CN106948803A - 起钻过程井涌的压井处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起钻过程井涌的压井处理方法：关井并在节流管汇中接入质量流量计；通过钻进过程的水力参数及其他参数求取地层压力；通过控制节流阀开度，结合质量流量计的读数，进行第一次带压下钻作业；判断钻头是否遇到气侵钻井液；压井下钻深度和压井液密度的确定；工程师法压井，一个循环周循环出井内气侵钻井液；循环计算压井下钻深度和密度确定及工程师法压井，直至气侵钻井液全部循环出井。该方法可以对下钻过程中的井涌进行压井设计，通过理论计算和工艺操作，判断出钻头抵达气侵钻井液顶部的时间，从而确定压井开始的时间，为安全、有效循环出井内气侵钻井液提供了保障。

Description

起钻过程井涌的压井处理方法

技术领域

本发明属于石油钻井井控技术领域，尤其涉及一种钻井起钻过程中井涌的压井处理方法。

背景技术

在传统的钻井及作业过程中，起下钻杆和起下油管过程中发生的气侵、井涌甚至井喷事故占有很大比例。发生这种情况的一个主要原因是在起钻时，泥浆泵停泵使由循环压耗转化的当量循环密度消失；另一方面，起钻时由于钻具在井筒内向上移动，带动井内钻井液流动，产生的抽吸效应会导致井底压力出现降低；此外，起钻速度过快并且起钻过程未能及时向井内补充钻井液，直接导致井筒内静液柱压力降低，从而使井底压力降低。前两种情况是伴随起钻过程必然发生的，而一旦由于人为操作不当导致第三种情况发生，则会加剧引发井底压力与地层压力之间的欠平衡状态，此时地层流体就会侵入井筒，引起气侵，进一步发展会引发井涌甚至井喷。

起钻过程中发生井涌，由于钻具远离井底，钻具和环空不再是一个简单的U型管模型，因此无法直接用常规的司钻法或者工程师法进行压井。起钻引起的井涌与钻进过程中遇到高压层引起的井涌是不同的，前者的钻井液密度可以平衡地层压力，因此容易得到地层压力的数值，这与常规的关井求地层压力的方法是不同的。目前在处理钻头不在井底工况下发生的井涌或井喷时，常把井筒的U型管模型考虑为Y型管模型。但由于钻头不在井底发生井涌的工况有多种复杂情况，如钻遇高压层后钻具脱落或钻具刺漏、易漏地层下钻速度过快地层先漏后喷、正常钻井起钻不规范引起井涌。因此无法用一种统一的压井方法处理不同的复杂井涌。针对钻井起钻过程中的井涌，目前还没有合适的压井方法，这也是钻井井控的一个难点。

发明内容

为解决钻井起钻时引起井涌，而钻头不在井底无法使用常规压井方法的问题，本发明提出一种起钻过程中引发井涌的压井处理方法，结合气液两相流的流动规律和井涌量关键参数的计算，能够通过逐步下钻到井底的方式将井内气侵流体循环出井筒，从而为成功压井提供保障。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

起钻过程井涌的压井处理方法，是在起钻过程中由于停泵和抽吸原因造成井底欠平衡，而发生地层气体侵入井筒和井涌后，采取如下步骤：

a.关井并在节流管汇中接入质量流量计；

b.通过钻进过程的水力参数和井参数求取地层压力；

c.通过控制节流阀开度，结合质量流量计的读数，进行第一次带压下钻作业；

d.判断钻头是否遇到气侵钻井液；

e.压井下钻深度和压井液密度的确定；

f.工程师法压井，循环出井内气侵钻井液；

g.循环步骤e.和步骤f.，直至气侵钻井液全部循环出井。

上述方案的具体方案是：

a.关井并在节流管汇中接入质量流量计；

b.通过钻进过程的水力参数和井参数，求取地层压力：水力参数包括钻井液密度、钻井液塑性粘度及钻井液排量，井参数包括垂直井深和钻具直径及井眼内径；

c.在关闭防喷器组的前提下进行带压强行下钻，通过调节节流阀的大小，记录质量流量计的读数，保证下完一个单根，井口返出一个单根柱体体积的钻井液，从而保证下入钻具与排出钻井液的体积相等；下完N个单根后关井，并读取井口压力表数值P_a1；

d.通过记录立管压力表读数和井口压力表读数的对比，判断钻头是否遇到气侵钻井液；如果未遇到则继续步骤c，否则进行步骤e的计算；

e.钻头遇到气侵钻井液后，根据每次压井能循环出的气体量，计算压井下钻深度和压井液密度；

f.利用工程师法压井，一个循环周循环出钻头上部环空中的气侵钻井液；

g.循环步骤e和步骤f，直至气侵钻井液全部循环出井。

上述方案进一步包括：

步骤b中求取地层压力的下公式为：

式中：P_e为地层压力，Pa；ρ_m为钻井液密度，kg/m³；f为环空水力摩阻系数，无量纲；H为井深，m；v为钻井液在环空中平均流速，m/s；μ_pv为钻井液塑性粘度，Pa·s；D_h为井眼直径，m；D_p为钻柱外径，m；Q_m为钻井泵排量，m³/s；g为重力加速度常量，m/s²。

