计算公式为：

p_amax＝Min{p_bop,0.8×p_casing,p_af} (1)

式中：p_amax为最大井口许用压力；p_bop为井口防喷器额定压力；p_casing为套管抗内压强度；p_af为套管鞋处地层破裂时井口的回压。

井口防喷器组额定压力和套管抗内压强度可通过查阅钻井手册得到，为已知，套管鞋处地层破裂时井口压力的求取，应根据气井产量，通过数值计算求取。

式中：P_af为套管鞋破裂时井口的压力，单位Pa；H_shoe为套管鞋深度，单位m；f为气体的流动摩阻系数；P_f为地层破裂压力，单位Pa；ρ_g为气体密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位m/s²；v_g为气体流速，单位m/s；d_e为环空当量直径，单位m。

4、以低排量打开调压泵2，逐步提高泵排量，使井口压力达到井口最大许用压力：

节流阀12全打开，关闭井口防喷器组5，使环空流入排砂管线的气体进入节流四通6，进而全部经过节流管汇11。打开调压泵2，逐步提高泵排量，使井口节流阀12处的压力达到最大井口许用压力P_amax，此时调压泵2的排量为Q_2max。

5、保持调压泵2的排量Q_2max不变，开启钻井泵1，调节钻井泵1的排量至正常钻井时钻井液排量Q₁的1/2，泵入的压井液进入钻杆7，并开始计时。

6、计算压井液到达钻头的时间：

步骤5开始计时后，压井液进入钻杆7，压井液到达钻头9所需的时间为：

式中：d为钻杆内径，m；H为井深，m；Q₁为正常钻井时的钻井液排量，m³/s。

7、记录压井液进入环空的体积，并计算压井液产生的压力：

压井液进入环空后，t时刻时，环空产生的静液柱压力为：

式中：p_m为压井液静液柱压力，单位Pa；D为井眼尺寸，单位m；ρ为压井液密度，单位kg/m³。

8、判断节流阀处压力与静液柱压力之和跟地层压力的关系

如果在t₂时刻满足以下关系(其中p_e为地层压力)：

则从t₂时刻开始，通过调节节流阀12的开度和调压泵2的排量，保持单位时间内节流压力降低压力为直至井口节流阀处压力由p_amax线性降低到0。

9、如果井口节流阀处压力与环空泵入压井液静液柱压力之和还未达到地层压力，环空内气液混合物即进入节流管汇11，则节流管汇11内液体流量的增大会使节流压力升高，此时，即使保持最大井口回压，无法成功压井。

10、如情况9发生，则需要增大压井液密度或增大压井排量，重新进行压井设计。

本发明可以对气体钻井钻遇高压气层后的井喷进行快速的压井，通过增加一个调节泵(钻井泵)的方式来有效施加井口节流压力，为环空静液柱压力的建立创造了有利条件，从而为而压井作业的实施提供了理论指导。

Claims (1)

1.一种气体钻井井喷后的压井方法，其特征在于，包括：

(1)拆除气体钻井空压机及其管线，在钻柱和井口四通之间接入钻井循环系统，该钻井循环系统包括钻井泵、节流管汇、节流阀、气液分离器、振动筛、真空除气器、泥浆池和连接管线，其中，所述钻井循环系统的流程为：将常规钻井泵连接泥浆池和井口钻具，钻井泵将泥浆池中的钻井液泵入钻具，经过井底钻头后携带地层气体进入环空，由于井口防喷器组关闭，环空中的气液两相流通过四通进入节流管汇，气液两相流经节流阀节流后进入气液分离器，之后经过振动筛和真空除气器的处理后钻井液进入泥浆池；同时在节流管汇泥浆池之间接入调压系统，所述调压系统通过高压软管接入节流管汇上的阀门和调压泵，所述调压系统的流程为：将调压泵通过高压软管连接泥浆池和节流管汇，调压泵泵入的钻井液与第一路循环中四通流出的流体一起流入节流管汇，并经过节流阀节流，进入气液分离器，完成和第一路循环流程相同的过程进入泥浆池；

(2)根据最大井口许用压力，开启节流管汇上的阀门和调压泵，并逐步提高其排量，直至节流阀处压力达到最大井口许用压力，其中，所述最大井口许用压力需满足：井内压力不超过套管抗内压强度的80％，井口压力不得超过防喷器组工作压力，且压井过程中不可压裂套管鞋处裸露地层，所述最大井口许用压力计算公式采用：p_amax＝Min{p_bop,0.8×p_casing,p_af}，式中：p_amax为最大井口许用压力；p_bop为井口防喷器压力；p_casing为套管抗内压强度；p_af为套管鞋破裂时井口的压力；其中，井口防喷器压力和套管抗内压强度为已知，套管鞋处地层破裂时井口压力的求取通过如下公式：式中：P_af为套管鞋破裂时井口的压力，单位Pa；H_shoe为套管鞋深度，单位m；f为气体的流动摩阻系数；P_f为地层破裂压力，单位Pa；ρ_g为气体密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位m/s²；v_g为气体流速，单位m/s；d_e为环空当量直径，单位m；

(3)保持接入调压泵的排量不变，打开钻井循环系统的钻井泵，调节钻井泵的排量至正常钻井时钻井液排量的一半，泵入的压井液进入钻杆，开始计时，并计算压井液开始到达井底的时间，其中，钻井液到达钻头时间的计算公式采用：式中：d为钻杆内径，单位m；H为井深，单位m；Q₁为正常钻井时排量，单位m³/s；

(4)计算压井液进入环空的体积，并得到压井液在环空产生的静液柱压力，其中，压井液在环空产生的静液柱压力的计算公式为：式中：p_m为压井液静液柱压力，单位Pa；D为井眼尺寸，单位m；ρ为压井液密度，单位kg/m³；

(5)计算节流阀处的压力与环空压井液的静液柱压力之和，如二者之和达到地层压力，则通过节流阀和调压泵逐步降低节流阀处压力，保持单位时间内节流阀处压力降低值满足：直到节流阀处压力由p_amax线性降低到0，压井完成；若二者之和尚未达到地层压力，则需要重新加重压井液或提高钻井排量，继续循环压井作业直至节流阀处的压力与环空压井液的静液柱压力之和达到地层压力。