CN108825156B - 一种用于控压钻井的气侵控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于控压钻井的气侵控制方法，所述方法包括以下步骤：判断当前钻井过程中是否发生气侵溢流；根据气侵溢流发生的判定结果选取气侵控制方案并实施气侵控制，其中，在确定发生气侵溢流时，选取直接循环排溢方案，或者，在不确定发生气侵溢流时，则选取包含有停泵溢流检测方案的复合排溢控制方案。本发明能够通过定量计算分析，快速准确的制定最优的控压钻井气侵控制方案，实现控压钻井气侵控制与排溢。

Description

一种用于控压钻井的气侵控制方法
技术领域
本发明属于石油钻井领域，涉及到控压钻井过程中发生气侵时的气侵安全控制与排溢技术。
背景技术
随着我国油气勘探开发逐步向深部复杂地层进军，窄安全密度窗口地层钻井越来越多，为了解决窄安全密度窗口钻井问题，控压钻井(Managed Pressure Drilling，简称MPD)技术不断得到推广应用。由于地层压力剖面很难准确获得，因此在控压钻井过程中依然存在有气侵溢流风险，特别对于埋藏深的海相碳酸盐岩储层，储集空间多为孔隙、裂缝为主，钻进过程中易发生气液重力置换，气侵溢流复杂情况频发。
在控压钻井过程中，在井口安装有旋转防喷器，通过旋转防喷器，将整个井筒环空完全封闭，这样即可通过地面施加套管压力达到提高井底压力的目的。当在控压钻井过程中一旦发现气侵后，可以通过控压钻井系统采用合理的控制方法对微量、中量气侵进行有效控制并将其循环出井筒。
目前，现有的控压钻井气侵安全控制方法存在以下问题：(1)控压钻井系统能够对气侵有效控制，但对于控压钻井系统的气侵控制能力、能够控制的气侵强度极限没有相关定量分析方法；(2)通常在控压钻井过程中发生气侵，直接采用提高井口回压进行溢流控制，但基于控压钻井设备自身优越性，气侵控制方法较多，如提高排量、提高井口回压，同时提高排量与回压，采用何种方法能够更安全高效的控制住气侵溢流，目前还没有相应的优选方法；(3)在整个气侵控制过程中如何进行精确控制仍没有明确的控制方法。
因此，需要找到一种适用的控压钻井气侵控制能力计算与气侵控制策略优选的方法，解决当前控压钻井过程中无法安全高效控制气侵的难题，实现高气侵强度及时井控，中小气侵强度下安全循环排溢，同时结合钻井实际情况快速建立一种最优的气侵控制策略，实现气侵安全控制与排溢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种能够通过定量计算分析，快速准确的制定最优的控压钻井气侵控制方案，实现控压钻井气侵控制与排溢的解决方案。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种用于控压钻井的气侵控制方法，所述方法包括以下步骤：判断当前钻井过程中是否发生气侵溢流；根据气侵溢流发生的判定结果，选取气侵控制方案实施气侵控制，将气侵安全循环出井筒，其中，在确定发生气侵溢流时，选取直接循环排溢方案，或者，在不确定发生气侵溢流时，则选取包含有停泵溢流检测方案的复合排溢控制方案，所述直接循环排溢方案根据气侵控制过程中井口最大允许套管压力和气侵排溢过程中控制该气侵所需的期望套管压力判断是否有合适的排量值进行循环排溢以完成气侵控制；所述复合排溢控制方案进一步判定气侵溢流是否发生，在进一步判定发生气侵溢流时，根据气侵控制过程中井口最大允许套管压力和气侵排溢过程中控制该气侵所需要的期望套管压力判断是否有合适的排量值进行循环排溢以完成气侵控制。
优选地，所述直接循环排溢方案进一步包括如下步骤，获取控压钻井的基础参数，基于所述基础参数计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力；根据气侵量的大小模拟计算气侵排溢过程中当前循环排量下控制该气侵所需要的期望套管压力；判断所述期望套管压力是否小于最大允许套管压力，其中，若所述期望套管压力小于最大允许套管压力，则直接按照模拟计算的期望套管压力进行动态调节；否则，调整循环排量，模拟计算不同循环排量下的期望套管压力和立管压力，判断是否存在一循环排量下的期望套管压力小于最大允许套管压力且立管压力小于最大立管压力，若存在，则提高排量至该循环排量，并按照模拟计算的该循环排量对应的期望套管压力进行动态调节，若不存在，则关井以准备压井作业。
