应用综合录井参数在钻进中的溢流预报方法

0 引 言

重庆开县12.23井喷特大事故、墨西哥湾漏油事故发生后,国内、国际对石油勘探开发过程中的井控工作越来越重视^[1]。综合录井技术具有获取地下信息及时、多样,分析解释快捷的特点。从综合录井仪不间断监测的实时参数中及时发现与溢流相关的异常变化参数,准确判断和及时预报溢流,对钻井队在溢流初期及时控制井口具有十分重要的作用。由于综合录井仪随钻采集工程、钻井液、气测及由工程和钻井液参数计算出的衍生地层压力参数多达4大类39项。为了从众多参数中及时发现和溢流相关的异常变化参数,录井坐岗人员必须熟知参数异常变化中所蕴含的本质。自20世纪90年代以来,随着计算机技术在录井现场的普及,全国各大录井公司和综合录井仪生产厂家先后对异常预报自动化系统进行了研究与应用,但由于研究人员对工程异常所引起的参数变化的对应关系认识不足,造成自动化系统误判率高。通过利用综合录井参数在钻进过程中溢流预报方法的研究,希望对现场操作人员和相关井控程序开发人员的工作能起到一定的帮助作用。

1 综合录井参数概述

综合录井参数按照监测范围划分为工程参数、钻井液参数、气测参数、地层压力参数4大类。

1.1 工程参数

工程参数包括钻井泵冲数、转盘转速、立管压力、大钩负荷、转盘扭矩等参数。其在钻井井控工作中的作用,是通过参数的异常变化特征,辅助判断所钻地层岩性、构造及是否有大量地层流体侵入井筒。

1.2 钻井液参数

钻井液参数包括出、入口钻井液密度、温度、电导率、流量、钻井液总池体积、计量罐体积及各个池体积等参数。其在钻井井控中的作用是通过监测井口返出的钻井液性能的变化进一步确定是否有地层流体侵入钻井液;通过对出口流量、总池体积液位的变化,辅助判断是否发生溢流。

1.3 气测参数

气测参数包括全烃(T_g)、烃组分C₁-nC₅、非烃气体CO₂和H₂等参数。通过分析钻井液中全烃、非烃气体含量的高低及趋势线形态,辅助判断是否有可能发生溢流。

1.4 地层压力参数

地层压力参数包括泥(页)岩密度(由人工测量录取)、dc指数等,由现场实测或计算录取,因在实时预报中具有滞后性,故本文不予研究。

2 综合录井参数实时响应特征

溢流是钻到储集层或异常高压过渡带,有地层流体侵入井筒造成的结果。钻进过程中有地层流体侵入井筒时,就会在综合录井仪某个或多个参数的异常变化上体现出来^[2]。

2.1 钻遇储集层时录井参数的响应特征

储集层是地层流体的储存“仓库”,通过综合录井参数的异常变化及时发现储集层,是溢流预报的起点。虽然不是钻遇所有的储集层都会发生溢流,但它可警告录井坐岗人员可能发生溢流。在钻进过程中,遇到异常高压地层过渡带、碳酸盐裂缝发育段或溶洞时,由于地层欠压实,裂缝、溶洞发育,会发生钻速突然加快、蹩跳钻和放空现象,相对应钻时会突然变小,转盘转速波动趋势加大,转盘扭矩波动趋势减小,悬重跳变或突然增大。

2.2 井侵后录井参数的响应特征

井侵是溢流发生的必要条件。利用综合录井参数的异常变化,及时发现钻井液被油气水侵,提示井队合理调整钻井液密度,对一次井控工作具有十分重要的作用。由于工程、钻井液、气测参数在井侵、溢流发生时都会有明显的指示,所以对综合录井参数在钻进过程中溢流预报方法的研究,对现场防止误判、漏判,指导安全钻进具有实际指导意义。

2.2.1 泵压、泵冲数

钻进到储集层后,当井底压力小于地层压力形成负压差时,地层流体会侵入井筒内。负压差越大,流体侵入井筒的速度越快。当侵入流体使环空内钻井液密度小于钻具内钻井液密度时,由于“U”型管效应,钻具内的钻井液会加速向环空流动,故泵压下降,泵冲数增加。

