水平井工程师法压井技术探索

董黎明，颜廷杰，马晓明，王 松，陈忠恒，公 慧，喻海霞

(1中石化胜利工程公司技术发展处 2中石化胜利工程公司培训中心)

近年来，随着水平井钻井技术的不断提升，水平井的应用范围越来越广，但由于井下情况复杂，水平井钻井期间也存在较多井控风险。如某油田2017年和2018年钻井期间共发生溢流事件32井次，其中水平井溢流占比高达27井次，占总发生井次的84%。目前水平井井控管理和处理方法仍然采用直井的管理方式，既不利于水平井溢流的发现、监测、控制及处理，也不利于卡钻、井漏等预防和处理。

本文根据多年国内外井控的现场管理经验，总结了水平井钻井溢流的特点及预防管理措施，提出了四点式水平井工程师法压井控制理论，并制订了具体的、行之有效的控制程序和步骤，确保水平井钻井期间的井控安全及井下安全，对提高水平井压井期间精确控制井底压力、预防压差卡钻[1]及压漏地层有重要意义。

一、水平井钻井溢流特点

1.溢流早期检测难度大

对于水平井钻井来说，溢流早期检测报警是至关重要的。处于水平段、斜井段的气体溢流对井眼液柱压力的影响和直井的不同，无法通过井口压力直接读取，故水平井溢流早期检测报警就格外困难。

(1)即使在平衡条件下，由于起钻抽汲作用也会造成气侵，气体在整个水平段运移过程中，对井眼液柱压力无影响[2]，关井套压和立压均为零，易造成无溢流的假象。

(2)当井底欠平衡时，储层气体就会大量涌入水平段环空，此时关井套压和关井立压虽有显示，但是两者相等，无法根据关井套压与关井立压的差值来判断水平井井段溢流侵入程度。

(3)井眼净化问题。实钻的水平井段会上下起伏，在其顶部形成“口袋”[3](如图1所示)。

图1 水平段顶部的“口袋”及岩屑床的形成

由于气体密度小，进入水平段的气体会被封闭在井眼顶部的“口袋”中，这些气体难以被循环排除干净。再者，在水平井段钻进时,岩屑由于重力作用易在水平段底边沉淀堆积，形成岩屑床，增加了起钻抽汲作用，造成更大溢流，且增加卡钻的机率。

2.危害性及处置难度大

水平井与直井的储层暴露面积对比见图2。由此可知，水平井储层的暴露面积是直井的几十倍，甚至上百倍[4]，所以，水平井段钻井时一旦出现欠平衡，其溢流量和溢流速度将远超直井，其危害性更大。

图2 直井与水平井的储层暴露面积对比图

二、溢流的预防与应急措施

为了有效地规避上述不利影响，首先应从钻井工程设计、井控现场管理和操作等方面进行优先考虑。

1.钻井工程设计方面

(1)水平井套管柱设计时，套管下深应尽可能接近水平井段,实现“专层专打”，以防压井期间上部裸眼井段出现复杂情况。

(2)可适当提高环空返速、钻井液密度、划眼频度和在钻具组合中适当加入清砂工具等手段，来提高井眼净化效果，减少岩屑床产生。

2.井控现场管理和操作方面

(1)水平井段钻进时应适当降低钻速，并分段循环观察，以利早期发现。

(2)应先采用平衡地层压力当量密度的压井液进行循环，以最大程度地排除水平段顶部的“口袋”气。

(3)起钻前测油气上窜速度，满足安全起钻的要求，否则应循环加重。

(4)发现溢流及时关井，疑似溢流关井观察。

(5)下钻到井底前，应循环一周以上，确保进出口密度小于0.02 g/cm3。

三、水平井工程师法压井方法及实施步骤

直井工程师压井法只需按井口处和钻头处两点连成的直线控制立压即可，方法简单。水平井工程师压井法计算点的多少取决于水平井的段制数量。本文以现场常见的直-增-稳三段制剖面为例推导出水平井工程师法压井的计算模式、方法和步骤。即分别计算出井口、造斜点、稳斜点以及钻头四处的总循环压力，绘制出从井口至造斜点、造斜点至稳斜点、稳斜点至钻头处三条斜率不一的直线，并且计算出各井段的定冲数循环立管压力变化值。

1.基础数据

1.1 井眼基本数据及钻具组合

井眼的尺寸:Ø215.9 mm，测深：4 750 m，垂深：3 700 m；套管尺寸:Ø244.5 mm，测深：3 051 m，垂深：3 051 m；造斜点的测深：3 100 m，垂深：3 100 m，稳斜点的测深：4 050 m，垂深：3 700 m；在用井眼内钻井液密度：ρm=1.43 g/cm3；钻具组合：Ø127 mm钻杆×3 100 m +Ø127 mm加重钻杆×420 m+Ø127 mm钻杆×1 230 m+下部钻具组合(长度忽略不计)。(钻杆容积：9.26 L/m；加重钻杆容积：4.56 L/m；钻具与裸眼环空容积：23.93 L/m；钻杆与套管环空容积：26.16 L/m)。

1.2 地层强度试验数据

1.3 低泵速试验数据

在40冲/min时pci=5.8 MPa；泵实际排量为18 L/冲。

1.4 钻具水眼和环空对应的冲数

(1)从井口到造斜点钻具水眼对应的冲数:

S@KOP=(9.26 L/m×3100 m)÷18 L/冲=1595冲

(2)从井口到稳斜点钻具水眼对应的冲数:

S@EOB=[9.26 L/m×(3100+530)m+4.56 L/m×420 m]÷18 L/冲=1974冲

(3)从井口到钻头钻具水眼对应的冲数:

S@bit=[9.26 L/m×(3100+530+700)m+4.56 L/m×420 m]÷18 L/冲=2334冲

(4)裸眼及套管环空对应的冲数:

S环空=(26.16 L/m×3051 m+23.93 L/m×1699 m)÷18 L/冲=6693冲

(5)井眼总体积对应的冲数:

S井眼=S@bit=S环空=9027冲

2.溢流数据

关井立压pd=6 MPa；关井套压pa=6.8 MPa；池增量ΔV=5.5 m3。

3.压井模型推导、压井数据计算程序和实施步骤

3.1 压井液密度ρk(计算结果进位取大)

3.2 初始总循环立管压力pri

pri=pci+pd=5.8+6=11.8 MPa

3.3 终了总循环立管压力pTf

3.4 压井液沿钻具下行至X点井深时的总循环立管压力pT@X

根据井底常压法压井原理可知：压井液沿钻具下行至X点井深时总循环立管压力pT@X共由两个部分组成：一是压井液泵入钻具后的循环压耗pc@X；二是压井液泵入钻具后剩余关井立管压力pd@X。

因为，压井液沿钻具水眼下行至X点时的低泵速循环压耗pc@X和剩余关井立管压力值pd@X分别为：

(1)

(2)

式中：pc@X—压井液沿钻具水眼下行至X点时的低排量循环压耗，MPa；M@X—X点的井眼(钻具)测深，m；M@bit—井眼(钻具)总测深，m；pd@X—压井液下行至X点井深时剩余关井立管压力值，MPa；H@X—X点的井眼(钻具)垂深，m；H@bit—井眼(钻具)总垂深，m。

(3)

根据式(3)可得压井液到达造斜点时的总循环立管压力:

(4)

式中:pT@KOP—压井液到达造斜点时的总循环立管压力值,MPa；M@KOP—造斜点井眼(钻具)测深，m；H@KOP—造斜点井眼(钻具)垂深，m。

同样根据式(3)可得压井液到达稳斜点时的总循环立管压力pT@EOB：

(5)

经整理，得：

(6)

式中：pT@EOB—压井液到达稳斜点时的总循环立管压力，MPa；M@EOB—稳斜点井眼(钻具)测深，m；H@EOB—稳斜点井眼(钻具)垂深，m。

井口处、造斜点、稳斜点及钻头处的坐标分别是(0，11.8)、(1595，7.3)、(1974,6.4)、(2334,6.5)。

3.5 各井段的定冲数循环立管压降值

分别计算出从井口至造斜点、造斜点至稳斜点、稳斜点至钻头的定冲循环立管压降值(定冲一般为100～200冲，本文选200冲)。

(1)从井口至造斜点每200冲的循环立管压降ΔpT@KOP:

(7)

(2)从造斜点至稳斜点每200冲的循环立管压降ΔpT@EOB:

(8)

(3)从稳斜点至钻头每200冲的循环立管压降ΔpT@bit:

(9)

3.6 压井液泵入冲数与循环立管压力对应关系及关键操作步骤

(1)压井液泵入冲数与循环立管压力对应关系见表1。

(2)水平井工程师压井法立压控制曲线见图3。

图3 水平井工程师压井法立压控制曲线

(3)关键操作步骤。①缓慢开泵,同时调节节流阀,保持套压等于关井套压(6.8 MPa)不变；②泵速逐渐达到40冲/min时保持泵速不变。在压井液(1.6 g/cm3)从井口到造斜点期间按表1给出的数据将立压从11.8 MPa逐渐降至7.3 MPa(每泵入200冲，立压降低0.5 MPa)。从造斜点到稳斜点期间将立压从7.3 MPa逐渐降至6.4 MPa(每泵入200冲，立压降低0.4 MPa)。从稳斜点到井底钻头处期间将立压从6.4 MPa逐渐增至6.5 MPa(每泵入200冲，立压增加0.05 MPa)。当压井液从钻头返出后始终控制立压等于终了循环立管总压力ptf=6.5 MPa即可，直到压井液返出地面，停泵关节流阀，此时pd=pa=0，则证明压井成功。

表1 泵入压井液冲数与循环立管压力对应表

四、结论

(1)水平井工程师压井法应首先分别计算出井口、造斜点、稳斜点、钻头四个点的总循环立管压力值，再将相邻两点以直线相连，最后分别计算出井口-造斜点、造斜点-稳斜点、稳斜点-钻头三段的定冲压降值，并作成如表1所示施工数据表即可。泵入压井液期间，在不同井段控制不同的压降值，作为循环立管压力控制操作的依据，就可顺利实现水平井井底常压法压井的目的。

(2)水平井工程师法压井中，压井液一旦进入水平段(稳斜点)，其循环立管压力降至最小值，且小于终了循环立管压力。水平井段越长，两者差值就越大。因此，在现场压井操作中应按实际循环立管压力控制，不可忽视。否则，极易引起井下复杂情况，甚至造成事故。