优选地，所述复合排溢控制方案的停泵溢流检测方案进一步包括如下步骤，计算当前循环排量下的环空压降，判断回压泵是否能提供当前井口回压、当前循环排量环空压降引起的井底压力增加值和安全系数之和的井口回压；若回压泵不能提供所述井口回压，则关井以准备压井作业，否则停泵并监测流量变化，在井筒有钻井液流出时，确定发生气侵溢流。
优选地，在进一步判定发生气侵溢流时，执行如下步骤：获取控压钻井的基础参数，基于所述基础参数计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力；根据气侵量的大小模拟计算气侵排溢过程中停泵前循环排量下控制该气侵所需的期望套管压力；判断所述期望套管压力是否小于最大允许套管压力，其中，若所述期望套管压力小于最大允许套管压力，则启泵并进行按照模拟计算的期望套管压力进行动态调节；否则，调整循环排量，模拟计算不同循环排量下的期望套管压力和立管压力，判断是否存在一循环排量下的期望套管压力小于最大允许套管压力且立管压力小于最大立管压力，若存在，则启泵提高排量至该循环排量，并按照模拟计算的该循环排量对应的期望套管压力进行动态调节，若不存在，则关井以准备压井作业。
优选地，在计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力的步骤中，进一步：计算循环控制气侵和停止循环时避免压破套管鞋的井口最大允许套管压力和井下薄弱地层的最大允许套管压力；比较循环控制气侵和停止循环的所述避免压破套管鞋的井口最大允许套管压力、井下薄弱地层的最大允许套管压力和地面控压钻井系统设备压力级别，确定最大允许套管压力。
优选地，基于套鞋处的地层破裂或地层漏失压力梯度ρf,shoe、停止循环时套管鞋处的静态当量泥浆密度ESDshoe、套管鞋处的垂深TVDshoe和套管鞋处由于循环压降引起的附加当量密度ΔECDshoe计算循环控制气侵和停止循环时的井口最大允许套管压力。
优选地，利用如下表达式计算循环控制气侵和停止循环时井口的最大允许套管压力：
Pc,Max-shoe-s＝0.00981(ρf,shoe-ESDshoe)TVDshoe
Pc,Max-shoe-c＝0.00981(ρf,shoe-ESDshoe-ΔECDshoe)TVDshoe
其中，Pc,Max-shoe-s为停止循环时避免压破套管鞋的最大允许套管压力，Pc,Max-shoe-c为正常循环情况下避免压破套管鞋的最大允许套管压力。
优选地，基于井下薄弱地层的地层破裂或地层漏失压力梯度ρf,BH1、停止循环时井下薄弱地层的静态当量泥浆密度ESDBH1、薄弱地层垂深TVDBH1和井下薄弱地层由于环空压降引起的附加当量密度ΔECDBH1计算各气侵控制方式下井下薄弱地层的最大允许套管压力。
优选地，利用如下表达式计算循环控制气侵和停止循环时井下薄弱地层的最大允许套管压力：
Pc,Max-BH1-s＝0.00981(ρf,BH1-ESDBH1)TVDBH1
Pc,Max-BH1-c＝0.00981(ρf,BH1-ESDBH1-ΔECDBH1)TVDBH1
其中，Pc,Max-BH1-s为停止循环时避免井下薄弱地层被压破或压漏的最大允许套管压力，Pc,Max-BH1-c为正常循环下避免井下薄弱地层被压破或压漏的最大允许套管压力。
优选地，在模拟计算控制该气侵所需要的期望套管压力的步骤中，利用如下表达式来计算：
Pc,Exp-s＝Pc,init+ΔPaf,bh+ΔPsf
Pc,Exp-c＝Pc,init+0.00981ΔρUBTVDBH+ΔPstatic+ΔPsf+ΔPaf,ΔQ
其中，Pc,Exp-s为停泵状态下发生气侵后所需的期望套管压力，Pc,Exp-c为循环状态下所需的期望套管压力，Pc,init为气侵发生前的初始套管压力、ΔρUB为气侵发生前井底当量循环密度ECD与地层压力系数的差值、TVDBH为地层垂深、ΔPstatic为气侵发生后井筒内的静液柱压力降低值、ΔPaf,bh为发生气侵前的环空压降引起的井底压力增加值、ΔPaf,ΔQ为循环排溢过程中排量变化所引起的井底压力变化量和ΔPsf为安全系数。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明实施例提出了一种综合考虑地层参数、套管强度、气侵强度、井眼尺寸、钻具尺寸、钻井液性能等，结合控压钻井多相流分析模型的气侵控制与排溢的方法，能够满足控压钻井过程中对气侵及早控制与安全排溢的技术要求。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为涉及本发明的一种用于控压钻井的气侵控制方法的示例的流程示意图。
