【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 平衡鉆井的成敗的重要參數(shù)。合理的欠壓值應(yīng)當(dāng)保持鉆進(jìn)過(guò)程中井內(nèi)液柱壓力+井口控制壓力略低于地層壓力。進(jìn)行欠平衡壓差設(shè)計(jì)，選擇恰當(dāng)?shù)膲翰盍?，是欠平衡鉆井系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先應(yīng)當(dāng)考慮的事情。欠平衡鉆進(jìn)時(shí)，合理的欠平衡壓差對(duì)井下安全，防止儲(chǔ)層傷害以及保證施工順利都是十分重要的。如果負(fù)壓差過(guò)大，流體產(chǎn)出速度很高，對(duì)于速敏感性地層，極易引起儲(chǔ)層內(nèi)部微粒運(yùn)移，堵塞孔喉，導(dǎo)致近井地帶的儲(chǔ)層傷害。對(duì)于那些弱膠結(jié)的儲(chǔ)集層，很可能出現(xiàn)骨架疏散，部分脫落，結(jié)果造成出砂。對(duì)于應(yīng)力敏感性強(qiáng)的地層，過(guò)低的井底壓力降低的近井地帶地層的空隙流體壓力，空隙趨于閉合，造成永久性的地層應(yīng)力傷害。同時(shí)，增大壓差，井壁失穩(wěn)的可能性就更大。反之，如果負(fù)壓差過(guò)小，井底的壓力波動(dòng)，又容易超過(guò)欠平衡壓差量，形成瞬時(shí)正壓差或周期性的正壓差，形成對(duì)儲(chǔ)集層正壓差傷害。因此，合理的欠平衡壓差量應(yīng)有具體的儲(chǔ)層、井位、設(shè)備、井壁穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果、速敏實(shí)驗(yàn)資料、應(yīng)力敏感性資料、井底壓力波動(dòng)幅度、地層物性等數(shù)據(jù)以及所選取的地面設(shè)備，井控設(shè)備的工作能力。（1） 鉆井過(guò)程中的地層條件1)地層壓力(Pp)的確定:地層壓力是在欠平衡鉆井中首先要搞清楚的基礎(chǔ)的壓力，一切欠平衡的壓力計(jì)算，都建立在這個(gè)壓力基礎(chǔ)上。對(duì)于開發(fā)井，地層壓力較為清楚可采用。而對(duì)于勘探井，由于地層壓力有許多的不確定性，所以只能作為參考。即在勘探井的欠平衡鉆井中，先使用參考的地層壓力，通過(guò)公式求出欠平衡的鉆井液密度，依據(jù)此密度鉆進(jìn)。當(dāng)鉆遇溢流和鉆時(shí)加快時(shí)，要停止鉆進(jìn)，近似地求出地層壓力，再根據(jù)所求的地層壓力，調(diào)整鉆井參數(shù)。由于欠平衡鉆井所使用的鉆具帶有內(nèi)防噴工具，所以地層壓力可按下列步驟求出:關(guān)井、記錄套壓。由記錄中查出壓井排量時(shí)的壓耗。開泵并將排量調(diào)整到壓井時(shí)的排量，在此過(guò)程中用節(jié)流閥控制套壓不變。記下此時(shí)的泵出口壓力。停泵并關(guān)節(jié)流閥。尺=泵出口壓力壓井排量時(shí)的壓耗。則有 （2—3）式中: Pp——地層壓力，Mpa。Px——循環(huán)壓耗，Mpa。H——井深，m。Ρ——鉆井液密度，g/ cm3。鑒于環(huán)空中的流體為多相混合流體，其密度難以確定。而鉆柱內(nèi)的流體單一密度相對(duì)確定起來(lái)簡(jiǎn)單些，所以我們也可選取鉆柱內(nèi)及關(guān)井立壓求解地層壓力:地層壓力 =即： （2—4）式中：Ps—— 立管壓力，MPa2)鉆井液靜液柱壓力(P內(nèi)):鉆井液靜液柱壓力與鉆井液的流動(dòng)有關(guān):該壓力直接作用在地層上，直接影響欠壓值的大小。但在地層流體進(jìn)入環(huán)空后，由于環(huán)空為多相流，環(huán)空的鉆井液靜液柱壓力很難求出。鉆桿內(nèi)靜液柱壓力： 環(huán)空靜液柱壓力： （2—5）——環(huán)空混合液密度，g/cm33)環(huán)空壓耗(Ppa):環(huán)空壓耗是由于鉆井液的流動(dòng)而產(chǎn)生的，與鉆井液性能和鉆井參數(shù)有很大的關(guān)系。該壓力也是直接作用在地層上，其大小對(duì)欠壓值有影響，尤其是在低壓的地層中。.