物质平衡方法在快速钻井决策中的新应用

张凤喜，李世奇，牟哲林，马国新

（1．上海石油天然气有限公司，上海200041；2.中国石油集团川庆钻探国际工程公司，四川成都610051）

物质平衡方法在快速钻井决策中的新应用

张凤喜1，李世奇2，牟哲林1，马国新1

（1．上海石油天然气有限公司，上海200041；2.中国石油集团川庆钻探国际工程公司，四川成都610051）

海上某综合平台老井眼开窗侧钻而成的勘探兼开发挖潜井出现高压溢流等险情，采取抢险救援措施后，对高压层段成功进行了封固。若高压气体突破封堵段沿井筒进入上部低压储层，势必会引发一系列复杂问题，并可能对地面平台安全造成威胁。针对是否紧急调派多艘钻井船资源部署实施多口泄压救援井，亟需作业者快速决策。在高压气藏储量计算的基础上，从油藏工程角度出发，将经典物质平衡方法引入到钻井工程决策中，对高压气体上窜至上部低压储层后的压力及气窜量进行了计算研究，快速得出了分析结果并进行安全性评价，可为工程紧急决策提供数据支撑和理论参考。

物质平衡；钻井决策；高压气藏；气体上窜

1　研究背景

A油气田位于我国某近海海域，自投产以来取得了较好的开发效果及超预期的经济效益，但目前已进入开发中后期。为实现油气田产能接替，作业者在积极进行周边滚动勘探的同时，也加强了对已开发区的挖潜研究。基于此目的，在老井眼基础上开窗侧钻而成一口勘探兼开发挖潜井（B井），欲既能实现对上部在产气藏的挖潜，又能实现对深部储层的勘探。

B井在钻至某一深度时（高压层，地质分层的P12层）发生溢流（压力系数1.82），压井过程中出现钻杆刺漏、平台地面阻流管线等设施多处刺漏等险情。在采用滴灌法循环排气压井等一系列措施都未能见效的状况下，采用连续油管自钻杆下入建立循环，对钻杆进行切割，后继续通过连续油管循环排气，下入4级桥塞并交替封堵10段水泥塞，最终完井、弃井。套管鞋处恰对应一水层（低压层，地质分层的H8层）的底部，经钻井地层破裂压力实验证实，该层地层破裂压力系数约为1.70，对应地层破裂压力为48.77 MPa。

经套管受力情况分析，高压层气体压破套管风险较小，套管重叠段封固能力也较好。但为安全起见，假定高压气体在钻杆切割位置处窜入H8水层，使得高低压层经井筒形成沟通通道，进而对低压层进行充注。通过对高能气体压裂、爆炸压裂等压裂方法机理进行调研，认为高压气体对H8层产生的压力效果类似于高能气体压裂，而高能气体压裂形成的裂缝为径向多裂缝系统，很难形成高度、长度延伸较远的单条缝［1-5］。因此，高压气体若突破套管封固段，应首先对H8层进行充注（初期瞬间伴有井筒周边小范围围岩破裂），若该层难以有效容纳窜入气量，则气体进一步上窜至上部储层，会引发一系列复杂问题，并可能对海上生产平台的安全造成威胁，这就需要实施救援井钻井工作。针对是否进行救援作业需业主方快速决策，以便确定是否紧急调拨多艘钻井船就位。

在高压气藏储量计算的基础上，从油藏工程角度考虑，借助经典物质平衡方法对高压气体上窜至上部低压储层后的压力及气窜量进行了计算，从而快速为工程决策提供参考。

2　物质平衡方程

依据气藏物质平衡通式［6-12］，针对高压层及常压水层分别建立物质平衡方程。

对于高压层，在不考虑水体侵入的条件下，气体产出量=气体膨胀量+孔隙体积减小量，即：

对于常压水层，在不考虑岩石压缩性及气体在水中溶解度的前提下，气体注入量=水体体积变化量，即：

式中：GP为高压气体窜出量，108m3；G为高压气体储量，108m3；p0为高压层原始地层压力，MPa（已知）；p为高压层泄压后地层压力，MPa（未知）；p2为低压层注入气体后地层压力，MPa（假定井筒内静气柱压力3 MPa，则p2=p-3）；pH为低压层原始地层压力，MPa（已知）；h为低压层厚度，m；A为低压层砂体面积，km2；φ为孔隙度；Bgi为原始压力下的气体体积系数，0.002 77 m3/ m3；Bg1，Bg2分别为压力p，p2下的气体体积系数；Sw，Swi分别为高压层原始含水饱和度及束缚水饱和度；Sw2为低压水层含水饱和度；Cw，Cw2分别为高压层及低压水层的地层水压缩系数，10-4MPa-1；Cf为高压层岩石压缩系数，10-4MPa-1。

