CN105756660B - 一种气井压回法压井时机的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气井压回法压井时机的确定方法，包括以下步骤：通过地质录井和邻井资料收集地层岩石和流体物性参数；通过收集的数据，由公式绘制气井的IPR曲线；绘制井筒气体产量和井底压力关系的OPR曲线；在同一坐标系绘制IPR曲线和OPR曲线；计算允许最大关井时间；计算关井后某时刻开始压井的井口压力函数；求取井口最大压力；判断压井开始的最晚时间。该方法适于气井井喷无法循环压井，采用压回法进行压井的情况，能计算关井后使用压回法成功压井的最晚压井时间，从而消除压井过程中产生的井口压力超出最大许用井口压力的风险，为压井的成功提供理论指导。该方法计算过程不复杂，操作工艺较简单，适合现场使用。

Description

一种气井压回法压井时机的确定方法

技术领域

本发明涉及一种钻遇气层井喷或无法循环压井时采用压回法时的压井时机判断方法，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增长，我国对石油天然气能源的需求和依赖与日俱增。目前东部油田已经进入开发后期，油井含水量高，原油产量较难有大的突破，未来中西部油田将成为钻探开发的重点。由于西部油田地层压力高，且天然气资源丰富，在钻井过程中极易出现井涌、溢流甚至发生井喷的情况。常规的司钻法和工程师法等常规压井方法能即使处理侵入井内气体，保证钻井安全。但在一些特殊情况下，常规压井方法无法使用，如：井内侵入气体过大，井口无法处理受污染钻井液；井内侵入毒性气体(如H₂S)，无法循环出井口；钻头水眼堵塞，钻井液无法循环；钻具刺漏或断落，钻井液无法循环到井底，等。以上情况如果井口能够关井，则可考虑直接从井口泵入压井液，将侵入井筒流体直接压回地层，即压回法压井，是可以解决常规压井无法实施的有效方法。

压回法主要用在井口承压能力大，能够关井；套管下深大，压井过程中地层压漏风险小；以及地层渗透率高等工况下。如果气体侵入地层时井内无液相钻井液，关井后由于静气柱压力很小，井口会达到很高的关井压力，井口风险会增大。目前使用的压回法都是关井后等到压力稳定后再实施压井，这就使得部分井口承压能力较低的井，无法完成压井。而如果关井后直接泵入压井液，则可及早建立井内静液柱压力，降低关井的井口压力，从而可以完成压井作业。

目前还没有此种情况压回法压井时机选择的方法，因此也是压井法的一个难点。

发明内容

为解决钻遇高压气层时压回法存在的问题，本发明提出一种特别适用于钻遇气层而井内无钻井液时的气井压回法压井时机选择方法，结合井底压力和井口压力等关键参数的理论计算，可选择压井开始的时机，从而降低压井过程中井口压力过高的风险，为成功压井提供保障。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括如下步骤：

(1)通过地质录井数据及邻井资料收集地层和流体物性参数，包括地层压力、岩石孔隙度、渗透率、产层厚度、气体密度、气体粘度、井眼尺寸和地层压力边界；

(2)结合地质参数和气体物性参数，绘制气体流入井内的IPR曲线；

(3)通过井眼集合尺寸、气体密度、气体粘度、地温梯度参数，绘制井筒气体产量与井底流压的关系曲线OPR；

(4)在同一坐标系中，绘制此井的IPR曲线和OPR曲线，二者的交点可确定气井在敞喷状态下的井底流压和气体产量；

(5)通过压井过程中井口最大承压能力的约束条件，计算允许的最长关井时间T；

(6)在T时间内取时刻j，计算关井后j时刻开始压井时产生的井口压力函数；

(7)通过对j时刻开始压井时井口压力函数求导，得到井口产生最大压力的时刻，并代入函数求出井口的最大压力；

(8)判断是否达到压井最晚时机，如果达到，则j时刻即是最晚的压井时间；否则改变时刻j的数值，通过步骤(6)继续计算。

上述方案进一步包括：

步骤(2)绘制气井的IPR曲线的计算公式采用：

式中：p_e为地层压力；p_wf为井底流压；A、B分别为达西渗流系数和非达西渗流系数；q_sc为气井在标况下的产量；S为表皮系数；k为地层渗透率；μ_g为气体粘度；T_R为气藏温度；h为打开气层的厚度；r_w、r_e分别为井径和压力边界；γ_g为气体相对密度；Z_R为气体压缩因子；β为速度系数。

