油气井钻井过程中井喷预测机理研究.pdf

天然气工业 2 0 1 0年 1 月 油气 井钻 井过程 中井喷预测机理研究 梅大成 郑 巧 何志敏 张振峰 西南石油大学 梅大成等． 油气井钻井过程中井喷预测机理研究． 天然气工业 ， 2 0 1 0 ， 3 0 1 6 8 7 0 ． 摘 要 在油气井钻井作业过程 中， 井喷前会 有各种预兆如 ①钻井液返 出量增加 ； ②钻井液池中钻 井液体 积增加； ③停泵后钻井液 外溢 ； ④循环系统压力上升或下降； ⑤钻井时悬重增加或减少 ； ⑥ 返出的钻井液 中有 油花气泡等。上述 预兆对预防井喷起着至关重要的作用 。为此 ， 在 分析井喷原 因及井喷预测机理 的基础上 ， 利用钻 压、 大钩 负荷、 转盘转 速 、 返出流量 、 泵压、 钻 井液 密度、 硫化氢浓度 等， 建立了井喷预测数学模型 ， 提 出了井喷事故发 生的危险指数 ， 通过对该 指数 的计算和分析 ， 便 可预测井喷事故发生 的可能性。实例验证结果表 明， 该 井喷预测模型能为防止井喷 的发 生提供科 学依 据 。 关键词 气井 钻井 溢流 井涌 井喷 井喷预测 机理 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 1 0 ． O 1 ． 0 1 9 0 引言 钻井过程 中发生溢 流和井 涌是井 喷的先兆 。溢流 的严 重程度 主要 取决 于地 层 的孔 隙度 、 渗透 率 和 负压 差值的大小 。地层孔 隙度、 渗透率越高 ， 负压差值越 大， 则溢流就越严重。由于溢流的发生 ， 使环空液柱压 力越 来越低 ， 势必导致 井涌甚 至井喷 。据统计 ， 在钻井 过程 中溢流发 生 的几率 占 4 5 ， 在起 下 钻过 程溢 流发 生的几率 占 5 5 。 1 井喷原 因分析 井喷 发生的原 因很 多 ， 其 最根 本 的原 因是 井 内压 力失去平衡 、 井 内压 力小 于地层压力 。 1 ． 1 钻 井过程 1 地 层 压力 掌 握不 准 ， 设 计 的 钻井 液 密 度 过 低 。 没有准确 的地层压 力 资料 ， 地 层压 力 也 没有 进行 及 时 检测 ， 设计的钻井液密度低于地层压力的当量密度 ， 这 是在新探 区经常碰到的事。即使 已经开发 的老油气 田， 由于注水开发 ， 地下的压力系统， 已不是原来 的压 力 系统 ， 有 的开发 层地 层压 力 已经 降到 静水 柱压 力 以 下 ， 但 有 的地层 或个别 区域 由于注入水 能量集 中 ， 形成 了异 常高压 。 2 钻井液 密度 低 。这是 因为 ① 突然 钻遇 到 高压 层 ， 地 层压力 高于钻井 液静液 柱压力 条件下 发生 的 ， 特 别是 为 了获得 高 的机械 钻 速 、 降低 钻 井成 本 和保 护 油 气层而是用较低的钻井液密度； ②钻开油、 气、 水层后， 地层 内流体侵 入井 内， 造成钻 井液 密度 下 降 ， 如果循 环 至地面未能及 时清 除 ， 被污染 的钻 井液 又被 注入 井 内， 将加剧油气侵 ， 使密度进一步 降低 。 3 钻井 液漏失 ， 液柱 高度降低 。①钻 遇溶洞 、 裂缝 性地层， 发生大量漏失 ， 使液面降低； ②钻井液液柱压 力 超过某 些地层 的破 裂压 力 ， 发 生漏 失 ， 使 液 面 降低 。 液面降低 之后 ， 液柱压力 也就 自然降低 。 1 ． 2 起 下钻过 程 1 起 钻时井 内未灌 满 钻井 液 。起 钻过 程 中 ， 由于 起 出钻 柱 ， 如果 没有 即时灌入钻 井液或灌 入量不 足 ， 使 液面降低 ， 这将减小静液柱压力。