图2为涉及本发明实施例的直接循环排溢方案A的进行气侵排溢的流程示意图。
图3为图1所示的在停泵溢流检测方案B确定发生气侵时进行气侵控制的方案C的流程示意图。
图4为涉及本发明的一具体示例的气侵排溢过程的期望套管压力的曲线图。
图5为涉及本发明的一具体示例的1675m处井底恒压模式循环排溢井口压力变化情况的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
图1为涉及本发明的一种用于控压钻井的气侵控制方法的示例的流程示意图。下面参考图1来说明该方法的各个步骤。
如图1所示，首先在正常钻进的过程中，判断是否检测到气侵溢流，然后根据气侵溢流发生的判定结果，选取气侵控制方案实施气侵控制，将气侵安全循环出井筒。其中，在确定发生气侵溢流时，选取直接循环排溢方案A，在不确定发生气侵溢流时，则选取包含有停泵溢流检测方案B的复合排溢控制方案。下面分别说明直接循环排溢方案A和复合排溢控制方案这两种气侵控制方案。
(直接循环排溢控制方案A)
在控压钻进过程中，若已经确定发生了气侵溢流时，则根据图2所示的方案A进行气侵控制。概况来说，该方案A根据气侵控制过程中井口最大允许套管压力和气侵排溢过程中控制该气侵所需要的期望套管压力判断是否有合适的排量值进行循环排溢以完成气侵控制。
关于方案A，具体如图2所示，首先根据流量数据，即测得的池积增量及气侵时间，计算气侵速率，根据气侵速率(气侵速率是气液两相流计算的基础参数，后面式(5)的计算需要运用两相流进行计算)，计算当前循环排量的控制该气侵强度下的所需的期望套管压力(也称井口回压)Pc,Exp-c1(参照后式(5)来计算)，判断期望套管压力Pc,Exp-c1是否小于最高允许套管压力Pc,Max。若Pc,Exp-c1＜Pc,Max，则直接进行控压钻井循环排溢，在循环排溢过程中按照式(5)计算模拟的井口回压计算值进行动态调节，以保持气侵流体安全排溢。否则，进行循环排量调整计算分析，在该过程中，调整循环排量，模拟计算不同高循环排量Qi下的期望套管压力Pc,Exp-ci和立管压力SPPc,Exp-ci，判断是否存在一循环排量Qi下的期望套管压力小于最大允许套管压力，即Pc,Exp-ci＜Pc,Max，且立管压力小于实际允许的最大立管压力，即SPPc,Exp-ci＜SPPmax，若存在，则提高排量至该循环排量Qi，并按照模拟计算的该循环排量对应的期望套管压力进行动态调节，若不存在，则关井以准备压井作业。
在循环排量调整计算分析中，根据实际钻井工况确定循环排量的范围，该范围不能超过泵机允许最高排量，即最大循环排量值Qmax(主要根据现场泵机情况确定，与泵缸套大小有关)，以当前排量为初始值，以ΔQ为增量阶梯增大循环排量直至最高允许循环排量，模拟计算分析不同排量下的立管压力SPPc,Exp-ci、井底压力增加值Paf,i，再通过式(5)计算不同排量下的循环期望套管压力Pc,Exp-ci。其中，立管压力、井底压力增加值主要通过钻井水力参数计算模型结合井底垂深计算得到，钻井水力参数计算模型有多种，可跟据现场钻井液性能选择计算模型。若存在满足Pc,Exp-ci＜Pc,Max的循环排量Qopt，则比对计算所得的立管压力SPPc,Exp-ci与实际允许的最高立管压力SPPmax，若SPPc,Exp-ci＜SPPmax，则确定循环排溢过程中允许的排量Qopt。逐步提高排量至Qopt，调整井口回压至初始所需回压，进行控压钻井循环排溢。若不满足Pc,Exp-ci＜Pc,Max，则上提钻具至套管，按MPD控压停泵程序停泵，采用BOP关井准备压井作业。若不满足SPPc,Exp-ci＜SPPmax，则采用BOP关井准备压井作业。
(复合排溢控制方案)
在不确定是否发生了气侵溢流时，则执行复合排溢控制方案。通过该方案进一步判定气侵溢流是否发生，在进一步判定发生气侵溢流时，根据气侵控制过程中井口最大允许套管压力和气侵排溢过程中控制该气侵所需要的期望套管压力判断是否有合适的排量值进行安全排溢以完成气侵控制。