2.2.2 钻具悬重

油气水侵入井筒后,由于钻井液密度下降,钻具所受浮力减小则悬重增加;地层盐水侵入井筒后,其密度大于钻井液密度则悬重减小,小于钻井液密度则悬重增大。

2.2.3 钻井液性能

地层流体侵入钻井液后,钻井液性能的变化随侵入流体的量而改变,即在井底存在负压差时钻井液性能才能改变,负压差越大,钻井液参数变化越明显。

2.2.4 全烃含量

在钻进过程中,气测烃类含量明显升高,说明有油气侵入井筒内。烃类含量越高说明钻遇地层油气显示越好。烃类显示时间越长说明地层渗透性越好,井底负压差越大。

2.3 发生溢流时录井参数的响应特征

溢流是气侵未得到有效控制而进一步发展的结果,及时发现溢流是二次井控的关键,有反映溢流的参数发生明显变化,说明已经发生了溢流。

2.3.1 出口流量

地层压力大于井底压力时,地层流体流入井内,增加了钻井液在环空的上返速度,气体临近井口因压力降低快速膨胀百倍甚至千倍,使出口管线内的钻井液流速加快,流量增加。

2.3.2 钻井液罐液面

钻井液罐液面上升是溢流发生的可靠信号之一,罐内钻井液的增量就是溢流量。溢流发生时钻井液罐液面上升的快慢取决于地层的渗透率、孔隙度和井底压差。

3 录井参数溢流监测方法

应用综合录井参数对溢流的监测与预报,应坚持从速原则,即发现异常立即预报。在填写异常预报时,笔者认为描述清参数变化的趋势即可,不必对参数变化的大小具体描述。对参数变化大小进行具体描述,需要坐岗人员从数据库查询,这样会影响坐岗人员对下一个异常的观察和判断。

参数异常是由工程异常引起的,某一工程异常可能引起多个参数的变化(一因多果)。反之,某几个参数的同时异常才能说明某一工程异常的发生(多因一果)。工程异常预报就是对多个工程异常参数进行分析后形成多因一果的综合判断,由参数异常反推出工程异常的过程。表1^{[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]}行中参数变化趋势为列中某一工程异常发生时,所引起的某几个传感器监测参数或衍生参数的变化趋势。简言之,就是列中某一工程异常发生时,必然会引起其所对应行中的某几个参数的异常变化;反之,行中某几个参数发生异常变化时,证明其所对应的列中的某一异常类型已经发生。

表1

表1   工程异常引起录井参数变化(一因多果)规律

   

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例如:钻头放空时,由于钻遇裂缝或溶洞时钻头突然失去支撑面,钻头快速下行使钻时为0,悬重瞬间上升,钻压变为0;由于钻头与“井底”接触面的不均匀,导致转盘扭矩和转速出现忽大忽小的波动形态;由于钻遇裂缝或溶洞时,井筒容积的突然增大,使返出井口的钻井液瞬时或长时间减少或失返,总池体积会减少,幅度与增大容积相关;由于返出井口的钻井液减少或失返,钻井液与井壁的摩阻减小,钻井泵负荷减小,泵冲数会有增加的趋势,变化幅度与井深和增大容积大小有关。该例中并非说所有列举的参数都发生了变化,才可以判断为钻头放空,笔者对参数变化的速度及幅度做了经验性定义。

“微变或不变”,即某工程异常发生时,该参数变化幅度极小或者是不变,其变化与否由异常发生时的客观条件决定。如参数泵冲数和总池体积在钻头放空后的变化由裂缝和溶洞容积大小决定,如果容积等于或略大于钻井泵排量,该参数不会发生变化,如果容积足够大和无限大,在异常发生初期会产生细微的变化,但随着时间的推移会有明显的变化。“变化”,即某类异常发生时,该参数一定会发生变化,此因必有此果,如案例中转盘扭矩和转速两个参数。“速变”,即工程异常与参数变化同时发生,且变化幅度很大,如案例中的钻时、悬重和钻压3个参数。综合录井异常预报受传感器安装位置、传感器灵敏度、工况等因素的影响,没有一成不变的规律可寻。因此,在实际工作中对钻进过程中溢流的监测应详查速变参数,抓住变化参数,细究微变参数,从钻头→井筒→钻井液出口→池体积^[4]依次展开溢流监测与预报。