一旦钻井液静液柱 压力低 于地层压 力 ， 溢 流就可能 发生 。 2 过大 的抽 汲 压力 。在 起 钻过 程 中， 由于 钻具 在 井内的向上运动 ， 将引起井内液压降低 ， 所降低的压力 基金项 目 四川省科技厅应用基础研究项 目“ 井喷预测及智能控制研究” 编号 2 O O 8 J Y O l 1 4 1 的部分研究成果 。 作者简介 梅大成 ， 1 9 6 5年生 ， 副教授 ， 硕士 ； 1 9 9 3年毕业于原西南石油学 院油气 田开发专 业； 现任石油工程计算机模拟技术 四 川 I 省高校重点实验室主任 ， 主要从事计算机实 时监测与控制 、 石油工程模拟与仿真技术 的研究工作 。地址 6 1 0 5 0 0 四川 I 省成都 市 新都区。电话 0 2 8 8 3 0 3 2 9 7 4 ， 1 3 9 8 0 9 6 5 6 3 6 。E ma i l md c s w p u ． e d u ． c n 第 3 o卷第 1 期 钻井工程 叫抽汲压力。抽汲压力和钻井液性能、 环空大小 、 钻具 结构 、 起 钻速度有直 接关 系 ， 许 多井喷均 发生在起 钻过 程 ， 就是 抽汲压力 起 到 了促喷 的作 用 。在不 同工况 下 井底压 力变化 见图 1 。 霄 ＼ Il‘IlIlIlIl ． J『_ l一 ． 。 ． 2． ．．一3 ． l ll ll l l lll ly l⋯ 。 时间／ h - 图 1 不 同工 况 下 的压 力变 化 图 注 1 ． 环宅 钻井液静液柱 的主压力； 2 ． 下钻 ； 3 ． 钻进 ； 4 ． 调 整钻井 液； 5 ． 起钻 2 井喷前兆 地层孔 隙压力大 于钻井液静 液柱压力 并引起流体 从地层 中流入 井眼产生 井涌 。地 层流体 的这种流动 如 果能成功地加 以控 制 ， 井 涌就 可 以控制 。井 喷是 井 涌 不能控制 的结 果 。井涌 的 出现 可以在地 面上看到一些 预兆 。尽 管所有 的预 兆 不一 定都 发 生井 涌 ， 但 它们 至 少预示着有 一种潜在 的井涌存在 。 1 钻井液 返 出量增 加 主要征 兆 。当泵 入量一定 时 ， 返出量增加 ， 这是井 涌的最早 征兆 。返 出量与注 入 量之差值就是地层流体的侵入量。 2 钻井液 池 中钻井 液体积增 加 主要 征兆 。若 在 地面上 未向钻 井液 中加 入处理 剂 或其 他原 因 钻 井 液 罐 中的钻井 液放入钻井 液池 除 外而改 变钻 井液体 积 ， 这时钻井液池 中液 面升 高 ， 钻 井 液体 积增 加 就 意味着 有井涌 的发生 。 3 停泵 后钻井液外 溢 主要 征兆 。在 泵停 止工作 后 ， 钻井液不 断从井 口外 溢 ， 表 明井 涌正在进 行 。 4 循环 系统压力上 升或下 降。若地层 压力高 于井 底压力 ， 打 开高压层时 ， 泵压会 上升 。但 由于油 、 气 、 水 的侵入 ， 环 空 液 柱 压 力 下 降 ， 又 可 使 循 环 系 统 泵 压 下降 。 5 起钻 时灌不进钻 井液或灌人 量少于起 出 的钻具 体积 主要 征兆 。 6 钻井时悬重增加或减少。当钻开高压气层时， 井底压力增 加 ， 悬重要 下降 。钻 井液油气侵 后 ， 密度 降 低 ， 悬重 又会增加 。若 钻遇高压 盐水层 ． 盐 水密度 大于 井 内钻井液 密度时 ， 则悬 重下降 ， 盐水密度小 于井 内钻 井液密度时则悬重增加。这些现象都是即将发生强烈 井喷 的前 兆 。 