普光气田非常规压井方法模拟研究

荣伟 申洪伟 侯学松 毛承江 唐江华

(中国石化中原油田普光分公司采气厂，四川 达州 635000)

普光气田属高压高含硫气田，其气藏埋藏深，地层压力系数大，井控风险控制尤为重要。对于失控的井喷，采用司钻法、工程师法等常规压井方法收效甚微，因此需要寻求非常规压井方法来实现压井作业。动力压井法是一种有效的失控井喷压井处理方法，不需要喷井井口提供任何控制措施，即可通过高速循环压井液的静液柱压力及其流动时产生的循环摩阻压降来平衡地层压力，从而控制井喷［1-3］。

1 动力压井法的基本原理

动力压井法是一种非常规井控方法，其原理是借助于水力系统流动摩阻压降及压井液静液柱压力来平衡地层压力，阻止地层流体进一步向井内流入，实现“动压稳”，之后逐次替入次重压井液和加重压井液，最后实现“静压稳”，从而达到控制井喷的目的。处理失控井喷及水平井、大位移井和小井眼井溢流的情况时，动力压井法比常规压井方法更具优越性。

动力压井法的基本要求是保持井底压力大于等于地层压力，小于地层破裂压力与钻柱从井内被喷出的最大许可井底压力之间的最小值［4］，即:

喷井井底压力为井筒流体流动摩阻压降和静液柱压力之和。在替入高密度压井液之前，应始终保持初始压井排量循环;在替入高密度压井液后，应及时调整排量，以防地层被压裂。

2 动力法压井井筒水力学模型

受现场条件所限，无法通过钻具完成动力压井。如现场井口已经损坏，且井已失控，或由于钻具内径较小，压井液流动摩擦损失过大，现场机泵条件不允许利用钻具本身进行动力压井作业。这时只能打救援井，使救援井与喷井相连通。

钻具底部通畅时实施动力压井示意图如图1所示，从救援井注入密度为ρm、体积流量为Q的压井液，通过喷井与救援井的连通处进入喷井，喷井井筒为组合流道的水力学系统，压井液在喷井中的流动为钻具外的环流Qa和钻具内的管流Qd。当压井液在喷井流道中静液柱压力加上流体摩阻压降等于地层压力时，地层流体不再进入喷井井筒，接着逐次改变压井液密度和体积流量，最终控制井喷。相对于钻头水眼堵塞的情况，此工况压井所需排量稍大，在压井作业过程中也应避免喷井内钻具被喷出。

喷井井筒压力梯度表示为［5］:

两相流静水压降部分表示为:

对于垂直流，sin θ=1。摩擦压降可以表示为:

加速度压降为:

式中，下标acc表示加速度项，下标f表示摩擦项。

图1 钻具底部通畅时实施动力压井示意图

3 动力法压井排量计算

当钻头水眼被堵时，喷井内的流动情况是压井液通过救援井进入喷井井筒，沿着钻具与井壁之间的环空向上流动，通过静液柱压力加上循环摩阻压降等于地层压力，实现将喷井压住。在这种情况下，钻铤与井壁、钻杆与井壁之间的不同尺寸的环空可以看成是一个串联的水力阻力系统，过程与钻具在井底时通过钻柱进行动力压井类似。

计算钻铤与井壁之间环空的流体流动阻力:

计算钻柱与井壁之间环空的流体流动阻力:

当钻头水眼通畅时，压井液会同时通过钻柱内部与环空向上流动。此时可以将钻柱内部与环空看成一个并联的水力系统，将环空流动看成是两部分摩阻的串联之和(钻铤与井壁之间的环空和钻杆与井壁之间的环空)，钻柱内的流动阻力则为液体在钻头、钻铤内、钻柱内的流动阻力之和。

在此情况下，有关系式［8-10］:

将式(8)、(9)看作:

由于Q=Qa+Qd，故存在:

则动力压井排量范围为:

式中:g— 重力加速度，0.009 81 m/s2;

