油气上窜速度计算中迟到时间的精准取值方法
[李开荣① 
, 陈俊男① , 段丽娟① , 刘瑞红② , 柳权① , 于利华① ]
, 陈俊男引用本文
李开荣, 陈俊男, 段丽娟, 刘瑞红, 柳权, 于利华. 油气上窜速度计算中迟到时间的精准取值方法[J]. 录井工程, 2023,34(2): 34-38.
LI Kairong, CHEN Junnan, DUAN Lijuan, LIU Ruihong, LIU Quan, YU Lihua. An accurate method of determining lag time in the calculation of oil and gas ascending velocity[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(2): 34-38.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.02.006
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LI Kairong, CHEN Junnan, DUAN Lijuan, LIU Ruihong, LIU Quan, YU Lihua. An accurate method of determining lag time in the calculation of oil and gas ascending velocity[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(2): 34-38.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.02.006
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油气上窜速度计算中迟到时间的精准取值方法
作者简介：李开荣 技能专家,1987年生,2017年毕业于中国石油大学（华东）函授教育资源勘查工程专业,现在中国石油集团西部钻探录井工程分公司（地质研究院）从事综合录井工作。通信地址：834000 新疆克拉玛依市南新路2号。电话：18309020820。E-mail：470462095@qq.com
摘要
油气上窜速度是涉及井控安全的一项重要参数,其计算过程涉及的各项参数取值必须精准无误,才能确保油气上窜速度计算结果的准确性,油气层深度、钻头位置、开泵时间、见显示时间、静止时间等数值均可直接从录井实时数据和各项资料记录中读取,而迟到时间参数却因频繁变排量导致无法直接有效取值,影响了油气上窜速度计算结果的准确性。通过分析影响迟到时间准确取值的浮阀和泵排量变化两方面因素,并采用扣除灌水眼背景值法和平均排量法计算出平均迟到时间,实现了多种排量下油气上窜速度计算中迟到时间的精准取值。该方法有效地解决了频繁变排量工况下迟到时间无法准确取值的难题,为油气勘探过程中井下安全和井控安全提供了技术保障。
关键词:
迟到时间; 油气上窜速度; 后效; 背景值; 排量; 井控; 浮阀
中图分类号:TE132.1
文献标志码:A
An accurate method of determining lag time in the calculation of oil and gas ascending velocity
Abstract
As an important parameter related to well control safety, the parameters involved in the calculation of oil and gas ascending velocity must be accurate in order to ensure the accuracy of the calculation results of oil and gas ascending velocity. Among them, the reservoir depth, bit position, pumping time, display time, rest time and other values can be read directly from the real-time mud logging data and various data records. However, the lag time parameter can not be taken directly and effectively because of the frequent change of pumping displacement, which affects the accurate calculation of oil and gas ascending velocity. For this reason, this paper analyzes the two factors that affect the accurate value of lag time： the change of floating valve and displacement, and calculates the average lag time by deducting the background value of the part of the hollow filling water of the drilling tool and average displacement method, and finally realizes the accurate value of lag time under various displacement. This method effectively solves the problem that the lag time can not be accurately determined under the condition of frequent variable displacement, and provides a technical guarantee for downhole safety and well control safety in the process of oil and gas exploration.
