马春林
, 黄浩
中法渤海地质服务有限公司
Ma Chunlin, Huang Hao
中图分类号: TE132.1
文献标识码: A
责任编辑:
收稿日期: 2018-03-30
网络出版日期: 2018-06-25
版权声明: 2018 《录井工程》杂志社 《录井工程》杂志社 所有
作者简介:
作者简介: 马春林 工程师,1987年生,2012年毕业于西南石油大学资源勘查工程专业,现主要从事地质录井工作。通信地址:524057 广东省湛江市坡头区南油五区物业公司大楼二楼中法地质。电话:13922091423。E-mail:machunl@cfbgc.com
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摘要
针对地层中油气上窜速度的常规计算方法无法对井径变化、钻具排替和气管线延迟等进行修正的问题,引入排量倒推法。通过建立井身结构和钻具组合模型,将复杂井况细分为1 m的小段,分别计算每一小段的体积,根据后效气显示时的泵冲数换算成体积从井口往井底倒推,逐步排除对计算结果影响较大的因素,实现对上窜速度的准确计算。通过在南海西部海域多个区块的实际应用结果表明该方法计算效果较好。
关键词：
Abstract
Aiming at the problem that the conventional calculation method of the upward channeling velocity of oil and gas in formation can't correct the change of borehole diameter, the displacement of drilling tool and the delay of gas pipeline, the method of displacement inversion was introduced. Through the establishment of hole structure and make-up of string model, the complex well condition is subdivided into small segment of 1 m, and the volume of each segment is calculated respectively. According to the strokes per minute in the aftereffect gas show, inversion conversion of volume is made from wellhead to bottom hole, the factors that have greater impacts on the calculation results are gradual exclusion. Accurate calculation of upward channeling velocity is realized. The application results show that the method is effective.
Keywords：
油气层被钻穿后,地层中的油气以扩散、渗滤两种形式进入井筒液柱并沿液柱上窜[1]。在钻井和井下作业施工中,油气上窜速度是衡量井下安全的重要技术数据,是确定下一步施工方案的重要依据。油气上窜速度过快,将导致井涌、井喷问题发生,造成对地下油气资源和地面环境的破坏,并严重威胁钻井施工安全。特别是随着油气勘探开发区域的逐年扩大,地下状况不断复杂化,对钻井和井下作业技术与安全提出了更高的要求,要求计算油气上窜速度的方法更方便、计算结果更准确[2]。
由于影响因素较多,现场计算时使用常规计算方法,其计算结果往往与实际情况相差较大。通过在南海西部海域多口井的试验发现,排量倒推法能基本排除掉对上窜速度计算结果影响较大的因素,其计算结果更贴近实际。
现场常用的油气上窜速度计算方法主要有3种,分别是迟到时间法、容积法和泵冲数法。此外,武庆河[3]提出了全烃曲线法,其现场应用效果与这3种常用的方法相比各有所长。
迟到时间法:
v=
容积法:
v=
泵冲数法:
v=
全烃曲线法:
v=
式中:v为上窜速度,m/h;H为油气层顶深,m;h为循环时钻头深度,m;t为钻头位置的迟到时间,min;Δt为出峰与开泵的时差,min;t0为静止时间,h;Q为循环排量,L/min;Vc为环空理论每米容积,L/m; S1为钻头所在位置的迟到泵冲数,冲; S2为见油气显示时泵冲数,冲;ΔT为全烃曲线上油气上升拐点出现与下降拐点出现的时差,min;V1为裸眼环空理论每米容积,L/m。