步骤e中气侵钻井液中气体量即气体体积采用如下公式：

式中：V_k为侵入井内气体体积，m³；ρ_m为钻井液密度，kg/cm³；D_h为井眼直径，m。

步骤e中每次压井下钻深度和压井液密度的计算采用以下公式：

M＝int(V_k/2)+1

式中：为第i次压井时采用的钻井液密度，g/cm³；H_g为起钻遇到井涌时钻头离井底的深度，m；N为下钻中钻头刚遇到气侵钻井液时的下钻单根数；L_p为每根钻杆的长度，m。

针对起钻过程中发生的井涌，本发明的优势是：能够通过多次带压下钻作业，逐步确定钻头遇到气侵钻井液的时间，从而为可以确定压井开始的时间，避免压井的盲目性，提高成功压井的概率。该方法计算过程较简单，操作工艺不复杂，操作步骤容易实施，能安全、高效地将地层侵入流体循环出井筒，为现场压井操作提供理论和技术支持。

附图说明

图1是本发明起钻过程井涌的压井处理方法的示意图。

1、钻井泵；2、立管压力表；3、防喷器组；4、钻柱；5、回压凡尔；6、钻具与井眼环空；7、钻头；8、气侵钻井液；9、四通；10、井口压力表；11、质量流量计；12、节流管汇；13、节流阀；14、气液分离器；15、振动筛；16、真空除气器；17、泥浆池；18、气层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1所示，钻井设备包括钻井液由地面钻井泵1依次经立管压力表2、防喷器组3、钻柱4、回压凡尔5到达钻头7喷出，再由钻具与井眼环空6、四通9、井口压力表10、质量流量计11、节流管汇12、节流阀13、气液分离器14、振动筛15、真空除气器16返回到泥浆池17。

在钻至气层18后，起钻过程中由于停泵和抽吸原因造成的井底欠平衡，发现井涌，此时压井处理方法包括以下步骤：

1、关井并在节流管汇中接入质量流量计

起钻过程发生井涌时，首先关井：关闭防喷器组3，并关闭节流阀13。在节流管汇中接入质量流量计11，并读取井口压力表10的读数P_a0。

2、通过钻进过程水力参数和井参数求取地层压力

通过钻井液密度、钻井液塑性粘度、钻井液排量水力参数，和钻井垂深、钻杆外径及井眼内径其他参数求取地层压力。

式中：P_e为地层压力，Pa；ρ_m为钻井液密度，kg/m³；f为环空水力摩阻系数，无量纲；H为井深，m；v为钻井液在环空中平均流速，m/s；μ_pv为钻井液塑性粘度，Pa·s；D_h为井眼直径，m；D_p为钻柱外径，m；Q_m为钻井泵排量，m³/s；g为重力加速度常量，m/s²。

3、带压下钻N个单根

在关闭防喷器组3的前提下进行带压强行下钻，通过调节节流阀13的大小，记录质量流量计11的读数，保证下完一个单根，井口返出一个单根柱体体积的钻井液。下完N个单根后关井，并读取井口压力表数值P_a1。

4、判断钻头是否遇到气侵钻井液顶部

以小排量打开钻井泵1，调节节流阀至P_a1，稳定后记录立管压力表2的读数P_s1，之后停钻井泵1，同时关闭节流阀13。

比较P_a1和P_s1的大小：

如果P_a1＝P_s1，则钻头未遇到气侵钻井液8，重新进行步骤2；

如果P_a1>P_s1，则钻头已经遇到气侵钻井液8，继续进行步骤4，此时侵入井内气体的总体积为：

式中：V_k为侵入井内气体体积，m³；ρ_m为钻井液密度，kg/cm³；D_h为井眼直径，m。

以“1方发现，2方关井”的标准进行循环井内气侵钻井液8，每次循环出2方的侵入气体。则需要压井的次数为M：

M＝int(V_k/2)+1 (5)

5、压井下钻深度和压井液密度的确定

进行压井需要继续下钻的深度Δh为：

压井液密度为：

气侵钻井液8中的含气率为：

式中：为第i次压井时采用的钻井液密度，kg/m³；H_g为起钻遇到井涌时钻头离井底的深度，m；N为下钻中钻头刚遇到气侵钻井液时的下钻单根数；L_p为每根钻杆的长度，m。