當(dāng)?shù)貙恿黧w進(jìn)入環(huán)空后，鉆桿外環(huán)空壓耗： （2—6）式中： Ρ——泥漿密度，g/cm3；η——泥漿塑性粘度，mPas；Q——泥漿排量，L/s；Lp——鉆桿總長(zhǎng)度，m；Dp——鉆桿外徑，cm；D——井眼半徑，cm。而排量Q的確定根據(jù)泥漿最小返速： （2—6）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)公式得到最小排量為： （2—7）式中 ——環(huán)空最低返速，m/s； Qa——最低排量，L/s； Ρ——泥漿密度，g/cm3； D——井眼半徑，cm； Dn——鉆桿外徑，cm。由以上公式聯(lián)立即可求得環(huán)空壓耗Ppa。4)井底壓力:我們根據(jù)鉆井液流體總流的伯努力能量方程，可以得出立管壓力和井底壓力之間的關(guān)系式: (2—8)式中：Pj——鉆頭壓降，Mpa當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入井筒環(huán)空，由于氣體的侵入，泥漿粘度提高，密度減少。隨著氣體量的增加，計(jì)算出的井底壓力逐漸下降，表現(xiàn)在立管壓力值上也是如此。5)井口回壓(P回):當(dāng)?shù)貙恿黧w不斷進(jìn)入井筒內(nèi)，環(huán)空的靜液柱壓力不斷下降，欠壓值也急劇升高，如果不在井口控制一定的回壓，從而控制地層流體的流入量，將會(huì)給欠平衡鉆井帶來(lái)很大的危害。井口回壓與欠壓值是一對(duì)伴生的關(guān)系，即由于存在欠壓而產(chǎn)生井口回壓，反過(guò)來(lái)井口回壓又限制欠壓值的大小。井口回壓一般確定在2~5MPa范圍內(nèi)。6)欠壓值(△P欠):欠壓值是由地層壓力和鉆井液柱壓力以及環(huán)空壓力所確定。其大小直接影響地層流體進(jìn)入井筒內(nèi)的量的多少，其值過(guò)大，易造成產(chǎn)層的速敏和井口設(shè)備載荷過(guò)大或失控，造成重大的鉆井事故。在欠平衡鉆井過(guò)程中負(fù)壓差促使地層流體不斷的涌入井眼隨同鉆井液一起流出，所以說(shuō)欠平衡啊鉆井也稱邊鉆邊采(或邊鉆邊噴)的一種特殊類型的鉆井。對(duì)于給定儲(chǔ)層都存在一個(gè)臨界速度(Vc)，即當(dāng)儲(chǔ)層流體流速小于Vc時(shí)不會(huì)造成對(duì)儲(chǔ)層的損害。而當(dāng)流體速度大于或等于Vc是就造成對(duì)儲(chǔ)層的損害(當(dāng)只有非潤(rùn)濕相流動(dòng)時(shí)，不存在滲透率降低的臨界速度)。由于實(shí)際儲(chǔ)層為徑向流，所以在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室冊(cè)得的臨界流量時(shí)應(yīng)將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的線性臨界流量(或臨界流速)轉(zhuǎn)化為實(shí)際礦場(chǎng)的徑向臨界流量(或臨界流速)，使井壁流速滿足下式: (2—9)由滲流力學(xué)達(dá)西定律可以得到油井產(chǎn)量Q地與井底壓差的關(guān)系公式達(dá)西公式。在此，以供給邊緣壓力不變的圓形單層油藏中心一口井的產(chǎn)量公式為例，即: (2—10)式中 Q地——油井產(chǎn)量，m3/d； K0——油層有效厚度，μm2； Bo——原油體積系數(shù)，m3/m3；h——油層厚度：μ0——地層油的粘度；Pr——儲(chǔ)層平均壓力，Mpa；Pwf——井底流動(dòng)壓力，Mpa。Re——供給邊緣半徑，m；Rw——經(jīng)驗(yàn)半徑，m；S——表皮系數(shù)，與油井完井方式、井底污染或增產(chǎn)措施等有關(guān)，可由壓力恢復(fù)曲線求得。a——采用不同單位制的換算系數(shù)，當(dāng)采用上述單位時(shí)，a=。在此令Δp=pepw所以，Δp=Δp欠。值得注意的是，達(dá)西定律是有一定的使用條件的，如果滲流速度增大到一定程度之后，除了產(chǎn)生粘滯阻力外，還會(huì)產(chǎn)生慣性阻力。此時(shí)流量與壓差不再成線性關(guān)系，達(dá)西定律被破壞(即已經(jīng)不適用了)。