仔细观察以上各公式,会发现其原理基本相同,都是基于平均的思路,将实际井筒简单地当作一个等径的井筒来处理。
前3种方法原理一致,均为先计算未受油气污染的钻井液高度h(图1),然后用油气层顶的深度H减去h得到油气上窜高度(H-h),再用油气上窜高度(H-h)除以静止时间t0,从而得到上窜速度v=
上述方法在现场都被应用过很长时间,其涉及参数少、计算简单、使用方便。但缺点也是显而易见的:因其公式过于简化,计算时没有排除井径变化、钻具排替、气管线延迟等因素的影响,故其计算结果准确性相对较差。
常规计算方法的影响因素主要有井径变化、钻具排替、气管线延迟、静止时间、迟到时间、油气显示时刻选择、油气层选择和气体浮力等。
1.3.1 井径变化
迟到时间法、容积法、泵冲数法和全烃曲线法都是通过将井筒简化为等径的井筒来计算上窜速度。区别只在于前3种方法是将整个井筒简化,全烃曲线法适用于上窜位置还在裸眼段的情况,故只简化了裸眼段。正是因为这种简化处理方式,给整个计算带来了不可消除的误差影响。
1.3.2 钻具排替
下钻过程中,当钻具到达原始油气上窜界面以下,油气界面会因为钻具的排替作用而上升。原始油气界面和因钻具排替而上升的新界面之间的环空体积与钻具排替的体积相等。钻具排替使油气界面上升,导致油气上窜速度计算结果偏大,且时间越长、钻具尺寸越大,该影响越大。
1.3.3 气管线延迟
现场采集分析气样的时候,从返出口采集到的气体往往用气管线输送至气体分析仪,根据现场条件的不同,用时1~5 min不等,等到气体分析出来的时候,井上实际上已经是几分钟以后,导致上述计算公式中的出峰时刻、累积泵冲数等都比实际要大,使计算结果偏小。
1.3.4 静止时间
在开泵循环至见到油气显示的这一段时间内,油气相对于钻井液仍然是一直向上运动的[4]。以往的方法是将停泵时间到开泵循环之间的时间记为静止时间,导致计算结果偏大。
1.3.5 迟到时间
实际下钻到底循环过程中,由于钻井液静止时间长导致粘度高,往往会缓慢开泵循环一段时间再逐渐增大直至固定排量循环,有时中途还会有换泵等情况发生。在这段时间内,根据循环排量的不同,迟到时间是逐渐变化的。若以刚开始开泵的时刻记为开泵时刻、以固定排量循环时的迟到时间记为迟到时间,会使计算结果偏小。
1.3.6 油气显示时刻选择
现场计算时,不同的人可能会确定不同的油气显示时刻。有的人会选择油气刚刚开始上升的拐点,有的人会选择油气值最高点。为了贯彻积极的井控理念,确保井控安全,建议选取显示刚刚出峰的位置(即拐点)作为油气显示时刻[5]。
1.3.7 油气层选择
对于单一油气层,油气层的顶界即为油气层顶深。对于揭开多个油气层的井,若后效全烃曲线表现为多个峰,则根据油气层的分布情况确定所对应的油气层,再根据本次后效前的实际显示基值情况来确定对本次后效有主要影响的最浅的油气层顶界作为油气层顶深[5]。
1.3.8 气体浮力
在油气侵入钻井液从井底上返到井口的过程中,可能出现纯液流、泡流、段塞流、环流甚至雾流等状态。当井筒压力低于饱和压力,钻井液中的溶解气开始分离出来时,由于气体密度小于钻井液,气体上升速度会大于钻井液上升速度,出现明显的滑脱现象,对上窜速度计算产生影响。陈中普[6]在其论文中提出了一个公式可以量化这种影响,但考虑到所涉及参数多且现场不容易获得,在此不予赘述[7,8,9,10]。
针对前述几种方法过于简化的模型在复杂井况条件下准确性较差的问题,笔者在思考过程中借鉴了微积分的方法,若将井筒分割成无数小段,在每一小段内,井径、钻具外径和钻具内径都是确定的,分别计算每一小段的井眼体积、环空体积、钻具钢体积和内容积,从井口向井底分别累积井眼体积、环空体积和钻具体积,根据后效气显示时的实际泵冲数换算成体积从井口向井底倒推下去,逐步排除各因素对计算结果的影响,将使计算结果更为准确。
(1)根据实际情况建立井身结构和钻具组合模型,考虑到现场计算的便捷性和精度要求,笔者认为以1 m步长作为取样点间隔是合适的。从井口到井底分别累积井眼体积和环空体积,方便后面查找。由于本模型是根据实际井况建立的,自然就排除了用公式来平均井径造成的误差。