如图1所示，停泵溢流检测方案B包括如下步骤：在不能明确确定气侵是否发生情况下，首先要计算当前循环排量的环空压降引起的井底压力增加值ΔPaf，判断回压泵能否提供前井口回压、当前循环排量环空压降引起的井底压力增加值和安全系数之和(Pc,init+ΔPaf+ΔPsf)的井口回压(根据后式(4)计算)，若能，则按MPD控压钻井停泵程序停泵，监测流量变化，判断井筒中是否有钻井液流出，若存在钻井液流出，则执行流程C，否则按MPD控压钻井启泵程序启泵，正常钻进。若回压泵不能提供(Pc,init+ΔPaf+ΔPsf)的井口回压，则采用BOP关井。
当进一步判定为发生气侵溢流后，则可采用如图3所示的流程C进行气侵控制。首先计算初始气侵速率，然后根据气侵量的大小模拟计算气侵排溢过程中停泵前循环排量下控制该气侵所需的期望套管压力Pc,Exp-ci(根据后式(5)计算)，判断停泵期望套管压力Pc,Exp-ci是否小于最大允许套管压力Pc,Max，若Pc,Exp-ci＜Pc,Max，则按MPD控压钻井启泵程序启泵，进行控压钻井循环排溢，循环排溢过程中按照式(5)计算模拟的井口回压计算值进行动态调节，以保持气侵流体循环排溢。否则，进行循环排量调整计算分析，判断是否有合适的排量值进行循环排溢。若有，则按MPD控压钻井开泵程序提高排量，进行循环排溢，否则，采用BOP关井，转入井控程序。
具体来说，先确定最大循环排量值Qmax，其主要根据现场泵机情况确定，与泵缸套大小有关。然后，以当前排量为初始值，以ΔQ为增量阶梯增大循环排量直至最高允许循环排量，模拟计算分析不同排量下的立管压力SPPc,Exp-ci、井底压力增加值Paf,i，再根据井底压力增加值Paf,i计算不同排量下的期望套管压力Pc,Exp-ci(基于不同排量下的环空压降得到井底压力变化量ΔPaf,ΔQ，将其带入式(5)中得到Pc,Exp-ci)。其中，立管压力、井底压力增加值主要通过钻井水力计算模型结合井底垂深计算得到，钻井水力参数计算模型有多种，可跟据现场钻井液性能选择计算模型。若存在满足Pc,Exp-ci＜Pc,Max的循环排量Qopt，则比对计算所得的立管压力SPPc,Exp-ci与实际允许的最高立管压力SPPmax，若SPPc,Exp-ci＜SPPmax，则确定循环排溢过程中允许的排量Qopt。按MPD启泵程序启泵，逐步提高排量至Qopt，提高套管压力，进行控压钻井循环排溢。若不满足Pc,Exp-ci＜Pc,Max，则上提钻具至套管，采用BOP关井准备压井作业。若不满足SPPc,Exp-ci＜SPPmax，则采用BOP关井准备压井作业。控压钻井气侵发生后，根据上述流程确定了最优控制方案后，如果必须采用BOP关井作业，则按照要求正常关井准备压井作业即可。若能够采用控压钻井设备将气侵溢流循环排出井筒，则根据所得方案计算得到的不同时刻井口回压、排量等数据作为期望目标值对回压等参数进行实时控制直至气侵流体安全循环出井筒。
下面对上面涉及的参数值的计算方法进行详细说明。
(计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力Pc,Max)
概况来说，首先获取控压钻井过程中的基本参数，基于基础参数计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力。
(1)根据钻井设计、控压钻井实钻数据获取所需的基本参数。
基本参数包括地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力、地层漏失压力系数、当前井身结构、钻具结构、钻井液性能数据(密度、流变性)、套管强度、初始井口套管压力、立管压力、循环排量、地面控压钻井系统设备压力级别等。
其中，地层孔隙压力系数、破裂压力系数、坍塌压力系数及漏失压力系数是约束井底压力的基础条件，是确定气侵控制过程中井底压力控制的约束条件，都是地质预测给出或是通过实钻数据求取的；井身结构数据、钻具结构数据是计算循环压降(环空附加压力及附加当量循环密度ECD)的基础参数；钻井液性能数据是气侵控制循环过程中计算循环压降的基础参数。获取套管强度的目的是为了确保循环排溢过程中不会因为提高井底压力而压破套管。最大井口套管压力主要由控压设备硬件条件约束。
(2)根据基础参数计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力。
在获取井口最大允许套管压力的过程中，主要包括如下步骤计算循环控制气侵和停止循环时避免压破套管鞋的井口的最大允许套管压力和井下薄弱地层的最大允许套管压力；分别比较循环控制气侵和停止循环的避免压破套管鞋的最大允许套管压力、井下薄弱地层的最大允许套管压力和地面控压钻井系统设备压力级别确定最大允许套管压力。