步骤(3)具体为：通过已知的井眼集合尺寸、气体密度、气体粘度、地温梯度、井深参数，给定一个气体产量q_sc1，通过方程(4)-(7)，自井口往井底以步长Δh计算出井底压力p_wf1；同理给定q_sc2，q_sc3，…q_scn，算出对应的井底流压p_wf2，p_wf3，…p_wfn，通过数据点得到OPR曲线，计算公式采用：

ρ＝3484.4γ_g p/zT (5)

式中：Δp为温度变化；Δh为井深步长；ρ为气体密度；g为重力加速度；θ为井斜角；f为气体流动摩阻系数；v_g为某井深处气体流速；γ_g为气体相对密度；p、T分别为某井深处的压力和温度；Z为气体压缩系数；q_sc为井口气体产量；e为井筒绝对粗糙度；d为井筒尺寸。

步骤(5)计算最大关井时间为：令t＝1时刻开始，通过公式(1)、(2)、(3)计算1s时间内产气量△q_sc，已知气体产量，通过公式(5)计算单位时间内产生气体在井筒中的气体压力增量△p₁，以及气柱压力增量△p₂，则此时井口压力和井底压力分别为：

p_a＝p_a0+△p₁ (8)

p_wf＝p_wf0+△p₁+△p₂ (9)

时间增加△t，赋值p_a0＝p_a、p_wf0＝p_wf，同理计算t＝1+△t时间的井底压力和井口压力，

当t＝1+N·△t时，达到p_a≥p_amax或者p_wf≥p_e时，此时的时间即最长关井时间T。其中：p_max为井口最大许用压力；p_e为初始地层压力。

步骤(6)关井后j时刻为起点开始压井时i时间后，井口压力的计算公式采用：

p_ai＝p_aj+ρ_kgQ_ki/A+△p_gsc(i)+△p_g(i) (10)

式中：p_ai为压井开始后i时刻井口压力；p_aj为开始压井时的井口压力；△p_gsc(i)压井i时刻进入井内气体产生的压力增量；△p_g(i)为压井i时刻井内气体被压缩产生的压力增量；ρ_kgQ_ki/A为i时刻进入气体的净气柱压力；ρ_k为气体密度；Q_k为气体产量；A为井眼截面积；

步骤(7)求取压井过程井口最大压力p_ai(max)采用对公式(10)求导的方法。

最晚压井时间的判断方法为：如p_ai(max)＝p_amax，则j时刻井口压力恰好达到最大许用压力，此时为实施压井的最晚时间；

否则令△t＝j/N

如p_ai(max)<p_amax，则令j＝j+△t代入步骤(6)重新进行计算；

如p_ai(max)>p_amax，则令j＝j-△t代入步骤(6)重新进行计算。

本发明的优势是：对于气井喷空后井内无钻井液的情况，能计算关井后使用压回法成功压井的最晚压井时间，从而消除压井过程中产生的井口压力超出最大许用井口压力的风险，进而为压井的成功奠定基础。该方法计算简单，压井步骤易于实施，能有效减少井口风险，从而可以较快的将地层侵入气体压回地层，为压井提供了理论和技术支持。

附图说明

图1是利用本发明方法应用在一种气体钻井钻遇高产气层井喷后所采用的气井压回法压井的现场装备结构示意简图。

图中：1、防喷器组；2、压井管汇；3、节流管汇；4、钻柱；5、回压凡尔；6、压井液；7、钻具与井眼环空气体；8、钻头；9、高压气层；10、钻井泵；11、泥浆池。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步的描述。

如图1所示，在气体钻井钻遇高产气层井喷后，本发明的压井方法包括以下步骤：

1、通过地质录井数据及邻井资料收集地层和流体物性参数

发生井喷后，先通过录井数据及邻井资料，得到包括地层压力、岩石孔隙度、渗透率、产层厚度、气体密度、气体粘度、井眼尺寸和地层压力边界等参数。

2、绘制井底的IPR曲线

通过获得的地层和流体参数，根据如下方程绘制气体产量q_gs与井底流压p_wf关系的流入动态曲线(IPR)。

式中：p_e为地层压力，MPa；p_wf为井底流压，MPa；A、B分别为达西渗流系数和非达西渗流系数；q_sc为气井在标况下的产量，m³/d；S为表皮系数；k为地层渗透率，md；μ_g为气体粘度，Pa·s；T_R为气藏温度，K；h为打开气层的厚度，m；r_w、r_e分别为井径和压力边界，m；γ_g为气体相对密度，无因次；Z_R为气体压缩因子，无因次；β为速度系数，m^-1。