Keyword:
lag time; oil and gas ascending velocity; aftereffect; background value; displacement; well control; floating valve
0 引言
在现场钻井过程中, 井眼空井静止时, 由于钻井液液柱压力小于地层流体压力以及两者之间存在密度差, 导致已钻开油气层中流体（油气）进入井眼, 并向井口方向运移, 其上升的速度称为油气上窜速度[1]。油气上窜速度是定性反映油气活跃程度的一个重要参数, 其准确测算是钻井施工过程中一项重要的工作, 如在钻开油气层后, 每次起钻前和下钻后都需要测量后效并计算油气上窜速度[2, 3]。目前计算油气上窜速度的方法有4种, 即迟到时间法、容积法、钻井液顶替法和全烃曲线法[4, 5, 6], 在行业中应用最广泛的是迟到时间法。该方法计算油气上窜速度过程中需要油气层深度、钻头位置、开泵时间、见显示时间、静止时间和迟到时间等参数[7], 在这些参数中, 迟到时间变化最大, 常因泵排量频繁变动导致取值不精准, 影响了油气上窜速度的准确计算, 同时也影响了井下安全和井控安全[8, 9, 10]。
本文通过分析影响迟到时间准确取值的浮阀[11]和泵排量变化两方面因素, 有针对性地采用扣除灌水眼背景值法和平均迟到时间法, 计算出平均迟到时间, 实现了多种排量下油气上窜速度计算中迟到时间的精准取值, 有效地解决了频繁变泵排量工况下迟到时间无法准确取值的难题。
1 迟到时间精准取值的影响因素分析
在采用迟到时间法计算油气上窜速度的过程中, 导致迟到时间参数取值不准确的因素主要有两个, 即浮阀的影响和泵排量变化的影响。迟到时间法油气上窜速度计算公式为[7]：
式中：V为油气上窜速度, m/h; H油为新钻开油气层顶部深度, m; H钻为开泵循环时钻头所在井深, m; T2为气测曲线开始起峰时间（气测值明显升高时间）, min; T1为开泵时间, min; T迟到为钻头位置所在井深的迟到时间, min;
1.1 浮阀的影响
浮阀是钻具内防喷工具, 为防止钻具内溢流和井涌, 通常安装在近钻头端, 使钻井液在钻具内只能从上而下流通, 当浮阀下部的压力大于上部液柱压力时, 浮阀会关闭, 使地层流体不能进入钻具内浮阀上部[11]。在安装有浮阀的钻具组合下钻中, 钻井液无法进入钻具水眼, 下钻到井底开泵后需要先将钻具水眼灌满, 钻井液才会从钻头水眼进入井筒, 而灌水眼过程的时长也不固定, 如果按照常规钻具（未安装浮阀）取值方法, 会造成开泵与出峰时间增加, 将此段时间记入迟到时间, 会造成迟到时间计算错误, 导致所计算出的油气上窜速度偏小。
1.2 泵排量变化的影响
在循环测后效期间, 最理想的状态是从开泵到出后效期间始终保持固定排量, 迟到时间取值才能精准, 进而确保所计算的油气上窜速度准确无误。但钻井液长时间静止后会发生絮凝, 流动性变差, 在实际钻井过程中排量通常从小到大逐步增大。根据不同情况, 开泵可能会逐步从1个凡尔到3个凡尔同时工作, 也可能是从小冲速到大冲速逐步增加[10]。在此情况下, 录井仪通常是按3个凡尔同时工作记录排量, 使得测量的迟到时间小于实际的迟到时间; 同时排量从小到大逐渐变化, 存在多个不同的排量, 迟到时间也不同, 取值过大将会导致所计算出的油气上窜速度变大, 取值过小则会导致所计算出的油气上窜速度变小。无论计算出的油气上窜速度与实际相比偏大还是偏小, 都会对井下安全和井控安全带来不同程度的危害。
2 迟到时间精准取值方法
针对导致迟到时间参数取值不准确的浮阀和泵排量变化两方面影响因素, 分别采用扣除灌水眼背景值法和平均迟到时间法进行精准测算。
2.1 扣除灌水眼背景值法
带有浮阀结构的钻具组合在开泵测后效时, 将灌水眼作为背景值扣除, 扣除方法有两种：一是通过观察立管压力来确定背景值, 当钻具水眼内钻井液未灌满时, 立管压力为零, 当钻具水眼内灌满钻井液后, 水眼内钻井液向井筒推进时, 立管压力开始从零往上增长, 将此时确定为有效开泵时间和迟到时间取值时间, 开泵到立管压力从零开始的增长时间段作为背景值扣除; 二是通过观察出口流量来确定, 当钻井液灌满水眼后, 将推着水眼内钻井液向井筒移动, 井筒内钻井液会从环空向上移动并从井口流出, 出口流量传感器开始从零往上增长, 将此时确定为有效开泵时间和迟到时间取值时间, 开泵到出口流量从零开始的增长时间段作为背景值扣除。如图1所示, 其中红色线以上为灌水眼背景值, 红色线以下为有效开泵时间。
 | 图1 带浮阀和多次变排量循环钻井液实时曲线 |
2.2 平均迟到时间法
迟到时间与排量直接相关, 针对上文中泵排量变化的影响因素, 采用平均迟到时间法来精准测算迟到时间。平均迟到时间即有效开泵到后效开始起峰期间的一个固定有效迟到时间。计算平均迟到时间时, 应先计算出平均排量, 然后采用从钻头位置深度到井口这一井段环空容积除以开泵到气测曲线起峰期间的平均排量, 最终得到的就是平均迟到时间。其过程分为3个步骤, 现以图1为例进行说明。