(2-1)计算不同情况下的井下最大允许套管压力。
最大允许套管压力就是使井底压力达到地层破裂压力(或漏失压力)的套管压力，在MPD正常钻进中通常指节流管汇最高节流压力。具体来说，基于套鞋处的地层破裂或地层漏失压力梯度、停止循环时套管鞋处的静态当量泥浆密度、套管鞋处的垂深和套管鞋处由于循环压降引起的附加当量密度计算循环控制气侵和停止循环时的井口最大允许套管压力。
在停止循环情况下考虑静液柱压力，首先为了避免压裂套鞋，井口的最大允许套管压力可运用下式(1)进行计算：
Pc,Max-shoe-s＝0.00981(ρf,shoe-ESDshoe)TVDshoe (1)
式中：Pc,Max-shoe-s为停止循环时避免压破套管鞋的最高允许套管压力，MPa；ρf,shoe为套鞋处的地层破裂(或地层漏失)压力梯度，g/cm3；ESDshoe为停止循环时套管鞋处的静态当量泥浆密度，g/cm3；TVDshoe为套鞋处垂深，m。
在循环情况下，则计算最高允许套管压力时需要考虑环空压降，因此用如下式(2)计算循环情况下井口的最大允许套管压力：
Pc,Max-shoe-c＝0.00981(ρf,shoe-ESDshoe-ΔECDshoe)TVDshoe (2)
式中：Pc,Max-shoe-c为正常循环情况下避免压破套管鞋的最大允许套管压力，MPa；ΔECDshoe为套鞋处由于环空压降引起的附加当量密度，g/cm3。
在MPD钻井过程中，除套鞋位置属于薄弱点外，裸眼段也有可能存在地层破裂(漏失)压力梯度较低的情况，因此，本例基于井下薄弱地层的地层破裂(漏失)压力梯度、停止循环时井下薄弱地层的静态当量泥浆密度、薄弱地层垂深和井下薄弱地层由于环空压降引起的附加当量密度计算循环控制气侵和停止循环时的井下薄弱地层的最大允许套管压力。
具体通过如下式(3)来计算裸眼地层的地层薄弱点所允许的最高套管压力：
Figure BDA0001287299180000081
式中：Pc,Max-BH1-s为停止循环时避免井下薄弱地层被压破(或压漏)的最高允许套管压力，MPa；ρf,BH1为井下薄弱地层的地层破裂(或地层漏失)压力梯度，g/cm3；ESDBH1为停止循环时井下薄弱地层的静态当量泥浆密度，g/cm3；ΔECDBH1为井下裸眼薄弱地层由于环空压降引起的附加当量密度，g/cm3；TVDBH1为薄弱地层垂深，m；Pc,Max-BH1-c为正常循环情况下避免井下薄弱地层被压破的最高允许套管压力。
根据上述表达式就可以计算最高允许极限套管压力，在计算分析过程中如果地层漏失压力系数小于地层破裂压力系数，则需采用地层漏失压力系数进行分析计算，即在此情况下将(3)中的地层破裂压力梯度换成地层漏失压力梯度。
(2-2)确定最大允许套管压力。
分别确定循环控制气侵和停止循环控制气侵下最高允许套管压力，对于非循环控制则需要将Pc,Max-BH1-s、Pc,Max-shoe-s和地面控压钻井系统设备压力级别三者进行对比分析，最小者则为静止状态下的最高允许套管压力Pc,Max_s；对于循环控制情况则需要将Pc,Max-BH1-c、Pc,Max-shoe-c和地面控压钻井系统设备压力级别三者对比，将最小者确定为最高允许套管压力Pc,Max_c。
(最大循环排量和不同循环排量下的井底压力增加值的计算)
关于最大循环排量，其是地面循环系统设备允许的最大排量，与地面设备允许的立管压力有关，此时需要结合钻井水力学计算模型以气侵前循环排量为起始值，按ΔQ为增量迭代求取计算立管压力等于允许立管压力的排量，则此排量值即为最大允许循环排量。
另外，不同循环排量下的井底压力增加值主要是基于钻井水力计算模型计算，计算模型较多，需要根据现场实际的钻井液性能优选计算模型，进而得到井底压力的附加值。
(计算分析气侵排溢过程中控制该气侵所需要的期望套管压力(井口压力))
具体地，根据当前气侵量大小模拟计算分析气侵排溢过程中控制该气侵所需要的井口压力(期望套管压力)。
需要说明的是，期望套管压力是指当气侵发生时，为了抑制地层流体进一步侵入井筒，能够将气侵溢流有效控制并将其安全循环出井所需的最高井口套管压力(简称“井口压力”或“井口回压”)。一般在控压钻进过程发生气侵的情况多为井底部位发生气侵，在停泵不循环情况下为了保持井底压力恒定，则井口所需的井口回压如下式表示：
Pc,Exp-s＝Pc,init+ΔPaf,bh+ΔPsf (4)