所以在測(cè)得巖石和流體的物性參數(shù)如巖石空隙度、滲透率及流體密度、粘度等后，應(yīng)選用卡佳霍夫提出的雷諾數(shù)(Rec)表達(dá)式，其形式如下: (2—11) 式中 Vc——實(shí)驗(yàn)室?guī)r心的臨界流速； K——巖心的滲透率，； ——儲(chǔ)層流體的密度，g/cm3； μ——流體的粘度，Mpas； φ——孔隙度，小數(shù)。對(duì)于一般儲(chǔ)層的巖石和流體物性參數(shù)，用上面公式得到的臨界雷諾數(shù)為代入臨界流速Vc，并取臨界雷諾數(shù)Rec=。當(dāng)流動(dòng)雷諾數(shù)Rec≤，即此時(shí)符合達(dá)西定律，由此可得: (2—12)在壓差一定的情況下，越靠近井眼流速越大，即在趨于井眼半徑rw無(wú)窮處流速區(qū)得最大值。對(duì)于給定的油層及鉆具和井身結(jié)構(gòu)，則的值是一定的。所以時(shí)，則有: (2—13) (2—14)可得:Qc(x)與Δp欠成線性正比關(guān)系，即Δp欠隨著Qc(x)的增大而增大。且Δp欠＜Δp欠1max時(shí)滿足鉆井時(shí)的速敏要求。 當(dāng)雷諾數(shù)R。(臨界雷諾數(shù))時(shí):儲(chǔ)層流量Q滿足二項(xiàng)式公式，可得: (2—15)整理可得：即： (2—16)當(dāng)為氣井時(shí):可得最大負(fù)壓差為: (2—17)綜上所述：當(dāng)流體流動(dòng)符合達(dá)西定律：Δp欠＜Δp欠1max時(shí):則不會(huì)發(fā)生速敏； 當(dāng)流體流動(dòng)不符合達(dá)西定律時(shí):(A)油井: Δp欠＜Δp欠2max則不會(huì)發(fā)生速敏。(B)氣井: Δp欠＜Δp欠3max，則不會(huì)發(fā)生速敏。 井底負(fù)壓差的控制l)各壓力之間的基本數(shù)學(xué)關(guān)系根據(jù)環(huán)空動(dòng)力學(xué)平衡的條件建立如下關(guān)系式: (2—18)式中 P回——井口回壓； P外——環(huán)空氣液柱壓力； Ppa——環(huán)空循環(huán)壓降； Pp——地層壓力； ——負(fù)壓值； Pd——井底流壓； PB——泵壓； PZJ——鉆具內(nèi)循環(huán)壓耗； PM——噴嘴壓降； P內(nèi)——鉆具內(nèi)液柱壓力。根據(jù)水力學(xué)關(guān)系： 則： (2—19)所以，結(jié)合上兩式可得： (2—20)2）井底欠壓值與泵壓的關(guān)系根據(jù)各液動(dòng)壓力之間的關(guān)系，當(dāng)排量、鉆井液入口性能不變，而隨鉆產(chǎn)氣量變化或氣體滑脫上升時(shí)，P內(nèi)、PM、Ppi、Pp為常量，設(shè)K=Pp+ PM + Ppi P內(nèi)顯然，K亦為常數(shù)。則: (2—21)由此可見，當(dāng)排量不變時(shí)，如果泵壓下降，則井底欠壓值按同值增加:反之，如果泵壓上升，則井底欠壓值按同值減少。因此，當(dāng)隨鉆產(chǎn)氣量變化或氣體滑脫上升時(shí)，靠調(diào)節(jié)節(jié)流閥使泵壓保持不變即可保持井底欠壓值不變。3)井底欠壓值和排量及井口回壓之間的關(guān)系:根據(jù)水力學(xué)計(jì)算(由于排量低一般為層流狀態(tài))，當(dāng)隨鉆產(chǎn)油氣量不變時(shí)，有: (2—22)設(shè) ；則 (2—23)將式2—23代入式2—20得： (2—24)式中 η——鉆井液塑性粘度； D環(huán)——環(huán)空直徑； d——鉆桿外徑；Q——排量；H——井深；——鉆井液切力。當(dāng)隨鉆產(chǎn)氣量不變而排氣量變化時(shí)，Pp、P外為常量，設(shè)K’=PpP外，即K’為常數(shù)，則PF=K’(P回+Aq+b) (2—25)由此得當(dāng)隨鉆產(chǎn)氣量及入口鉆井液性能不變時(shí)，如果排量下降，則井底欠壓值按井口壓力下降值與排量下降值得正比值和同值增加，反之亦然。同理可通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的大小使井口套壓增加(排量下降時(shí))或減小(排量上升時(shí))a(Q2Q1)，即可保持井底欠壓值不變。