6、工程师法压井循环气侵钻井液

通过常规的工程师法进行压井，将井内的2m³气侵钻井液8循环出环空，之后关井。此时井内已经停止侵入地层流体。

7、循环步骤5和步骤6，直至气侵钻井液全部循环出井

继续循环步骤6和步骤6，每次下钻Δh，直至钻头下放到井底，完成最后一次压井作业。

最后一次压井的压井液密度为压井前的钻井液密度ρ_m。

本发明可以对下钻过程中的井涌进行压井设计，通过工艺操作和理论计算，判断出钻头抵达气侵钻井液顶部的时间，从而确定压井开始的时间，为安全、有效循环出井内气侵钻井液提供了保障，为而压井作业的实施提供了理论指导。

Claims (5)

1.起钻过程井涌的压井处理方法，其特征在于起钻过程中采取如下步骤：

a.关井并在节流管汇中接入质量流量计；

b.通过钻进过程的水力参数和井参数求取地层压力；

c.通过控制节流阀开度，结合质量流量计的读数，进行第一次带压下钻作业；

d.判断钻头是否遇到气侵钻井液；

e.压井下钻深度和压井液密度的确定；

f.工程师法压井，循环出井内气侵钻井液；

g.循环步骤e.和步骤f.，直至气侵钻井液全部循环出井。

2.根据权利要求1所描述的压井处理方法，其特征在于起钻过程中具体采取如下步骤：

a.关井并在节流管汇中接入质量流量计；

b.通过钻进过程的水力参数和井参数，求取地层压力：水力参数包括钻井液密度、钻井液塑性粘度及钻井液排量，井参数包括垂直井深和钻具直径及井眼内径；

c.在关闭防喷器组的前提下进行带压强行下钻，通过调节节流阀的大小，记录质量流量计的读数，保证下完一个单根，井口返出一个单根柱体体积的钻井液，从而保证下入钻具与排出钻井液的体积相等；下完N个单根后关井，并读取井口压力表数值P_a1；

d.通过记录立管压力表读数和井口压力表读数的对比，判断钻头是否遇到气侵钻井液；如果未遇到则继续步骤c，否则进行步骤e的计算；

e.钻头遇到气侵钻井液后，根据每次压井能循环出的气体量，计算压井下钻深度和压井液密度；

f.利用工程师法压井，一个循环周循环出钻头上部环空中的气侵钻井液；

g.循环步骤e和步骤f，直至气侵钻井液全部循环出井。

3.根据权利要求2所描述的压井处理方法，其特征在于步骤b中求取地层压力的下公式为：

$P_e={\mathrm{\ρ}}_{m}gH+\frac{0.2{\mathrm{f\ρ}}_m{\mathrm{Hv}}^2}{D_h-D_p}$

$f=0.0295\×{\[\frac{{\mathrm{\μ}}_{pv}}{{\mathrm{\ρ}}_m(D_h-D_p)v}\]}^{0.2}$

$v=\frac{4Q_m}{\mathrm{\π}(D_h^2-D_p^2)}$

式中：P_e为地层压力，Pa；ρ_m为钻井液密度，kg/m³；f为环空水力摩阻系数，无量纲；H为井深，m；v为钻井液在环空中平均流速，m/s；μ_pv为钻井液塑性粘度，Pa·s；D_h为井眼直径，m；D_p为钻柱外径，m；Q_m为钻井泵排量，m³/s；g为重力加速度常量，m/s²。

4.根据权利要求2所描述的压井处理方法，其特征在于步骤e中气侵钻井液中气体量即气体体积采用如下公式：

$V_k=\frac{({\mathrm{\ρ}}_{m}gH-P_e+P_{a1}){\mathrm{\πD}}_h^2}{4{\mathrm{\ρ}}_{m}g}$

式中：V_k为侵入井内气体体积，m³；ρ_m为钻井液密度，kg/cm³；D_h为井眼直径，m。

5.根据权利要求2所描述的压井处理方法，其特征在于步骤e中每次压井下钻深度和压井液密度的计算采用以下公式：

$\mathrm{\Δ}h=\frac{8}{\mathrm{\π}(D_h^2-D_p^2)}$

${\mathrm{\ρ}}_k^{\left(i\right)}=\frac{p_e-{\mathrm{\ρ}}_{m}g(1-E_g)(H_g-{\mathrm{NL}}_p-i\mathrm{\Δ}h)}{g(H-H_g+{\mathrm{NL}}_p+i\mathrm{\Δ}h)},(i=1,2,3,...,M-1)$

$E_g=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{m}gH-P_e+P_{a1}}{{\mathrm{\ρ}}_{m}g(H-H_1)}$

M＝int(V_k/2)+1

式中：为第i次压井时采用的钻井液密度，g/cm³；H_g为起钻遇到井涌时钻头离井底的深度，m；N为下钻中钻头刚遇到气侵钻井液时的下钻单根数；L_p为每根钻杆的长度，m。