(2)记录最后后效气显示时的泵冲数,根据每冲泵排量换算成体积。钻具下到井里后开泵灌浆,其效果是推动环空中钻井液上返,换算成的体积可以理解为井口到油气上窜界面之间的环空体积,于是在前面建立的模型里面可以查找该环空体积对应的深度。在油气返出井口到气管线输送气体到仪器分析气体组分的这段时间里,钻井液泵仍在往井里注浆,造成最后记录的泵冲数(即环空体积)比实际大,增大的量可采用排量乘以通过管线时间求得。用前面换算的体积减掉增大的量,再在模型里查找该结果对应环空体积的深度和井眼体积,即可把气管线延迟的影响去掉。
(3)下钻过程中,当钻具到达原始油气上窜界面以下,油气界面会因为钻具的排替作用而上升。原始油气界面和因钻具排替而上升的新界面之间的井眼体积与钻具排替的体积相等。前面已经查找到了新界面的深度和井眼体积,在新界面以下的钻具均参与排替作用。此时,只需要累积新界面以下的钻具体积,用新界面的井眼体积加上钻具体积,在模型里查找该井眼体积对应的深度,即可排除钻具排替影响从而求得原始油气上窜界面的深度。
(4)用油气层顶深减去原始油气上窜界面的深度再除以静止时间,即为上窜速度。
用Excel表格建立一个井身和钻具结构模型,分别计算出每米环空体积、井眼体积和累积体积,再编辑公式计算钻具排替体积。基本思路:对于任意深度,如果该深度在钻头深度与去掉气管线延迟的深度之间,认为钻具进入油气界面以下,钻具参与排替,否则为空。再判断“钻具排替”是“开端”还是“闭端”。若为“开端”,钻具只有钢体积参与排替,返回该深度“钻具钢体积”数值;若为“闭端”,钻具内容积和钢体积均参与排替,计算该深度“钻具内容积”和“钢体积”之和作为“钻具排替体积”。
2.3.1 输入计算用数据
包括对应后效气显示时泵冲数、钻井液泵每冲的体积、泵效、循环排量、钻头位置、钻具排替(开端/闭端)等数据。“钻具排替(开端/闭端)”是为判断钻具排替:若钻具下入过程中安装有单流阀,钻井液只能从钻具内部由钻头水眼流到井里而不能反向流动,为闭端;若未安装单流阀或者单流阀失效,则为开端。
2.3.2 计算开泵前油气上窜位置H1
用LOOKUP函数,在“累积环空体积”列中查找后效气显示时泵冲数对应的体积V1,返回该行深度,即为开泵前油气上窜位置H1(LOOKUP函数的返回值为小于查找值的最大数值)。
2.3.3 计算去掉气管线延迟影响的位置H2
根据循环排量和管线时间,计算气管线延迟体积V2,用LOOKUP函数,在“累积环空体积”列中查找(V1-V2),返回值为对应深度,即为去掉气管线延迟的油气上窜位置H2。
2.3.4 计算去掉钻具排替影响的油气上窜位置h1
用LOOKUP函数查找H2对应的“累积井眼体积”V3;用SUM函数求和该位置“钻具排替体积”列的数据,即为钻具排替体积V4;用LOOKUP函数,在“累积井眼体积”列中查找(V3+V4),返回值为对应深度,即为去掉钻具排替影响的原始油气上窜位置h1。
2.3.5 计算油气上窜速度
用油气层顶深h减去原始油气上窜位置h1,再除以静止时间t0即可得到上窜速度v=
DFX井位于南海西部莺歌海盆地某凹陷,设计井深3 968 m,完钻井深3 938 m。其井身结构为:508.00 mm升高管(内径457.20 mm)×18.00 m + 244.48 mm套管(内径216.79 mm)×3 780.16 m+ 212.73 mm井眼×139.04 m;钻具组合为:钻头 212.73 mm×0.24 m+165.10 mm钻铤(内径71.45 mm)×38.65 m+139.70 mm加重钻杆(内径98.43 mm)×134.81 m+139.70 mm钻杆(内径121.36 mm)×3 763.74 m(表1)。本文以DF×井第7次计算结果为例介绍具体计算过程。
表1 DFX井井身结构和钻具组合数据
| 井身结构 | 钻具组合 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 外径/in | 内径/in | 长度/m | 外径/in | 内径/in | 长度/m | |
| 20.000 | 18.000 | 18.00 | 6.500 | 2.813 | 38.65 | |
| 9.625 | 8.535 | 3 780.16 | 5.500 | 3.875 | 134.81 | |
| 8.375 | 8.375 | 139.04 | 5.500 | 4.778 | 3 763.74 | |
注:1 in=0.0254 m,下同2017年6月29日,某平台DFX井电测之后下钻通井,该井井身结构与钻具组合模型见表2。输入计算用的数据(表3),即DFX井第7次后效显示数据,以下具体计算参照2.3节内容。
表2 DFX井井身结构和钻具组合模型