3　关键参数确定与求解步骤

3.1关键参数确定

异常高压气藏由于地层压实、流体充注等多方成因的影响，致使高压气藏岩石压缩系数、高压天然气偏差系数等成为在实际开采过程中或者在开采初期的气藏工程计算中（储量确定、采收率计算等）必须要考虑的因素。

3.1.1高压天然气偏差系数

偏差系数Z是计算气体体积系数的关键参数。李相方等［13］根据Standing和Katz的天然气偏差系数图表，发现偏差系数曲线在高压段呈直线趋势，根据高压段数据，采用多重高阶曲线拟合方法，建立了高压天然气偏差系数高精度解析模型。通过在现场实际应用及研究发现，该方法更适用于高压和超高压条件下天然气偏差系数的工程计算。

式中：ppr为拟对比压力；Tpr为拟对比温度。

3.1.2高压气藏岩石压缩系数

通常岩石压缩系数Cf通过岩心实验借助Hall图版来获取，由于未曾进行岩心实验，对于异常高压油气藏，应用陈元千等学者总结的经验公式来确定［14-15］。

式中：H为高压油气藏的埋深，m。

3.1.3地层水压缩系数

高压层地层水压缩系数Cw及低压水层地层水压缩系数Cw2，借鉴邻井岩心实验数据确定，取值分别为6.5×10-4，4.9×10-4MPa-1。

3.1.4含水饱和度

高压层原始含水饱和度Sw及束缚水饱和度Swi，由测井解释获取数据，分别取0.40，0.22；低压水层含水饱和度Sw2，取值为1。

3.2求解步骤

分析方程（1）、（2）所构成的方程组不难看出，仅p，Bg1，Bg2为未知数，求解思路如下：

1）给定高压层泄压后的地层压力p，则低压水层H8充注后地层压力为p2（p2=p-3）。

2）计算p，p2压力下对应的拟对比压力和拟对比温度。

3）计算天然气偏差系数Z，进而计算压力p，p2下的气体体积系数Bg1，Bg2。

式中：psc为地面标准压力，MPa；Tsc为地面标准温度，K；pn为对应地层压力，MPa；Tn为对应地层温度，K。

4）由式（1）计算高压气层产出量GP，由式（2）计算低压水层气体充注后的压力p2，进而得出高压层泄压后地层压力pnew（pnew=p2+3）。

5）比较初始输入压力p与pnew的差距，若不在误差允许范围之内，即则将p-5后返回步骤1）中再次计算，重复步骤1）—4）；若在误差允许范围之内，即则可求得高压层泄压后的地层压力p，并得出高压层的泄出气量GP。

4　应用

按岩性、构造圈闭分别计算高压气藏的储量，针对异常高压层对低压层进行充注问题，按上述借助物质平衡方程所建立的方程组，依照迭代求解思路，以高压气层不同储量规模为基础，结合实钻地层参数，对高压气体窜入低压层的气量及充注平衡后的压力进行了计算，以此对工程安全性进行快速评估。具体计算参数及结果见表1。

表1　气窜量及平衡压力计算结果

从表1的计算结果来看：高压气藏储量规模为9× 108m3时，即使发生高低压层间的气窜，气窜量为2.72×108m3，气窜后低压层地层压力仅上升至42.00 MPa，小于该层的破裂压力（48.77 MPa），低压层不会被压破，亦不会形成安全隐患，无需再次采取措施；高压气藏储量规模为40×108m3时，气窜量为14.64×108m3，低压层经窜入气体充注，地层压力最终达52.00 MPa，已高于该层破裂压力，高压气体存在进一步上窜的可能，危险系数较高，亟需针对安全隐患采取诸如钻救援井进行泄压等应急措施。

5　结论

1）将经典物质平衡方法引入钻井决策中，对高压气体上窜至上部低压储层后的压力及气窜量进行了计算。该方法可快速得出分析结果并进行安全性评价，对工程现场紧急快速决策（是否紧急调动钻井船等资源进行钻井作业）具有较强的参考作用，可有效避免盲目决策导致的高额操作费用。

2）本文旨在利用基础方法解决工程问题的应用实践，拓宽了物质平衡方法的应用领域。该方法中关键参数的取值精度虽高，但由于方程限定条件仍相对较为理想，需进一步结合数值模拟等方法来确定气窜量及地层压力变化。

［1］薄其众，葛刚，马功联.高能气体压裂技术与应用［J］.海洋石油，2003，23（3）：69-71.