3.1 对钻头的监测

监测钻头的目的是及时发现储集层或异常高压过渡带。其方法是通过对异常工程参数的分析,从而判断钻头的工作状态,再从钻头的工作状态发现储集层及异常高压过渡带。在钻进过程中,遇到储集层及异常高压地层过渡带、碳酸盐裂缝发育段或溶洞时,由于地层欠压实,裂缝、溶洞发育,工程参数会发生一系列的变化(表1)。

例如:2012年2月29日8:47塔里木油田LN 4-2C井钻进至井深 5 541.95 m,钻时降为0、悬重升高、钻压下降为0,这是钻头放空时在工程参数上的典型表现,但如果没有其他参数佐证,则只能判断为疑似钻头放空。因为一旦井深跟踪系统中悬重或绞车传感器出现故障,也可能引起上述参数的变化趋势发生。随后转盘扭矩增大、转速降低,这是钻遇裂缝或溶洞时由于钻头和井底接触面不均匀而发生的蹩钻头在工程参数上的体现。由以上两步分析,可以判断为钻头放空,接着立管压力微降、泵冲数微增、出口流量微降,说明钻遇裂缝或溶洞的容积很大,在工程参数上有细微的体现(图1),进一步印证了钻头放空的判断。该例通过对钻时、悬重、钻压3个“速变”参数,转盘扭矩、转速两个“变化”参数和立管压力、泵冲数、出口流量3个“微变”参数的综合分析,归纳出钻头放空的井底异常,而现场人员的描述是钻压由33.3 kN下降至0 ,立管压力由20.9 MPa下降至19.1 MPa,其他参数无变化,判断为放空。

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图1   LN 4-2C井工程异常实时曲线图

   

笔者认为,坐岗人员在引用参数上存在失误:在预报时没有对异常发生时的速变参数进行全面观察,对变化参数漏查,而以不具有代表性的钻压、立管压力来做出放空的判断结果不具有可信性。钻压、立管压力、泵冲数下降不一定是放空后独有的结果,上提钻具、变泵速等原因也会导致钻压、立管压力、泵冲数下降。由于预报不具有说服力,钻井队没有采纳,最终导致溢流发生。

3.2 对井筒的监测

对井筒监测,是在井底发生异常后对参数变化的继续观察与分析,目的是及时发现井侵。对井筒的监测主要通过悬重、立管压力、泵冲、出口流量、总池体积5个参数的变化分析判断。在理论上,钻遇储集层或异常高压过渡带时,井底负压差越大,流入井筒的地层流体越多,井侵的程度越严重。侵入流体随环空钻井液向上运移,对钻井液会发生稀释作用,使钻井液密度降低,从而造成钻井密度对钻具的浮力降低,悬重增加。环空钻井液密度降低后,在钻具与环空“U”型管效应作用下,钻具内的钻井液会加速向环空流动,故立管压力微降,泵冲冲数微升,出口流量微增(表1)。例如LN 4-2C井8:47放空后至8:56悬重再次升高,立管压力降低、泵冲冲数微升,出口流量微增(图1),说明此时已发生溢流。但坐岗人员没有从微变参数异常发现溢流,错失了控制井口的最佳时间,至9:34司钻因泵压下降,停泵后发现井口外溢,才采取压井措施。

不是所有的井侵都能通过工程参数变化监测到。如侵入井筒流体的量不足以使钻井液密度明显降低时,能通过工程参数变化监测到的井侵说明侵入井筒的流体量已经很多,“井底溢流”已经发生。该现象一定要引起录井坐岗人员的高度重视。

3.3 对钻井液出口的监测

对钻井液出口的监测,包括对钻井液性能、出口流量、气测参数的监测,是对井筒井侵的进一步落实。如果出口流量增加,说明已经发生了溢流;如果出口流量没有明显变化,钻井液性能已经发生变化,气测参数持续上升或达到某一峰值时持续稳定,仍然有溢流发生的可能。