3、绘制井筒内气体流出动态曲线(OPR)

通过已知的井眼集合尺寸、气体密度、气体粘度、地温梯度、井深等已知参数，给定一个气体产量q_sc1，通过以下方程，自井口往井底以步长Δh计算出井底压力p_wf1。给定气体产量q_sc2，q_sc3，…q_scn，算出对应的井底流压p_wf2，p_wf3，…p_wfn，通过数据点得到井口气体产量与井底流压之间关系的流出动态曲线。

ρ＝3484.4γ_g p/zT (5)

式中：Δp为温度变化，Pa；Δh为井深步长，m；ρ为气体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；θ为井斜角，°；f为气体流动摩阻系数，无量纲；v_g为某井深处气体实际流动速度，m/s；γ_g为气体相对密度，无因次；p、T分别为某井深处的压力和温度，Pa、K；Z为气体压缩系数，无因次；q_sc为井口气体产量，m³/d；e为井筒绝对粗糙度，m；d为井筒尺寸，m。

4、气井敞喷时气体产量和井底流压的确定

在同一坐标系中，作出此井的IPR和OPR曲线，二者的交点即为敞喷情况下气体的产量和井底流压(q_sc0，p_wf0)，也即关井时刻时的初始参数。

5、最大关井时间T的计算

最大关井时间的计算，应保证关井期间井口的安全。关井后的极短时间段内，可以认为地层气体的渗流为稳态流动。

令t＝1时刻开始，通过公式(1)、(2)、(3)计算1s时间内产气量△q_sc。已知气体产量，通过公式(5)计算单位时间内产生气体在井筒中的气体压力增量△p₁，以及气柱压力增量△p₂。则此时井口压力和井底压力分别为：

p_a＝p_a0+△p₁ (8)

p_wf＝p_wf0+△p₁+△p₂ (9)

时间增加△t，赋值p_a0＝p_a、p_wf0＝p_wf。同理计算t＝1+△t时间的井底压力和井口压力。

当t＝1+N·△t时，达到如p_a≥p_amax或者p_wf≥p_e时，此时的时间即最长关井时间T。其中：p_max为井口最大许用压力；p_e为初始地层压力。

6、j时刻开始压井时，井口压力计算

在步骤5中计算的最大压井时间T以内的j时刻开始压井，根据步骤5的计算可算出j时刻井底压力p_wfj和井口压力p_aj。压井液的泵入建立的静液柱使井口套压降低，同时压井液对井内气体的压缩和地层产生的气体进入井内使井口套压升高。从j时刻压井开始，i时刻井口压力：

p_ai＝p_aj+ρ_kgQ_ki/A+△p_gsc(i)+△p_g(i) (10)

式中：p_ai为压井开始后i时刻井口压力；p_aj为开始压井时的井口压力；△p_gsc(i)压井i时刻进入井内气体产生的压力增量；△p_g(i)为压井i时刻井内气体被压缩产生的压力增量。ρ_kgQ_ki/A为i时刻进入气体的净气柱压力；ρ_k为气体密度；Q_k为气体产量；A为井眼截面积。

7、求取压井过程中井口最大压力

公式(10)对时间求导，并令可得出最大压力出现的时间，将所得时间代入公式(10)，可求得关井j时刻开始压井，井口出现的最大压力p_ai(max)。式中：p_ai压井开始后i时刻井口压力。

8、最晚压井时间的判断

如p_ai(max)＝p_amax，则j时刻井口压力恰好达到最大许用压力，此时为实施压井的最晚时间。

令△t＝j/N

如p_ai(max)<p_amax，则令j＝j+△t代入步骤6重新进行计算。

如p_ai(max)>p_amax，则令j＝j-△t代入步骤6重新进行计算。

本发明可以对气井井喷而井内无钻井液的情况进行压井的设计，通过理论计算，得到压回法压井的最晚压井时间，为保证压井过程中井口的安全提供了保障，从而为而压井作业的实施提供了理论指导。

Claims (6)