| 深度 m | 套管/井 眼内径 in | 钻具 外径 in | 钻具 内径 in | 井眼 容积 L | 环空 容积 L | 钻具内 容积 L | 钻具 钢体积 L | 累积井 眼容积 L | 累积环 空容积 L | 钻具排 替体积 L |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 18.000 | 5.5 | 4.778 | 164.17 | 148.85 | 11.57 | 3.76 | 164.17 | 148.85 | |
| 2 | 18.000 | 5.5 | 4.778 | 164.17 | 148.85 | 11.57 | 3.76 | 328.35 | 297.69 | |
| 3 | 18.000 | 5.5 | 4.778 | 164.17 | 148.85 | 11.57 | 3.76 | 492.52 | 446.54 | |
| ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ |
| 2 578 | 8.535 | 5.5 | 4.778 | 36.91 | 21.58 | 11.57 | 3.76 | 97 449.06 | 57 933.76 | |
| 2 579 | 8.535 | 5.5 | 4.778 | 36.91 | 21.58 | 11.57 | 3.76 | 97 485.97 | 57 955.34 | 15.33 |
| ︙ | ||||||||||
| 2 638 | 8.535 | 5.5 | 4.778 | 36.91 | 21.58 | 11.57 | 3.76 | 99 663.76 | 59 228.79 | 15.33 |
| ︙ | ||||||||||
| 3 148 | 8.535 | 5.5 | 4.778 | 36.91 | 21.58 | 11.57 | 3.76 | 118 488.72 | 70 236.53 | 15.33 |
| ︙ |
表3 后效计算所用数据
| 钻井液泵每冲 体积/L | 泵效/% | 钻头位置 m | 油气层顶深 m | 静止时间 h | 油气显示时 泵冲数/冲 | 循环排量 L·min-1 | 气管线延迟时间 s | 钻具排替 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 22.83 | 0.97 | 3 937.20 | 3 822.50 | 91.83 | 2 675 | 259 | 300 | 闭端 |
后效气开始明显上升时累积泵冲数2 675冲,换算成体积2 675×22.83×0.97=59 238.14 L,在“累积环空体积”列中查找59 238.14 L对应深度为2 638 m(59 228.79 L),即开泵前油气上窜位置H1为2 638 m;气管线延迟的体积为259×300÷60=1 295 L,去掉气管线延迟之后体积为59 238.14-1 295=57 943.14 L,在“累积环空体积”列中查找57 943.14 L对应深度为2 578 m(57 933.76 L),即去掉气管线延迟影响的位置为2 578 m,也就是说钻具排替使原始油气上窜界面上升到2 578 m,即钻头位置(3 937.20 m)到2 578 m之间的钻具参与排替;查找2 578 m对应的累积井眼体积为97 449.06 L,在模型中用SUM函数求和该位置钻具排替体积为21 067.74 L,将2 578 m的井眼体积与钻具排替体积相加即得到原始油气上窜界面的累积井眼体积97 449.06+21 067.74=118 516.80 L;再在模型中查得118 516.80 L对应的原始油气上窜界面深度为3 148 m(118 488.72 L),从油气层顶深(3 822.5 m)到原始油气界面共上窜3 822.5-3 148=674.5 m,除以静止时间91.83 h求得上窜速度为674.5÷91.83=7.35 m/h。
在其三开444.50 mm井段、四开311.15 mm井段及五开212.73 mm井段多次测后效,将5种上窜速度计算方法结果进行对比,见表4。
表4 DFX井油气上窜速度计算结果对比(三开、四开及五开井段)
