水平井钻井过程中气侵风险预警研究

张好林，李 军，范国宏

（1中国石化石油工程技术研究院2中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司3中国石油集团渤海钻探工程有限公司第三钻井分公司）

张好林等.水平井钻井过程中气侵风险预警研究.钻采工艺，2019，42（5）：16-19

目前，研究者对于钻井气侵的检测已形成了一部分研究成果［1-5］，包括声波、井底压力随钻测量、气侵量理论计算等。本文则在此基础上，利用改进的耦合温度压力场的气液两相流模型，分析不同组分气侵发生时井底压力变化规律，基于欠平衡钻井压力划分对气侵井涌风险进行等级划分及预警。形成的模型方法结合地质模型数据及现场实时录井数据，对水平井钻井过程中的气侵风险进行实时计算及预警。

一、模型基本假设

侵入流体在环空中作一维不稳定流动；井筒中的传热为稳态传热，井筒周围地层传热为非稳态传热；井筒和周围地层沿径向传热；在传热过程中，忽略套管和钻杆热阻；气液两相间热力学平衡，过流断面任意位置气液两相温度和压力相等；不考虑岩屑对气液两相流流动的影响。

二、钻井井筒温度场模型

1.井筒传热模型

井筒温度场的计算采用经典的Hasan和Kabir模型［6-8］，假设井口方向为正方向（图1），基于环空钻井液能量守恒，可得：

式中：Qa（Z+d z）—环空下部流入热量传递速度，J／s；Qa（Z）—环空上部流出热量传递速度，J／s；Qf—地层往环空传递热量速度，J／s；Qda—环空往钻柱传递热量速度，J／s；Z—井筒长度，m；dz—井筒微元体单位长度，m。

基于内能表达式，方程（1）变形可得：

地层到环空内的热量传递速度为：

环空中钻井液往钻柱内的热量传递速度Qda为：

式中：cfl—钻井液的比热，J／（kg·K）；w—井筒内钻井液质量流量，kg／s；kf—地层导热系数，W／（m·K）；rco—环空外径，m；Ua—地层到环空内钻井液的总传热系数，W／（m2·K）；TD—瞬态传热系数，无量纲；Tf—地层温度，K；Ta—井深Z处环空钻井液温度，K；rdi—钻柱内径，m；Ud—环空中钻井液到钻柱的总传热系数，W／（m2·K）；Td—钻柱温度，K。

图1 井筒流动和传热模型

2.传热系数计算

2.1 井筒总传热系数

井筒总传热系数的通用计算公式为：

式中：U—井筒总传热系数，W／（m2·K）；rdo—钻柱外径，m；rdi—钻柱内径，m；hdo—钻柱对流换热系数，W／（m2·K）；kd—钻柱导热系数，J／（m·K）；hc—套管对流换热系数，W／（m2·K）；rci—套管内径，m；kc—套管导热系数，J／（m·K）；rco—套管外径，m；kcem—水泥环导热系数，J／（m·K）。

2.2 钻井液对流传热系数

钻柱中及环空钻井液对流换热系数计算采用业内学者广泛应用的计算公式［9］。

2.3 气液两相流传热系数

两相流不同流型下其对流换热系数差异较大，为了满足计算精度的需求，不同流型下应当选择不同的对流换热系数。美国俄克拉荷马州立大学化学工程学院研究所证实，在两相流流动过程中：泡状流流型，建议使用Aggour模型；分散泡流流型，建议使用Knott等人的模型；段塞流和搅拌流流型，建议使用Rezkallah and Sims模型；环状流流型，建议使用Ravipudi and Gobold模型［10］。

3.喷嘴温降

钻头处喷嘴的温度变化的计算采用下面的计算公式：

式中：ΔTb—钻头喷嘴温降，K；Q—钻井液排量，l／s；CT—钻头喷嘴处压力转换系数，无因次；kb—钻头处热量转化系数，无因次。

三、气侵井筒多相流模型

气侵后井筒整个分成三部分：井底气体侵入部分、已侵入气体与钻井液一同上升部分、井筒最上部钻井液单相流动部分。这三部分符合物理守恒定律，满足分组守恒定律。

1.连续性方程

游离气相连续方程：

溶解气相连续方程：

钻井液相连续方程：

式中：Aa—环空截面积，m2；t—时间项，s；z—空间项，m；Eg，Es，Em—分别为气体游离项、溶解项、钻井液项各项所占总体积的体积分数，无因次；ρg，ρs，ρm—分别为气体游离项、溶解项、钻井液项各项密度，kg／m3；vg，vs，vm—分别为气体游离项、溶解项、钻井液项各项的流动速度，m／s；qi，qs—分别为气体侵入速度和溶解速率，kg／s。