1.一种气井压回法压井时机的确定方法，包括如下步骤：

(1)通过地质录井数据及邻井资料收集地层和流体物性参数，包括地层压力、岩石孔隙度、渗透率、产层厚度、气体密度、气体粘度、井眼尺寸和地层压力边界；

(2)结合地质参数和气体物性参数，绘制气体流入井内的IPR曲线；

(3)通过井眼集合尺寸、气体密度、气体粘度、地温梯度参数，绘制井筒气体产量与井底流压的关系曲线OPR；

(4)在同一坐标系中，绘制此井的IPR曲线和OPR曲线，二者的交点可确定气井在敞喷状态下的井底流压和气体产量；

(5)通过压井过程中井口最大承压能力的约束条件，计算允许的最长关井时间T；

(6)在T时间内取时刻j，计算关井后j时刻开始压井时产生的井口压力函数；

(7)通过对j时刻开始压井时井口压力函数求导，得到井口产生最大压力的时刻，并代入函数求出井口的最大压力；

(8)判断是否达到压井最晚时机，如果达到，则j时刻即是最晚的压井时间；否则改变时刻j的数值，通过步骤(6)继续计算。

2.根据权利要求1所述的气井压回法压井时机的确定方法，其特征在于步骤(2)绘制气井的IPR曲线的计算公式采用：

式中：p_e为地层压力；p_wf为井底流压；A、B分别为达西渗流系数和非达西渗流系数；q_sc为气井在标况下的产量；S为表皮系数；k为地层渗透率；μ_g为气体粘度；T_R为气藏温度；h为打开气层的厚度；r_w、r_e分别为井径和压力边界；γ_g为气体相对密度；Z_R为气体压缩因子；β为速度系数。

3.根据权利要求2所述的气井压回法压井时机的确定方法，其特征在于步骤(3)具体为：通过已知的井眼几何尺寸、气体密度、气体粘度、地温梯度、井深参数，给定一个气体产量q_sc1，通过方程(4)-(7)，自井口往井底以步长Δh计算出井底压力p_wf1；同理给定q_sc2，q_sc3，…q_scn，算出对应的井底流压p_wf2，p_wf3，…p_wfn，通过数据点得到OPR曲线，计算公式采用：

ρ＝3484.4γ_g p/ZT (5)

式中：Δp为温度变化；Δh为井深步长；ρ为气体密度；g为重力加速度；θ为井斜角；f为气体流动摩阻系数；v_g为某井深处气体流速；γ_g为气体相对密度；p、T分别为某井深处的压力和温度；Z为气体压缩系数；q_sc为井口气体产量；e为井筒绝对粗糙度；d为井筒尺寸。

4.根据权利要求3所述的气井压回法压井时机的确定方法，其特征在于步骤(5)计算最大关井时间为：令t＝1时刻开始，通过公式(1)、(2)、(3)计算1s时间内产气量△q_sc，已知气体产量，通过公式(5)计算单位时间内产生气体在井筒中的气体压力增量△p₁，以及气柱压力增量△p₂，则此时井口压力和井底压力分别为：

p_a＝p_a0+△p₁ (8)

p_wf＝p_wf0+△p₁+△p₂ (9)

时间增加△t，赋值p_a0＝p_a、p_wf0＝p_wf，同理计算t＝1+△t时间的井底压力和井口压力，当t＝1+N·△t时，达到p_a≥p_amax或者p_wf≥p_e时，此时的时间即最长关井时间T，其中：p_max为井口最大许用压力；p_e为初始地层压力。

5.根据权利要求4所述的气井压回法压井时机的确定方法，其特征在于步骤(6)关井后j时刻为起点开始压井时i时间后，井口压力的计算公式采用：

p_ai＝p_aj+ρ_kgQ_ki/A+△p_gsc(i)+△p_g(i) (10)

式中：p_ai为压井开始后i时刻井口压力；p_aj为开始压井时的井口压力；△p_gsc(i)压井i时刻进入井内气体产生的压力增量；△p_g(i)为压井i时刻井内气体被压缩产生的压力增量；ρ_kgQ_ki/A为i时刻进入气体的净气柱压力，ρ_k为气体密度；Q_k为气体产量；A为井眼截面积；步骤(7)求取压井过程井口最大压力p_ai(max)采用对公式(10)求导的方法。

6.根据权利要求5所述的气井压回法压井时机的确定方法，其特征在于最晚压井时间的判断方法为：如p_ai(max)＝p_amax，则j时刻井口压力恰好达到最大许用压力，此时为实施压井的最晚时间；

否则令△t＝j/N

如p_ai(max)<p_amax，则令j＝j+△t代入步骤(6)重新进行计算；

如p_ai(max)>p_amax，则令j＝j-△t代入步骤(6)重新进行计算。