气窜速度计算方法探讨与应用

王显光, 柴 龙, 何 仲, 商 森, 雷 敏

(1中国石化石油工程技术研究院 2中国石化西北油田分公司 3江汉钻井二公司西部分公司)

气窜是指油气进入井筒后因密度差而导致的滑脱上移现象，油气进入井筒包括破岩、井筒液压欠平衡、气液置换和扩散等[1]，油气上窜速度为单位时间内油气滑脱上升的距离，即平均气窜速度[2]。

随着油气开发技术的不断发展，深部的油气和页岩气资源成为新的开发热点，但在钻完井施工过程中，当钻至含天然气的储层后，在起钻前按照井控管理规定必须测试气窜速度，如果气窜速度计算不准确，一方面可能导致井涌、井喷等严重的井控事故;另一方面可能因盲目提高钻井液密度而发生漏失造成储层伤害，还会因不满足井控气窜速度要求而采取循环排后效、长期静止测试气窜速度等措施进行验证，浪费了大量的宝贵时间。因此，选择合适的气窜速度计算方法对于提高钻井施工安全和效率具有重要意义[3]。

目前气窜速度计算方法主要包括迟到时间法和容积法，由于前者计算公式中的迟到时间参数和后者计算公式中的排量参数均受到泵排量不稳定影响[4]，导致现场无法计算或者计算结果与实际差别较大，本文通过分析现用气窜速度计算方法的特点及存在问题，据现场实际情况，考虑钻具和井身结构、钻具替排、泵上水效率、静止时间、录井数据延迟、后效起始点选择和归位井深等因素，建立操作性更强、更科学的替排液面复位法进行气窜速度计算。

一、现场气窜速度计算影响因素分析

1. 迟到时间的确定

迟到时间为钻头位置井浆返至井口的时间，现场录井人员采用电石作为示踪剂，通过返出时全烃值的变化实测迟到时间，求得的数据较为准确[5]。但在实际施工中随着钻具结构、井深和钻头位置等改变，都需要重新测定迟到时间，这在钻井施工中较为不便。目前现场常用的方法是通过钻头所在位置的上部环空容积和泵排量来求得，为了提高计算精度，可利用实测迟到时间或替浆作业对泥浆泵上水效率进行校核，提高迟到时间法计算的准确性。

实际施工中，迟到时间受到泵排量不稳定的影响难以确定或误差较大。例如在下钻到底排后效过程中，开泵前期排量低于正常循环排量，循环过程中难免倒泵作业，特别是不同尺寸缸套泥浆泵之间的倒换，直接影响迟到时间参数的求取，这也是目前影响迟到时间法气窜速度计算的一个重要因素。

2. 后效起始点的选取

根据中国石油天然气行业标准SY/T 5788.2-2008《油气探井气测录井规范》中3.4气测异常的解释为气测值在基值背景基础上明显升高的现象，但有时在钻至油气储层后，排后效过程的全烃值变化曲线比较平缓，难以界定全烃的起始点，如图1，静置5 h后排后效过程中全烃值为2.28%和全烃值为2.74%之间的时间间隔为5 min，折合井筒内的钻井液环空高度为317 m，如果选择第一个点为见显示点，那么计算出的气窜速度差值为υ误差=317/5=63.4 m/h。张世明[5]等对全烃起始点的选择进行了分析，认为全烃起始点选择为基准值的2倍左右较为合理，同时在现场12口井中也进行了成功应用，证明该方法合理有效。

此外，由于录井仪器管线管路存在延迟时间的问题，后效起始点的时间选择也应考虑该影响，在气窜速度计算中去除其对迟到时间或排出钻井液体积的影响，这个时间一般为2～5 min左右，具体时间可以用在脱气器口注样的方法进行实测。

图1 后效起始点的选择示意图

3. 归位井深的选取

归位井深为油气显示层的井深，理论认为是油气发生滑脱上移前的初始位置。但实际在油气储层的钻进中，油气显示层往往有多个，如果后效显示多峰则可分别计算对应油气层的气窜速度，如果多峰不明显且只有一个最高峰时，则会给归位井深选择带来困难，如果按照“宁紧勿宽”的原则，选择最后一层为归位井深，那么计算出的气窜速度将存在一定误差，特别是在这两个油气层距离较远且测后效静置时间较短的情况下误差会更大。以新疆顺北地区一口井为例，该井钻井时停泵单根峰对应两个油气层位置，第一个油气层顶部位置为7 376 m，最后一个油气层顶部位置为7 667 m，静置5 h后进行排后效气窜速度计算，两个油气层位置计算的气窜速度理论差值为(7 667-7 376)/5=58.2 m/h，该差值远大于目前井控细则中起钻前气窜速度小于30 m/h的要求，严重影响现场下步施工方案的制定。

对于现场有多个油气层的情况，可利用停泵接钻具后的单根峰进行归位井深的判断选择，将第一个全烃值大于正常循环全烃基值两倍的单根峰气层所对应的井深，作为归位井深进行气窜速度计算。

4. 静止时间的确定

目前静止时间定义为停泵起钻至下一次下钻到底开泵之间的总时间，但实际情况是油气在钻井液中的滑脱上移作用不仅存在于钻井液静止期间，而且在循环运动的钻井液中也存在这种现象，因为油气在上返过程中受到的浮力不变，则油气相对于运动的钻井液向上的运移速度与静止期间的速度是相同的[6-7]，所以在短时间静止或深井开泵循环到见后效这段期间的油气上窜时间不能忽略，计算气窜速度过程中的时间应为停泵后的静止时间与开泵到见后效期间的时间总和。