H—喷井垂直井深，m;

Lc— 钻铤长度，m;

Ld— 钻杆长度，m;

dod— 钻杆外径，cm;

doc— 钻铤外径，cm;

did— 钻杆内径，cm;

dic— 钻铤内径，cm;

λc—钻铤与井壁之间的摩阻系数;

λd—钻柱与井壁之间的摩阻系数;

λic—钻铤内的摩阻系数;

λid—钻柱内的摩阻系数。

4 实例应用分析

4.1 某喷井概况

某喷井钻井组合及井身数据如表1所示。

表1 某井钻具组合及井身数据

首先计算喷井内钻具被喷出时所需要的最小井底压力。假设此时钻具在喷井井底，则忽略掉钻头，即假设钻具由钻柱和钻铤2部分组成。其中，钻柱长度为4 250 m，线重为372.4 N/m;钻铤长度为150 m，线重为1 328 N/m;钻具总重量为1 261 kN，压井液密度为1.0 g/cm3。通过喷井井内钻具受力软件计算出，将钻具从喷井井筒中喷出的最小井底压力为69 MPa，大于喷井地层破裂压力，因此可以应用喷井地层破裂压力确定压井所需最大排量。初始压井液密度为1.0 g/cm3，可以得到实现压井作业所需要的压井参数，并在此基础上分析主要参数对动力压井法的影响规律。

从动力压井的基本原理可以看出，动力压井所需的压井排量受井深控制。根据动力压井所需压井排量的计算方法，得出在其他条件不变的情况下动力压井所需压井排量与井深之间的关系(图2)。

4.2 喷井井深对动力压井所需排量的影响

由图2可见，动力压井所需的压井排量随着喷井井深的增加不断减小。这是因为压井液流道随着井深的增加而增加，压井液流动产生的摩擦阻力也将随着流道的增加而不断增加，从而导致井底压力随着井深的不断增加而增大。对于深井，动力压井所需的压井排量相对较小;而对于较浅井，由于其流体流道较短且静液压力较小，故动力压井所需排量相对较大，对现场机泵条件要求较高，因此动力压井法更加适用于水平井及大位移井。

图2 井深与动力压井所需排量的的关系

4.3 井眼尺寸对动力压井所需排量的影响

井眼尺寸是影响动力压井所需排量的一个重要参数。井眼尺寸越大，井筒中流体流道也就越宽，井筒中的摩擦阻力会越小，从而导致井底压力越小。为了达到预想的井底压力，增大压井排量，通过加大压井排量来增加环空流动摩擦阻力，这将会对现场机泵提出更高要求。

随着井眼尺寸的增大，动力压井所需的压井排量也不断增大(图3)，故压井所需排量随着井眼尺寸增大而增大。同时，如果井眼尺寸过小，最大压井所需排量与最小压井所需排量之间的差值也变小，这将会导致施工过程难以控制。

图3 井眼尺寸与动力压井所需排量的关系

4.4 钻具尺寸对动力压井所需排量的影响

动力压井所需排量随着钻具尺寸的增加而逐渐减少(图4)。如果喷井中有钻具，则实施压井作业时相对会容易一些，对现场的机泵条件要求也相应较低。现场实施动力压井作业时，喷井中的钻具尺寸越大，实施压井作业就会越容易。

图4 钻具尺寸与动力压井所需排量的关系

5 结语

动力压井技术是一种有效的失控井喷处理方法，不需要喷井井口作任何控制就能够通过高速循环压井液，利用压井液的静液柱压力及其流动时产生的循环摩阻压降来平衡地层压力即可控制喷井。

在喷井作业中，随着喷井井深的增加，压井所需排量逐渐减小;随着井眼尺寸的增加，压井所需排量逐渐增大;随着钻具尺寸的增加，压井所需排量逐渐减小。本次研究针对喷井的特点，建立起动力法压井井筒水力学模型，并通过实例分析验证了模型的实用性。

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