式中：Pc,Exp-s为停泵状态下发生气侵后所需的井口压力，MPa；Pc,init为气侵发生前的初始套管压力，MPa；ΔPaf,bh为发生气侵前由环空压降引起的井底压力增加值，MPa；ΔPsf为安全系数，MPa。
在循环情况下所需的井口回压则用如下方程表示：
Pc,Exp-c＝Pc,init+0.00981ΔρUBTVDBH+ΔPstatic+ΔPsf+ΔPaf,ΔQ (5)
式中：ΔPaf,ΔQ为循环排溢过程中排量变化所引起的井底压力变化量，MPa。
根据如上两个表达式即可对一定气侵强度下气侵控制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ΔPstatic、环空压降变化量ΔPaf,bh及循环排量变化引起的井底压力变化量ΔPaf,ΔQ是随着气体上移而不断变化的，不是单一固定值，需要结合控压钻井气液两相流模型进行计算分析后得到，特别对于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，因此一般以气体循环至井口所需的井口压力为所需期望套管压力，但仍然是一种模拟循环计算过程。而且，期望套管压力的计算是一个动态过程，随着气侵流体上移，井口所需套管压力不断变化。需要说明的是，压井过程的多相流模型，在控压钻进过程中需要考虑回压动态调节的影响，该模型为本领域公知内容，此处不再赘述。
在式(4)及(5)中，为了能够保证安全地对气侵进行有效控制，在计算期望套管压力时增加了安全系数ΔPsf，主要是考虑在检测到气侵到采取有效控制措施的时间间隔内可能有地层流体进一步侵入井筒而导致所需井口压力增高的影响。
具体示例：
某井钻进至1675m处发生气侵，根据出入口流量计算监测到5min内侵入0.55m3气体。根据前述计算方法需要制定相应的控压钻井气侵控制方案。
(1)获取基础数据
该井地层孔隙压力系数1.28g/cm3、1300m处易漏失，漏失压力系数1.5g/cm3、套鞋处破裂压力系数2.2g/cm3；钻井液密度1.32g/cm3，采用赫谢尔-巴尔克莱模型描述其流变性，钻井液屈服应力0.38Pa，稠度系数0.083Pa·sn，流性指数0.72。该井表层采用13-3/8”套管下至557.34m，随后采用12-1/4”钻头进行二开钻进，钻具结构数据如下表给出。
表4.6某井钻具结构数据
Figure BDA0001287299180000101
Figure BDA0001287299180000111
该井井斜垂深数据如下表给出。
表4.6某井井斜数据
<u>序号</u> <u>井深/m</u> <u>井斜/°</u> <u>方位/°</u> <u>垂深(m)</u>
1 0 0 0 0
2 600 0 0 600
3 700 15 59.39 698.9
4 800 30 59.39 791.0
5 854.41 38.16 59.39 836
6 900 38.16 59.39 871.9
7 1000 38.16 59.39 950.5
8 1200 38.16 59.39 1107.6
9 1500 38.16 59.39 1343.4
10 1675 38.16 59.39 1481
(2)计算井下最高允许套管压力
套鞋处破裂压力梯度2.2g/cm3，井筒ESD为1.32g/cm3，套鞋处井底垂深557.34m，将数据带入方程(1)即可得到不循环情况下的套鞋处最高允许套管压力4.81MPa：
Pc,Max-shoe-s＝0.00981(ρf,shoe-ESDshoe)TVDshoe
＝0.00981×(2.2-1.32)×557.34＝4.81
在循环情况下，计算井口允许的最高压力时需要考虑循环压降对套鞋处的影响，该井循环排量54L/s时在套鞋557.34m处所产生的附加0.014g/cm3，则运用式(2)计算可得循环情况下最高井口允许套管压力为
Pc,Max-shoe-c＝0.00981(ρf,shoe-ESDshoe-ΔECDshoe)TVDshoe
＝0.00981(2.2-1.32-0.014)×557.34＝4.73
由基础数据可知该井在1300m(垂深1205.59m)处地层漏失压力系数为1.5g/cm3，排量54L/s时1300m处循环当量附加密度为0.0156g/cm3，因此根据式(3)计算1300m处允许最高套管压力：
Pc,Max-BH1-s＝0.00981(ρf,BH1-ESDBH1)TVDBH1
＝0.00981×(1.50-1.32)×1205.59＝2.13