3.3.1 钻井液性能和气测值的变化

综合录井参数中钻井液出口密度、电导率^[14]、温度参数是判别储集层流体性质的参数。从理论上讲,在钻遇油气水层后这3个参数将有不同程度变化,其变化幅度和流体侵入井筒的多少呈正相关关系。在近平衡钻进中,由于实际侵入井筒的地层流体量比较少,对参数的贡献也较小,表现为这3个参数变化不明显甚至无变化;反之,当传感器监测到这3个参数明显变化时(表1),说明地层流体侵入井筒的量已相当多,这是“疑似溢流”的表现。

气测录井参数中,全烃值明显升高是钻遇储集层的明显标志。当全烃峰值持续上升达到某一值或饱和状态无下降趋势时,说明地层油气在不间断地侵入井筒,这是发生溢流的明显警告。此时辅助人工观察,如果发现出口有丰富的气泡或油花,则说明已经发生溢流。例如:塔里木油田ZG 16-H1井在2013年4月29日3:09,全烃值由0.08%上升至78.09%,录井坐岗人员通知司钻停钻观察,循环6 min后继续钻进;3:22出口电导率、温度微增,出口密度微降(图2),但坐岗人员由于对钻井液性能、气测值变化和溢流的相关性认识不足,未及时对“疑似溢流”进行预报,导致4:18溢流量5.1 m³时录井和泥浆坐岗人员才发现溢流。

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图2   ZG 16-H1井溢流发生前实时曲线

   

3.3.2 出口流量

在溢流发生时,出口钻井液流出量等于钻井泵泵入量加侵入地层流体流量。出口流量参数的上升幅度和侵入井筒的流体量呈正相关。在现场监测中,当发现出口流量上升时,说明已发生溢流。由于监测设备存在差异,溢流初期出口流量变化被发现的可能性各不相同。靶式流量传感器采用机械原理,测量精度低,微小溢流很难被发现。在此建议用超声波液位传感器^[15]或灵敏度更高的传感器(图1中使用超声波液位传感器监测出口流量)。

3.4 钻井液总池体积的监测

对钻井液总池体积的监测是一项在理论上简单,而在实际监测中非常繁杂的工作。理论上,池体积上涨说明有溢流发生,但由于池体积自钻井开始,在开停钻井液泵、加钻井液添加剂、钻井液倒灌、开停除砂器等因素影响下,其液位上涨与下降都处在一个不断变化的过程中,池体积上涨并不能说明有溢流发生。只有当排除外界干扰,同时钻井液性能明显改变或气测全烃峰值大幅升高且出口流量有上升趋势时,总池体积上升才能判断有溢流发生。

4 发生溢流的判断方法总结

钻进过程中溢流的发生,在综合录井参数的变化上首先会表现出来。由于流体不同、井底压差不同,在不同参数的响应时间上也会表现不同。

判断是否发生溢流的方法为:①通过观察钻时、悬重、钻压3个“速变”参数,转盘扭矩、转速两个“变化”参数和泵压、泵冲数两个“微变”参数的综合分析,判断是否钻入储集层、裂缝或溶洞,如果是说明有溢流发生的可能。②通过悬重、立管压力、泵冲、出口流量、总池体积5个参数的变化分析判断在钻遇储集层、裂缝或溶洞后是否发生气侵,如果发生说明已经出现“井底溢流”。③当综合录井参数中钻井液出口密度、电导率、温度参数发生微变时,说明侵入井筒的地层流体量大,是疑似溢流的明显标志。④当全烃峰值持续上升达到某一值或饱和状态无下降趋势时,说明地层油气在不间断地侵入井筒,这是发生溢流的明显警告。⑤当第3、第4条件成立时,出口流量上升和总池体积增加说明已经发生溢流。

5 结束语

现场录井人员要准确做出溢流预报,现场除应尽量配备、安装较先进的传感器,综合录井人员要有高度的责任心外,还应该加强特殊案例和典型案例的分析与研究,从中吸取经验,总结规律。自20世纪90年代始,随着人工智能的发展,各个录井公司或仪器厂家都各自开发了井控预警系统,但在应用中误报率较高。笔者所在的公司目前有4个不同版权的井控预警系统,在实际应用中不能完全满足现场需求,说明井控预警由人工走向智能还需广大工程技术人员和编程人员共同努力。希望本文对现场录井操作人员和相关井控预警系统程序开发人员的工作有所帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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