| 井深 m | 钻头深度 m | 静止时间 h | 钻井液密度 g·cm-3 | 油气层深度 m | 油气上窜速度/(m·h-1) | 后效气全烃 10-6 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 迟到时间法 | 容积法 | 泵冲数法 | 全烃曲线法 | 排量倒推法 | ||||||
| 3 095.00 | 3 095.00 | 28.00 | 1.41 | 3 095.00 | 0.00 | 0.00 | 27.09 | 26.14 | 8.54 | 15 144 |
| 3 798.00 | 3 790.00 | 3.75 | 2.04 | 3 646.00 | 1 290.96 | 1 289.98 | 129.52 | 257.33 | 142.13 | 26 783 |
| 3 798.00 | 3 798.00 | 13.00 | 2.05 | 3 646.00 | 50.65 | 52.62 | 92.95 | 104.68 | 80.85 | 118 881 |
| 3 798.00 | 3 798.00 | 40.40 | 2.06 | 3 646.00 | 83.91 | 89.62 | 80.87 | 3.03 | 66.31 | 173 511 |
| 3 938.00 | 3 937.22 | 12.50 | 2.22 | 3 819.00 | 69.84 | 281.96 | 62.72 | 31.24 | 42.64 | 38 495 |
| 3 938.00 | 3 937.25 | 12.37 | 2.24 | 3 819.00 | 120.44 | 97.56 | 49.72 | 201.48 | 32.58 | 26 403 |
| 3 938.00 | 3 937.20 | 91.83 | 2.26 | 3 822.50 | 10.75 | 38.50 | 11.99 | 8.69 | 7.35 | 15 630 |
| 3 938.00 | 3 937.04 | 28.50 | 2.26 | 3 877.50 | 14.09 | 130.52 | 18.69 | 3.60 | 19.28 | 70 166 |
LDX井位于南海西部莺歌海盆地某凹陷,设计井深4 238 m,完钻井深4 079.19 m。在其五开212.73 mm井段多次测后效,将5种上窜速度计算方法结果进行对比,见表5。
表5 LDX井油气上窜速度计算结果对比(五开井段)
| 井深 m | 钻头深度 m | 静止时间 h | 钻井液密度 g·cm-3 | 油气层深度 m | 油气上窜速度/(m·h-1) | 后效气全烃 10-6 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 迟到时间法 | 容积法 | 泵冲数法 | 全烃曲线法 | 排量倒推法 | ||||||
| 4 079.19 | 4 070.00 | 8.42 | 2.29 | 4 045.00 | 78.26 | 81.13 | 78.35 | 371.24 | 111.40 | 149 213 |
| 4 079.19 | 4 070.00 | 5.33 | 2.29 | 3 691.00 | 67.81 | 76.14 | 7.39 | 688.75 | 101.33 | 84 937 |
| 4 079.19 | 3 710.00 | 3.81 | 2.30 | 3 691.00 | 94.38 | 85.49 | 63.85 | 756.43 | 85.26 | 52 806 |
通过在南海西部海域十余口井二十多次的试验对比发现,参考钻井液密度的变化及后效气全烃的大小,相比其他计算方法,利用排量倒推法计算的油气上窜速度与实际情况吻合度更好。
关于油气上窜速度的计算,大体都是通过对常用的迟到时间法和泵冲数法等做一些改进,排除排量变化、迟到时间不准等因素的影响。本文利用Excel表格的一些功能计算出每一米井段对应的井身结构和钻具组合,并基于该数据计算井眼体积、环空体积、钻具钢体积和内容积等参数,用Excel表格建立井身和钻具结构模型,从井口向井底倒推下去,逐步排除对计算结果影响较大的因素。该方法避开了应用平均思想带来较大误差的弊端,使计算结果更准确。通过在南海西部海域多个区块的现场应用,发现该模型应用效果较好。
The authors have declared that no competing interests exist.
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