2.动量方程

（1）在井底气体侵入部分、已侵入气体与钻井液一同上升部分，可以统一动量方程：

式中：g—重力加速度，m／s2；p—压力项，Pa。

（2）井筒最上部钻井液单相流动部分，只有液相，其动量方程为：

3.能量方程

能量方程主要是确定井筒的温度分布，基于前面的钻井井筒温度场模型进行计算。

四、辅助方程

气体速度为表观速度和滑脱速度之和［11-16］：

式中：vg—气体项实际速度，m／s；co—速度分布系数，无因次；vss—溶解项表观速度，m／s；vsm—钻井液项表观速度，m／s；vsg—酸性气体项表观速度，m／s；vgr—气体滑脱速度，m／s。

五、气侵后井涌风险监测

元坝气田位于四川盆地北部，横跨九龙山背斜的西南倾覆端与中部低缓构造带。井下复杂情况与故障频发，在完成井中，平均井下复杂情况和故障时效高达11.02%。多数井在千佛崖组一须家河组井段钻遇了高压层，共发生溢流6次。选用该区块进行地质建模，利用本文方法对气侵风险进行计算预警，其中地质模型主要用于提取沿井地层渗透率及孔隙压力数据用于计算。

1.气侵后井涌风险判别

根据上述计算模型，提取地质模型中的当前井的地层参数，调用数据库实时数据既可计算井内气侵情况，对不同气侵量气侵后造成井内压力下降值进行计算，通过判别井内压力下降值，对气侵后井涌风险进行预警判别。

气侵后井涌风险等级划分参考欠平衡钻井压力划分，分为5个等级，如表1所示。

2.应用实例

整理加载元坝12井相关数据，包括钻井基础数据、井身结构数据、钻头及钻井参数数据、钻具组合使用设计数据、钻柱明细数据、钻井液性能设计数据、地层分层设计数据、井眼轨迹设计分点数据、岩性剖面数据和地质情况描述等。进行随钻气侵风险验证性预测。

随钻风险识别是在钻井阶段基于录井数据和地质数据进行风险的监测，从而降低风险发生概率。由于元坝12井是完钻井，因此地质力学参数采用的是其测井解释成果及模型提取。通过读取真实的录井数据，模拟实际的钻井状态，其中地层孔隙压力和ECD采取随钻计算的方式，从而提高风险预测的准确性。

表1 气侵后井涌风险等级划分

如图2所示，模拟计算井深4 646 m左右的位置发生气侵井涌风险，严重度和可信度均较高，因此井涌属于高风险。分析压力曲线，可以看出ECD和地层孔隙压力曲线相差较小，孔隙压力则属于正常范围。如图3所示，在井深4 656 m录井总烃值升高到90%以上，说明有气侵发生，工程参数实时预警也显示有井涌高风险的发生，查看完钻复杂故障的发生情况，与预测结果基本相符，证明该计算方法切实可行。

图2 元坝12井随钻井涌风险预测结果

图3 元坝12井随钻井涌工程参数预警结果

六、结论与建议

（1）考虑温度压力耦合建立改进的气侵井筒两相流动模型，针对海相碳酸盐岩地层不同气体组分的气侵情况，可计算不同气侵情况井底压力变化规律。

（2）利用气侵后井底压力变化结合欠平衡钻井压力划分，可以对气侵后的风险等级进行划分及预警，在元坝试验井中气侵预警结果与基于征兆风险判别结果和实际风险情况相吻合。

（3）计算中涉及的部分地层参数来源于地质建模，地质模型的准确性在一定程度上会影响气侵风险预警结果，因此该方法在资料丰富的成熟区块应用效果更好，气侵风险预警更准确。