5. 钻具替排作用的影响

钻具替排作用是指下钻过程中由于钻柱的下入而导致环空钻井液液面的上升而返出的现象。按照石油钻井井控要求，在钻进油气层后每趟钻钻具需带内防喷工具，所以在下钻过程中整个钻具处于闭排下钻状态，替排出的钻井液体积等于进入其钻具的闭排体积。特别是在裸眼段中钻挺的替排作用会更加明显，这将导致环空中的油气界面大幅度上移，直接影响气窜高度的判断，最终影响气窜速度的计算结果，特别是短起下测油气上窜速度的过程中，替排作用引起的误差将会更大。

二、替排液面复位气窜速度计算方法

为了减少气液相对滑脱造成的误差和便于现场操作计算，计算中假定气体从井底滑脱至井口过程中的速度是一致的，替排液面复位气窜速度计算方法是基于优化后的累计泵冲体积法而构建，考虑了钻具替排和循环排气过程中气体相对于钻井液滑脱作用，消除迟到时间受排量不稳定影响的问题，将后效起始点选择为全烃基准值的两倍位置，同时考虑录井管线延迟时间和开泵见后效时间的因素，并根据实钻过程中的单根峰情况，选择合理的油气层作为归位井深，在考虑以上影响因素的前提下，根据现场具体施工情况进行气窜速度计算。

现场气窜速度计算一般在长起或短起下钻后两种情况下进行，后一种情况中要注意判断下钻前钻头相对于油气静止上窜后的位置，当钻头位于气顶上方时，可认为钻具进入气顶至下钻到底后，被替排作用后的气顶位置之下的环空体积等于未被替排前气顶之下的井眼体积，即将下钻后气顶之下环空钻井液体积在空井筒中自下而上进行体积还原，以此来计算出替排前的油气顶界位置,同时结合其它计算参数，对气窜速度进行较为精确的计算。

除了长起钻外，如何判断短起后下钻前钻具是否位于气顶之上，可采用下钻后气顶之下环空钻井液体积V环-NQ与下钻前钻头以下空井眼体积进行比较，如图2，如果前者体积小于后者，那么可判断为下钻前钻头位于气顶之上；反之位于气顶下方，在下方计算时要考虑环空中钻具的体积，下钻后气体被替排后情况。

图2 下钻后气体被替排的状态

下钻前气顶位于第i段套管内，气顶距离井底的高度Hg见式(1)：

(1)

替排液面复位气窜速度见式(2)：

(2)

式中：i≥1，n≥1；υ气窜—气体平均上窜速度，m/h；Hg—下钻前气顶距井底高度，m；H归—归位井深，m；HB—井底深度，m；H1、H2…Hi—下钻前井内各同类型段长度，m；S1、S2…Si—下钻前井内各同类型段环空截面积，m2；V环—下钻后钻井液环空体积，m3；N—循环见后效时总泵冲数(去除管线延迟时间)，冲；Q—每冲体积，m3/冲；t静—停泵起钻至下钻排后效时的总时间，h；t排—循环到见后效的时间，h。

三、现场应用

利用替排液面复位气窜速度计算方法在新疆塔河及外围多口气侵严重的井中进行应用，包括顺北2井、顺南7、跃进3-5H、顺北评1H、顺北3和TK879CH等井共30余井次，以下分为下钻前钻头位于气层上方和位于气层下方两种实例进行介绍，基本可涵盖现场井大部分施工情况，每种实例中分别采用现场常用的迟到时间法和替排液面复位法进行气窜速度计算。

1. 应用实例一(下钻前钻头位于气层上方)

顺北评1H井井身结构及钻具如表1，在四开直井眼取心作业后长起，后下钻至7 752.50 m开泵排后效，井深7 765 m，开泵时间04:58，中途停泵34 min，后效起始时间08:16，静止49.05 h，全烃初始值1.324%，最高至99%。

表1 顺北评1H井取心时钻具及井身结构

迟到时间法计算参数：钻头位置迟到时间225 min，静止时间49.05 h，归位井深7 661 m(最后一层油气显示)，开泵见显示时间164 min，计算结果为41.05 m/h。

替排液面复位法计算参数：气窜时间52.35 h(其中3.3 h为开泵至见后效时间)，归位井深7 376 m(单根峰全烃超过基值2倍所对应的气层位置)，去除管线延迟时间后开泵至出后效总泵冲数为5 732冲(按上水效率95%计算每冲体积19.72 L)，计算结果为25.65 m/h。

2. 应用实例二(下钻前钻头位于气层下方)

顺北评1H在四开直井眼(表2)，短起至套管内7 353 m静止测后效，后下钻至7 753 m循环排后效，静止时间7.78 h，开泵时间10:53，后效起始时间13:31，全烃初始值2.112%，最高值为99%。

表2 顺北评1H井中完测井前钻具及井身结构

迟到时间法计算参数：钻头处迟到时间189 min，静止时间7.78 h，归位井深7 661 m(最后一层油气显示)，开泵见显示时间158 min，计算结果为153.28 m/h。

替排液面复位法计算参数：油气上窜时间10.41 h(其中2.63 h为开泵至见后效时间)，归位井深7 376 m(单根峰全烃超过基值2倍所对应的气层位置)，去除管线延迟时间后开泵至出后效总泵冲数为6 737冲(按上水效率95%计算每冲体积19.72 L)，计算结果为89.24 m/h。

四、结论

(1)与替排液面复位法相比，现场常用的迟到时间法计算出的气窜速度偏大，给井控安全的判断和下步施工方案的制定带来困扰，而采用替排液面复位法计算出的气窜速度更为合理，利用该数据进行的后续施工未出现井控安全问题。

(2)虽然该计算方法尽量消除了部分在循环排后效过程中因油气相对滑脱上升的影响，但仍未考虑油气在上升过程中的膨胀等因素，有待后期进一步研究和完善。