研制出欠平衡鉆井地面數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng),可依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的鉆井作業(yè)參數(shù)和產(chǎn)出流體的量,以及立管壓力和套管壓力與實(shí)際井底壓力間的數(shù)學(xué)關(guān)系及軟件計(jì)算,調(diào)節(jié)鉆井液密度和井口回壓來(lái)控制井底負(fù)壓差。（1）　利用立管壓力控制井底負(fù)壓差[2]對(duì)于欠平衡鉆井,井筒環(huán)空中存在巖屑和氣體,具有氣—液—固三相流動(dòng)特性,因此從環(huán)空中計(jì)算井底壓力較為繁瑣且不夠精確。另外,鉆井液循環(huán)裝置能夠?qū)⒎党龅牡貙恿黧w與鉆井液分離,且能夠保持入口鉆井液密度較穩(wěn)定。因此,可利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的立壓值,計(jì)算井底壓力,以判斷和分析井涌情況,并且可通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥保持立壓不變,從而保證了對(duì)負(fù)壓差的控制,這與低節(jié)流壓力法壓井原理[2]。根據(jù)鉆井液流體的伯努利能量方程,立壓與井底壓力間的關(guān)系式為： (2—25)式中： Ps——立管壓力，kPa； Pb——井底壓力，kPa； Pj——鉆頭壓降，kPa； Pd——鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗，kPa； g——重力加速度，m/s2。當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入井筒環(huán)空,由于氣體的侵入,鉆井液黏度提高,密度降低。隨著氣體量的增加,計(jì)算出的井底壓力逐漸下降,表現(xiàn)在立管壓力值上也是如此。因此,可以利用該計(jì)算模型和立管壓力監(jiān)測(cè)值及早判斷井底負(fù)壓值。（2）　利用井口回壓控制井底負(fù)壓差當(dāng)原始的地面注入條件使井底處于欠平衡條件時(shí),由于氣侵環(huán)空存在氣—液兩相流動(dòng),井底壓力將減小。若不進(jìn)行井口回壓控制,將導(dǎo)致井底壓力不斷下降,形成惡性循環(huán)而不能進(jìn)行正常鉆進(jìn)。由于氣體是可壓縮的,氣侵后鉆井液密度在不同深度是不同的。而氣侵造成的井底壓力降低應(yīng)由井口回壓值加以彌補(bǔ),這樣才能使井底保持所設(shè)定的負(fù)壓差。利用環(huán)空氣液兩相流數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出如下井口回壓的計(jì)算公式[3] 。 (2—26)式中 Zr——?dú)怏w平均偏差因數(shù)； Zo——?dú)怏w地面偏差因數(shù)； Tr——井筒平均溫度； To——地面溫度，K； Qgo——地面脫氣后鉆井液返出流量，L/s； Qmo——?dú)馇智般@井液流量，L/s； po——環(huán)空地面壓力，kPa； ——?dú)馇智般@井液在地面的溫度，g/cm3公式(2——26)忽略了環(huán)空中氣體滑脫造成的能量損失,并假設(shè)環(huán)空中氣體偏差因數(shù)和井下溫度為井深的線性函數(shù),在積分時(shí)取其平均值。因此,本模型可以利用鉆井地面參數(shù)、鉆井液參數(shù)以及返出氣體、液體的流量,進(jìn)行欠平衡鉆井的井口回壓計(jì)算,而且當(dāng)氣侵量越小、井越深時(shí),計(jì)算精度越高。(1)確定合理的欠壓值欠平衡鉆井是使環(huán)空中的壓力略低于地層壓力，只要能保證地層流體能進(jìn)人鉆井環(huán)空即可，不必追求過(guò)高的欠壓值。另外，確定欠壓值時(shí)，還應(yīng)考慮使用鉆井液的成本問(wèn)題。盡量選用成本低而又能滿足所確定的欠壓值的鉆井液體系，過(guò)高的欠壓值，可能會(huì)大幅增加鉆井液成本和地面控制設(shè)備施工時(shí)的難度。(2)確定欠平衡鉆井時(shí)所用的