［2］蒲春生，任山，吴飞鹏，等.气井高能气体压裂裂缝系统动力学模型研究［J］.武汉工业学院学报，2009，28（3）：12-17.

［3］石崇兵，李传乐.高能气体压裂技术的发展趋势［J］.西安石油学院学报（自然科学版），2000，15（5）：17-20.

［4］杨卫宇，张廷汉，张永良.高能气体压裂径向多裂缝延伸数值模拟方法［J］.西安石油学院学报（自然科学版），1993，8（3）：1-4.

［5］李文魁.高能气体压裂技术在油气资源开发中的应用研究［J］.西安工程学院学报，2000，22（2）：60-62.

［6］王怀龙，张茂林，郭沙沙，等.新型裂缝性页岩气藏物质平衡方程［J］.断块油气田，2015，22（2）：202-205.

［7］李士伦，孙雷，汤勇，等.物质平衡法在异常高压气藏储量估算中的应用［J］.新疆石油地质，2002，23（3）：219-223.

［8］刘启国，刘振平，王宏玉，等.利用生产数据计算气井控制储量和水侵量［J］.石油钻探技术，2015，43（1）：96-99.

［9］杨永庆.基于流动物质平衡原理计算气藏平均地层压力［J］.断块油气田，2015，22（6）：747-751.

［10］李弿，李相方，郭平，等.异常高压凝析气藏物质平衡方程推导［J］.天然气工业，2010，30（5）：58-60.

［11］陈元千.现代油藏工程［M］.北京：石油工业出版社，2001：117-120.

［12］丁景辰.裂缝性油藏注CO2物质平衡方程的建立与应用［J］.断块油气田，2014，21（2）：213-216.

［13］李相方，刚涛，庄湘琦，等.高压天然气偏差系数的高精度解析模型［J］.石油大学学报（自然科学版），2001，25（6）：45-46.

［14］陈元千.异常高压气藏物质平衡方程式的推导及应用［J］.石油学报，1983，4（1）：45-53.

［15］陈元千，胡建国.确定异常高压气藏地质储量和有效压缩系数的新方法［J］.天然气工业，1993，13（1）：53-58.

（编辑赵卫红）

New application of material balance method in fast drilling decision

ZHANG Fengxi1，LI Shiqi2，MU Zhelin1，MA Guoxin1
（1.Shanghai Petroleum Corporation Ltd.，Shanghai 200041，China；2.CCDC International Ltd.，Chengdu 610051，China）

Some dangerous situation appeared to the side well with exploring and developing purpose in some offshore drilling and production platform.The overpressure interval was successfully plugged after a series of relieve measures.If the high-pressure gas breaks through the sealed plug and enters into the Upper Formation with lower pressure，some complex problems may happen and the safety of the platform may be influenced.It is very urgent to carry out one or even more relief wells，which will need more drillships and high operating cost.On the basis of the evaluation of reserves of high-pressure gas reservoir，the breakthrough gas volume and the variation in pressure are calculated by use of material balance method from the reservoir engineering，which can provide some

for the project decision making and avoid the high cost due to blind decision.

material balance；drilling decision；abnormal pressure gas reservoir；gas migration

上海市科学技术委员会2013年度“科技创新行动计划”能源与海洋领域项目子课题“平湖油气田后期勘探与开采技术研究”（13DZ1203500）

TE21

A

10.6056/dkyqt201605025

2016-02-16；改回日期：2016-07-27。

张凤喜，男，1984年生，工程师，硕士，主要从事油气田开发动态分析研究工作。电话：021-22831403；E-mail：zhangfx@ shpc.com.cn。

引用格式：张凤喜，李世奇，牟哲林，等.物质平衡方法在快速钻井决策中的新应用［J］.断块油气田，2016，23（5）：655-657.

ZHANG Fengxi，LI Shiqi，MU Zhelin，et al.New application of material balance method in fast drilling decision［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：655-657.