2.2.1 计算平均排量
从图1中可以看出, 在开泵循环期间共有5次排量变化, 应计算平均排量, 通过计算5段不同排量的总泵入体积, 再除以这5段总时间, 得到的就是平均排量, 其计算公式为：
Q=（V1+V2+V3+V4+V5）/T时间
式中：Q为平均排量, m³ /min; V1、V2、V3、V4、V5分别为第1段到第5段泵入的钻井液体积, m³ ; T时间为开泵总时间, min。
其中, 每段泵入的钻井液体积计算公式为：
Vi=V每冲× A凡尔× V冲速× T时间× η 上水
式中：Vi为第i段泵入的钻井液体积, i=1、2、3、4、5, m³ ; V每冲为每冲体积, m³ ; A凡尔为此段开泵期间所使用凡尔数量, 个; V冲速为此段泵速, 冲/min; T时间为此段开泵时长, min; η 上水为钻井液泵的上水效率, %。
2.2.2 计算环空容积
环空容积为钻头下深位置到井口这一井段井筒容积减去钻具体积（含钻具内部水眼容积）, 根据不同井身结构, 一般分为多井段直径的井眼, 需要分段计算出每个直径井段的井筒容积, 然后累加获得总的井筒容积。按套管内径计算, 如果最后一层套管直接从井口到下深位置, 可直接用最后一层套管内径计算出内容积。如果是悬挂在上一层套管的位置, 以悬挂点为准, 分为两段计算：第1段为悬挂点到井口, 采用上一层套管内径计算内容积; 第2段为悬挂点到最后一层套管下深的套管内径计算内容积, 依此类推。裸眼段为单一直径则直接按钻头直径来计算井眼内容积, 如果裸眼段分为两个直径井眼, 应按不同直径井段分段计算。钻具按不同外径长度分段计算出体积, 然后相加得出总的钻具体积。由于油气上窜速度计算只需要钻头位置到井口的迟到时间, 不是一个迟到周期, 可将钻具视为整体, 钻具内容积无需减除。如图2所示, 需要计算的环空容积为红色虚线以上部位（即图中黄色区域）, 红色虚线以下部位不参与计算, 计算公式如下：
 | 图2 井筒环空示意 |
V环空=V井筒-V钻具
式中：V环空为井筒环空容积, m3; V井筒为井筒的容积, m3; V钻具为包含内容积的钻具整体体积, m3。
2.2.3 计算平均迟到时间
将以上计算得出的环空容积除以平均排量, 即可得出平均迟到时间, 其计算公式为：
T=V环空/Q
式中：T为平均迟到时间, min。
计算出平均迟到时间后, 代入迟到时间法油气上窜速度计算公式, 进而计算出油气上窜速度。
3 现场应用实例
以J 7井为例, 二开采用内径222.38 mm的技术套管下入井段为0~4 000.00 m, 三开采用直径215.9 mm的PDC钻头钻进至井深6 430.00 m。9月25日10：00停泵起钻, 27日01：15下钻至6 409.00 m开泵循环钻井液排后效, 01：20立管压力从零开始增长, 03：00后效开始起峰, 油气层深度6 102.00 m。循环钻井液过程中发生7次变排量（图3、表1）, 井身结构及井筒容积见表2, 入井钻具结构数据如表3所示, 钻井液泵缸套直径为170 mm, 泵有效冲程为305 mm, 循环过程中均采用3凡尔, 钻井液泵上水效率为95%。此次油气上窜速度计算过程如下。
 | 图3 J 7井循环钻井液测后效实时曲线 |
 | 表1 J 7井循环钻井液排后效多次变排量数据统计 |
| 表2 J 7井井身结构及井筒容积统计数据 |
| 表3 J 7井钻具结构数据 |
（1）计算平均排量。首先计算分段泵入钻井液的体积, 以第1段为例, 第1段泵入钻井液的体积为：
V1=（170÷ 1000÷ 2）² × 3.14× 0.305× 3× 15× 10× 95%≈ 2.96 （m³ ）
根据此方法分别计算出其余6段泵入钻井液的体积并相加, 最终得出总的泵入钻井液体积为104.03 m³ （表1）。然后计算得出平均排量为：
Q=104.03÷ 100≈ 1.04 （m³ /min）
（2）计算环空容积。首先计算出第1井段即技术套管井段井筒容积为：
V井筒=（222.38÷ 1 000÷ 2）² × 3.14× 4 000≈ 155.28 （m³ ）
根据此方法计算出第2井段即裸眼井段井筒容积并相加, 最终得出两井段总的井筒容积为243.43 m³ （表2）。
然后, 计算钻具体积, 以139.7 mm直径钻杆为例, 其钻具体积为：
V钻具=（139.7÷ 1 000÷ 2）² × 3.14× 1 450.89≈ 22.23 （m³ ）
根据此方法分别计算出剩余钻具体积并相加, 最终得出总的钻具体积为85.21 m³ （表3）。最后计算总的环空容积为：
V环空=243.43-85.21=158.22 （m³ ）
（3）计算平均迟到时间为：
T=158.22÷ 1.04≈ 152 （min）
（4）计算油气上窜速度为：
V=（6 102-6 409× 100÷ 152）÷ 39.25≈ 48.13 （m/h）
根据带浮阀钻具将灌水眼背景值扣除和多种排量下采用平均迟到时间法, 准确计算出此次油气上窜速度为48.13 m/h, 之后采用此方法在该井又进行了9次油气上窜速度计算, 均取得了较好的效果。
4 结论
迟到时间法油气上窜速度计算过程中, 迟到时间取值受浮阀和泵排量变化的影响, 无法直接读取有效迟到时间, 利用扣除灌水眼背景值法和平均迟到时间法, 实现了迟到时间精准取值, 提高了油气上窜速度计算的准确性和有效性。该方法在吐哈、西南和苏里格等油气田应用了25口井, 共计进行325次油气上窜速度计算, 均取得了较好应用效果, 为油气勘探过程中井下安全和井控安全提供了有力的技术保障。
（编辑 唐艳军）
参考文献
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