Pc,Max-BH1-c＝0.00981(ρf,BH1-ESDBH1-ΔECDBH1)TVDBH1
＝0.00981×(1.50-1.32-0.0156)×1205.59＝1.94
(3)确定最高允许套管压力
按循环控制气侵及停止循环进行气侵控制分别确定两种方式下最高允许套管压力，井口控压钻井系统设备压力级别10.5MPa，对比Pc,Max-BH1-c、Pc,Max-shoe-c和地面控压钻井系统设备压力级别，确定最高允许套管压力：
Pc,Max_c＝Pc,Max-BH1-c＝1.94MPa
(4)计算期望套管压力
由于出口流量监测直接确定地层发生0.55m3气侵，所以直接根据式(5)对气侵排溢过程中所需的井口回压，由于该井气侵发生在下钻循环过程中，因此设置安全系数ΔPsf＝0，期望套管压力计算是一个动态过程，随着气侵流体上移，井口所需套管压力不断变化，因此在此给出了计算模拟所得的期望套管压力随时间变化关系曲线如图4所示。
(5)气侵控制方案的制定
由于前面计算所得期望套管压力远小于最高允许套管压力Pc,Max_c，因此在该实施例中略去了“循环排量调整计算分析”，直接进行气侵控制方案的制定。由于该井在循环过程中发现气侵，因此采用图2所给出的方案制定流程进行气侵方案制定：即直接采用循环排溢方法进行气侵排溢，排溢过程中套管压力设置值采用模拟计算的期望套管压力进行设定。
(6)气侵控制效果
根据上述计算分析采用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5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，由图中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。
综上所述，本发明实施例提出了一种控压钻井气侵发生后的气侵控制方案优选制定的方法，该方法能够满足控压钻井气侵安全控制与循环排溢的要求。该方法基于控压钻井实钻数据、井身结构、钻具结构、地层参数及气侵强度等，通过定量计算分析，快速准确的制定最优的控压钻井气侵控制方案，该方法容易实现，气侵控制效果好，能够满足控压钻井气侵控制与排溢的操作。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于控压钻井的气侵控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
判断当前钻井过程中是否发生气侵溢流；
根据气侵溢流发生的判定结果，选取气侵控制方案实施气侵控制，将气侵安全循环出井筒，其中，在确定发生气侵溢流时，选取直接循环排溢方案，或者，在不确定发生气侵溢流时，则选取包含有停泵溢流检测方案的复合排溢控制方案，
所述直接循环排溢方案根据气侵控制过程中井口最大允许套管压力和气侵排溢过程中控制该气侵所需的期望套管压力判断是否有合适的排量值进行循环排溢以完成气侵控制；所述复合排溢控制方案进一步判定气侵溢流是否发生，在进一步判定发生气侵溢流时，根据气侵控制过程中井口最大允许套管压力和气侵排溢过程中控制该气侵所需要的期望套管压力判断是否有合适的排量值进行循环排溢以完成气侵控制；
其中，所述直接循环排溢方案进一步包括如下步骤，
获取控压钻井的基础参数，基于所述基础参数计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力；根据气侵量的大小模拟计算气侵排溢过程中当前循环排量下控制该气侵所需要的期望套管压力；判断所述期望套管压力是否小于最大允许套管压力，
其中，若所述期望套管压力小于最大允许套管压力，则直接按照模拟计算的期望套管压力进行动态调节；否则，调整循环排量，模拟计算不同循环排量下的期望套管压力和立管压力，判断是否存在一循环排量下的期望套管压力小于最大允许套管压力且立管压力小于最大立管压力，若存在，则提高排量至该循环排量，并按照模拟计算的该循环排量对应的期望套管压力进行动态调节，若不存在，则关井以准备压井作业；
所述复合排溢控制方案的停泵溢流检测方案进一步包括如下步骤，
计算当前循环排量下的环空压降，判断回压泵是否能提供当前井口回压、当前循环排量环空压降引起的井底压力增加值和安全系数之和的井口回压；若回压泵不能提供所述井口回压，则关井以准备压井作业，否则停泵并监测流量变化，在井筒有钻井液流出时，确定发生气侵溢流。
2.根据权利要求1所述的气侵控制方法，其特征在于，在进一步判定发生气侵溢流时，执行如下步骤：