7 钻 井时放空 或钻入低 压层 ， 会 发生井漏 ， 当液 面 下降到一定程度时， 同层或其他层的井底压力小于地 层压力 时 ， 就转漏 为喷 。 8 钻井液密度 降低 。出 口钻井液 密度下降有 时表 示 正发生井 涌 ， 钻井 液密度减 小的某些 原因是 ①岩 屑 体积减小 ； ②有地层流体侵入， 尤其是气体 ； ③充气钻 井液从钻 井液池循 环入井 。岩屑 中含 气只在接近地 面 时 由于气 体膨胀 ， 才能使钻井 液密度 下降 ， 它不会使 全 井钻井液 密度下 降 。 9 返 出的钻井 液 中有 油花 气 泡 ， 这 是进 入 油气 层 的直接标 志 主要征 兆 。 根据 上述溢流 和井涌预 兆就可 以预测井喷 。 3井喷预测机理 根据 以上分析口 。 ] ， 以下钻井工 程参数与 井喷预 测 密切相关 。这些信 号包括 钻 压 、 大钩 负荷 、 转盘转 速 、 返 出流量 、 泵 压 、 钻井 液密度 、 钻 井液池液 位和体积 ， 硫 化 氢浓度等 。 根据专 家经验 和综合分 析 ， 决定关键 参量 。 ] 的变 化 ， 作为 主要 依据 来判 断 外溢 、 井 涌 、 井喷 。采集 的主 要 关键参量 为钻井液 总池体 积 、 出 、 入 口流量 和立管 压 力 。当井 涌 溢 、 喷 时 ， 钻 井 液 池体 积 、 出 口流 量 增 大 ， 立管压力 先略增 后 降 ， 入 口流量 则先 降 后升 ， 井 涌 溢 、 喷 可能具有 间歇性 。 利用计算机实时监测这些钻井工程关键参数， 既 要 监督各参 数 的变 化 ， 更 要 判别 出他 们 的变 化趋 势 。 抓住 异常情 况 的主 要特 征参 数 ， 然 后经 过查 询 、 比较 、 计 算 、 归纳 而迅速做 出报警提 示 。在此思 想指导下 ， 完 成 了计算机 监控系统 和智能决 策软件 的设 计 。 4 井喷预测数学模型的建立 根据参 数对各种 钻井工程 异常事故 的响应可 归类 为趋 势变化 型 、 幅度 变 化 型和 突变 型 。趋 势 变化 型 采 用平 均值法 来求参 比值 ， 幅度 变 化 型采用 均 方根 法 来 求 参 比值 ， 突变型采 用前单点值 法求参 比值 。 4 ． 1 危险指 数的计算 首先根 据各钻井 工 程异 常 事故 确定 各 相关参 数 ， 用 向量表示 设 z一 ， ， ⋯ ， 表 示 趋 势 变 化 型 参 数 各值 ； Y 一 - ， Y ， ⋯ ， Y 表示幅 度变化型参数 各值 ； n a ， a ， ⋯ ， n 表 示 趋 势 变 化 型 参 数 报 警 天然气工业 2 O 1 O 年 1 月 门限 ； b 一 6 ， b z ， ⋯ ， b 表 示 幅 度 变 化 型 参 数 报 警 门 限值 ； 一 ， 一， 表示趋 势变化 型参数加 权值 ； 一 ， ， ⋯， 表示幅度变化型参数加权值。 报警门限值是根据大量的实际井控资料归纳 计算 出来 的 ， 并可根 据现场实 际情况加 以调整 ， 加权值 是根 据各相 关参数所 对应 的权 重确定 的 。 P ∽一∑ [ 一z ／ a ] ∑ j E y a , ／ b ] 1 J一 1 其 中 z 一 ∑ 。 一 吉 [ ， 一 ∑ ∑ 一1 i 一 1 J 1 4 ． 2异 常报警原则 钻 井 工 程 异 常 事 故 的危 险指 数 为 当危 险指 数 10 1时， 系统发出该钻井工程异常事故报警信息 ， 如果同时有两 个或两个 以上 的 lD 1 ， 根据 最相似 原 则 ， 取为最大值 的一个 钻 井 工程 异 常事 故项 产 生 报警 信息 。 5 实例验证 5 ． 