溢流环空压力峰值确定套管下深方法

霍宏博 许杰 谢涛 李金蔓 幸雪松 林海

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司；2.海洋石油高效开发国家重点实验室

孙振纯［1］曾指出中国钻井井控技术是在付出惨重代价并经过长期艰苦探索和不懈努力后形成的。预防和控制井喷是一个世界性的难题，各种井喷事故时有发生［2］，2010年美国墨西哥湾井喷再次为世人敲响警钟［3］。在国内，楚 29 井［4］、毛坝 1 井［5］、胜利油田老区［6］等钻井过程中发生溢流压井时都曾有过压漏地层的情况。套管下入深度是钻井设计阶段考虑控制地层漏失的重要因素，已有学者对井身结构与井控安全关系进行了研究，高德利［7］论述过井身结构套管设计方法，郝俊芳［8-10］、曾明昌［11］、刘凯［12］分析了关井压力对套管下深影响和井涌余量对影响套管下深选择，郝希宁［13］论证了影响井涌余量的相关因素，指出井涌强度是井涌余量的主控因素之一。地层压力预测的不确定性使井控变得复杂［4］，笔者提出通过计算不同深度、不同井涌强度下压井过程环空所达到的压力峰值，结合地层破裂压力确定套管下深。该设计方法可令地层压力不确定性可控，套管下深能够保证压井中地层不漏。

1 压井过程中环空液柱情况

Situation of annulus fluid column in the process of well killing

影响压井中环空压力峰值的因素包括：地层压力、井涌溢流量、关井时间、钻井液性能、溢流类型等。地层压力是影响压井过程中环空压力峰值最重要的因素，关井后溢流气柱压力接近地层压力，地层压力越高，关井压力越高［14-15］，压井过程环空压力峰值也越高，液体侵入井筒对环空压力影响较小，文中只研究气体溢流。

假设条件：给定井涌溢流量（关井后流体溢出量）和关井时间，侵入气体以单相连续气柱形式存在，采用司钻法压井，忽略气体溶解度影响，不考虑岩屑等固体影响，将关井时间、钻井液性能、压井排量等因素按照现场通用参数分析。循环排气过程为［16］：当钻进至某垂深，地面监测到溢流，硬关井，读取关井立压、关井套压。保持立管压力不变，用钻井液按照钻井排量的1/4～1/2进行循环，将地层溢流物循环出井筒，气柱上升过程中由于压力降低，体积增加，气体在环空中情况如图1所示。

图1 环空气体分布示意图Fig. 1 Schematic distribution of annulus gas

2 环空压力峰值计算方法

Calculation method for peak annulus pressure

气体上升至井口之前，在井筒这个密闭空间中，环空压力的改变为气柱体积变化在环空截面积下的液柱所产生的压力，以及环空循环压耗的叠加，即

忽略气体自重影响，气柱内压力为井底压力减去泵入钻井液产生液柱压力

此时气柱长度为［17］

合并公式（1）～（3），经过移项可得到开始循环后环空压力pa'的计算式

关井时，pa与pb关系为

气顶上升至井口前在任意时间的套压为

则地层任意一点x处，气顶未上升至该位置时，地层压力为

通过溢流强度Sk表征地层压力，使地层压力预测的不确定性可控，地层压力pb可以表示为

循环中，气体顶部到达到的位置压力最高［16］，到达峰值的时刻t为

根据公式（7）～（9）可计算出地层某位置在压井过程中所承受的最大环空压力。

式中，V为关井溢流量，m3；pa为关井套管压力，MPa；pa'为压井循环过程中套管压力，MPa；pb为地层压力，MPa；pfa为环空循环压耗，MPa；Zb、Zx分别为天然气在井底和井深x处的压缩系数，无量纲；Tb、Tx分别为天然气在井底和井深x处的温度，K；pL为气柱压力，MPa；A为环空截面积，m2；h为井垂深，m；t为开泵循环时间，s；Q为循环排量，m3/s；hw、hx分别为关井气柱高度和循环一段时间后气柱长度，m；Gm为钻井液压力梯度，MPa/m；Sk为溢流强度，t/m3；g为重力加速度。

3 套管下深图版

Chart of casing setting depth

以渤海某油田设计为例，该油田目的层垂深2600 m，预测地层孔隙压力为常压地层，地层破裂压力见表1，模拟钻进至垂深1 200 m，发现2 m3溢流后关井。

表1 地层破裂压力Table 1 Formation fracture pressure

模拟溢流强度Sk取0.05～0.09 t/m3，垂深420 m处环空压力随时间的变化如图2所示。

图2 循环排气过程环空压力随时间变化Fig. 2 Variation of annulus pressure over the time in the process of circulating out of the gas

将不同溢流强度下的压力峰值绘制在以井涌强度为横坐标，以压力为纵坐标的图中，可得到套压峰值随井涌强度的变化如图3所示。

当井涌强度为0.07 t/m3时，环空压力峰值为7 MPa，达到垂深420 m的破裂压力，即该油田套管下入至垂深420 m可以满足井涌强度0.07 t/m3的井控安全。

按上述方法，模拟300 m、340 m、380 m、420 m、460 m处的压力峰值变化，得到井筒内不同井深处，随井涌强度变化的压力峰值图版，如图4所示。

图3 环空压力峰值随井涌强度变化Fig. 3 Variation of peak annulus pressure with the well kick strength

图4 垂深1 200 m井涌强度图版Fig. 4 Chart of well kick strength at the vertical depth of 1 200 m

通过图4可知，下入至垂深380 m可以保证0.05～0.06 t/m3井涌余量的压井安全，下入至垂深460 m可以保证0.10 t/m3井涌余量的压井安全。

4 结论

Conclusions

（1）该方法针对从溢流关井至污染钻井液循环出井筒的全过程，建立了基于环空最高压力的套管下深计算方法，得到井控过程中任意位置环空压力动态变化规律。

（2）应用该图版，可由环空压力峰值确定套管下深，明确循环排气过程中压漏地层的风险。

（3）本方法可明确套管下深对井控安全的影响。

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