获取控压钻井的基础参数，基于所述基础参数计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力；根据气侵量的大小模拟计算气侵排溢过程中停泵前循环排量下控制该气侵所需的期望套管压力；判断所述期望套管压力是否小于最大允许套管压力，
其中，若所述期望套管压力小于最大允许套管压力，则启泵至停泵前排量并按照模拟计算的期望套管压力进行动态调节；否则，调整循环排量，模拟计算不同循环排量下的期望套管压力和立管压力，判断是否存在一循环排量下的期望套管压力小于最大允许套管压力且立管压力小于最大立管压力，若存在，则启泵提高排量至该循环排量，并按照模拟计算的该循环排量对应的期望套管压力进行动态调节，若不存在，则关井以准备压井作业。
3.根据权利要求1或2所述的气侵控制方法，其特征在于，在计算气侵控制过程中井口最大允许套管压力的步骤中，进一步：
计算循环控制气侵和停止循环时避免压破套管鞋的井口最大允许套管压力和井下薄弱地层的最大允许套管压力；
比较循环控制气侵和停止循环时所述避免压破套管鞋的井口最大允许套管压力、井下薄弱地层的最大允许套管压力和地面控压钻井系统设备压力级别，确定最大允许套管压力。
4.根据权利要求3所述的气侵控制方法，其特征在于，
基于套管鞋处的地层破裂或地层漏失压力梯度ρf,shoe、停止循环时套管鞋处的静态当量泥浆密度ESDshoe、套管鞋处的垂深TVDshoe和套管鞋处由于循环压降引起的附加当量密度ΔECDshoe计算循环控制气侵和停止循环时的井口最大允许套管压力；
其中，ρf,shoe、ESDshoe、ΔECDshoe的单位为g/cm3；TVDshoe的单位为m。
5.根据权利要求4所述的气侵控制方法，其特征在于，利用如下表达式计算循环控制气侵和停止循环时井口的最大允许套管压力：
Pc,Max-shoe-s＝0.00981(ρf,shoe-ESDshoe)TVDshoe
Pc,Max-shoe-c＝0.00981(ρf,shoe-ESDshoe-ΔECDshoe)TVDshoe
其中，Pc,Max-shoe-s为停止循环时避免压破套管鞋的最大允许套管压力，MPa；Pc,Max-shoe-c为正常循环情况下避免压破套管鞋的最大允许套管压力，MPa。
6.根据权利要求3所述的气侵控制方法，其特征在于，
基于井下薄弱地层的地层破裂或地层漏失压力梯度ρf,BH1、停止循环时井下薄弱地层的静态当量泥浆密度ESDBH1、薄弱地层垂深TVDBH1和井下薄弱地层由于环空压降引起的附加当量密度ΔECDBH1计算循环控制气侵和停止循环时井下薄弱地层的最大允许套管压力；
其中，ρf,BH1、ESDBH1、ΔECDBH1的单位为g/cm3；TVDBH1的单位为m。
7.根据权利要求6所述的气侵控制方法，其特征在于，利用如下表达式计算循环控制气侵和停止循环时井下薄弱地层的最大允许套管压力：
Pc,Max-BH1-s＝0.00981(ρf,BH1-ESDBH1)TVDBH1
Pc,Max-BH1-c＝0.00981(ρf,BH1-ESDBH1-ΔECDBH1)TVDBH1
其中，Pc,Max-BH1-s为停止循环时避免井下薄弱地层被压破或压漏的最大允许套管压力，MPa；Pc,Max-BH1-c为正常循环下避免井下薄弱地层被压破或压漏的最大允许套管压力，MPa。
8.根据权利要求1所述的气侵控制方法，其特征在于，在模拟计算控制该气侵所需要的期望套管压力的步骤中，利用如下表达式来计算：
Pc,Exp-s＝Pc,init+ΔPaf,bh+ΔPsf
Pc,Exp-c＝Pc,init+0.00981ΔρUBTVDBH+ΔPstatic+ΔPsf+ΔPaf,ΔQ
其中，Pc,Exp-s为停泵状态下发生气侵后所需的期望套管压力，MPa；Pc,Exp-c为循环状态下所需的期望套管压力，MPa；Pc,init为气侵发生前的初始套管压力，MPa；ΔρUB为气侵发生前井底当量循环密度ECD与地层压力系数的差值，g/cm3；TVDBH为地层垂深，m；ΔPstatic为气侵发生后井筒内的静液柱压力降低值，MPa；ΔPaf,bh为发生气侵前的环空压降所引起的井底压力增加值，MPa；ΔPaf,ΔQ为循环排溢过程中排量变化所引起的井底压力变化量，MPa；ΔPsf为安全系数，MPa。
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