1实例数据 见表 1 ． 表 1 W 并井涌事故实例数据表 5 ． 2结果分析 根据式 1 ， 计算井喷危险系数 。由参数的响应类 型可知三类参数均为趋势变化型参数。由现场数据可 得到 X一 1 5 2 ． 1 l ， 4 9 ． 6 ， 1 4 ． 6 ， 为 趋势变 化 型参数 ， A 一 1 ， 5 ， 0 ． 5 为趋 势 变化 型参 数 报警 门限 。根据 各 相 关参数所 对应 的权 重确 定 一 0 ． 4 ， 0 ． 4 ， 0 ． 2 。报警 门限值 是根据 大量 的实际井控 资料 和中 国石油 天然气 集 团总公 司井 控规 范归 纳计 算 出来 的 ， 权 重根 据 专家 经验与相关资料的优先来定。其 中 一1 5 1 ． 3 2 ； 3 3 ． 7 8 ； 一1 5 ． 3 ， 由此代 入趋势 变化型计 算公式 ， 可得 到 当前 危险指 数为 1 ． 3 0 1 6 ， 达 到危 险等级 。同时与常 规判断 得到 的结果进行 对 比 ， 结 果表 明 系统对 井喷事 故判断 正确 。 6结论 与 认识 1 钻 井过程 中发生 溢流 、 井 涌 ， 其井 喷却是 非常严 重的事故 。井喷发生的根本原因在于井筒内压力失去 平 衡 ， 井筒 内液柱 压力 和井 口压 力小于地 层压力 ， 就会 发 生溢 流或 井 涌 ， 若 此 时控 制 措 施 不 当， 便 会 发 生 井 喷 。 2 钻井 的溢 流和井 涌是井 喷的先兆 。井喷 前兆除 了溢流 和井 涌外 ， 还有 一 些其 他 征 兆 ， 如泵 压 变化 ， 钻 具 重量变化 ， 钻井 液密度 变化 ， 油 气水侵 入引起 的录井 参数变化等， 外溢量、 钻井液体积变化和其他变化等。 3 研究发现 ， 钻井工程参数与井喷密切相关。通 过监 测这些 工程参 数 的变 化 ， 即 可发 现 井喷 发 生 的可 能性 。根据 这一机 理 ， 建 立 了井 喷 预测 数 学模 型 。通 过对 工程参数 危 险指数 的计算 和 分 析 ， 即可 判 断井 喷 事故 是否发 生 。通过 实例验 证 了此计 算 和井 喷预测模 型是 正确可靠 的。 参 考 文 献 [ 1 3张振峰 ， 梅大成 ， 陈彩华 ， 等． 基于 S OP C的井喷预测 系统设 计 E J ] ． 计算机测量与控 制， 2 0 0 9 6 1 0 7 3 1 0 7 6 ． E 2 3厉玉玺 ， 曾庆真． 浅气层井喷的原 因分析及其预防[ J ] ． 内蒙 古 石油化工 ， 2 0 0 6 6 1 3 2 1 3 3 ． E 3 3余明发 ， 宋玉 明， 柳金钟 ， 等． 录 井现场工 程异 常预报研 究 [ J ] ． 录井技术 ， 2 0 0 0 ， 1 1 3 1 7 2 6 ． [ 4 ]杨爱民， 辛国斌． 微机在钻井溢流监测中的应用 [ J ] ． 天然气 工 业 ， 1 9 9 4 ， 1 4 5 4 7 4 9 ． E 5 3徐祖燧． 井喷特征及其处理方法[ J ] ． 中国井矿盐 ， 1 9 8 6 5 6 7 ． E 6 ]郝瑞． 钻井工程E M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． E T ]钟 水清 ， 徐进 ， 甘 升平 ， 等． 已封 固发 现天然 气气 井重钻接 替井的配套技 术研究E J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 3 2 O 一 2 7 ． 收稿 日期2 0 0 9 1 0 1 7编辑钟水清