非常规压井三法.doc

非常规压井技术一、置换法 1、基本原理在气井泥浆喷空后，裸眼段较长，井内无钻具不能进行循环压井的条件下，可以采用置换法压井。井口条件是：井口装置可以将井关闭，压井泥浆可以通过压井管汇注入井内。操作的基本步骤为：向井内注入一定量的泥浆，关井，等待泥浆下沉至井底，然后放气卸掉一定量的井口压力，卸压值等于灌入泥浆所增加的压力值。即P0.00981式中: DP-释放的套压降低值，MPa;DV -向井内注入的泥浆量，m3;Aa-环空容积系数，m3/m; rk-压井泥浆密度，g/cm3。重复上述方法，间歇泵入泥浆，间歇释放压力就可以使井内液柱压力逐渐增加，井口套压逐渐降低，最后建立起新的压力平衡。向井内泵入的泥浆量DV的计算公式如下：式中: Pk-压井泥浆静液柱压力，MPa;Pf-地层破裂压力，MPa;Pa-初始井口压力，MPa; Vh-井眼总容积，m3。2、压井施工步骤（1）控制井口后，根据井口和井下条件计算压井参数。（2）按计算得到的压井泥浆密度值将泥浆加重，并备足所需的压井泥浆量。（3）作出压井施工单。（4）开泵，将排量调整到压井排量，向井内泵入压井泥浆，直至泵入量达到规定量。（5）停泵，关井，等候井内压井泥浆沉入井底。（6）打开节流阀，调节井口压力按压井施工单计算的规定逐渐降低至规定的压力值，关闭节流阀。（7）重复第4步至第6步的操作，按照压井施工单的规定，控制每次的泵入量和井口压力降低值，直至泵入的压井泥浆能平衡地层压力为止。（8）停止操作，关井，检查井口压力是否为零，如是，则开节流阀检查是否有溢流，如无溢流，再开防喷器检查是否有溢流。（9）若井确已压住，则将泥浆按规定的附加值加重，恢复正常钻进。3、绘制压井施工曲线二、直推法 气井井喷后，如果井筒内无钻具，钻井液喷空且不能将井关死，则只能采用直推法，将进入井筒内的天然气压回地层。为了减小地层压裂发生地下井喷的危险性，通常在套管下得较深，裸眼段较短的条件下采用直推法压井。该方法的关键是要掌握井内压井液液柱压力建立速度与关井后地层压力恢复速度之间的关系，确定出套压变化的转折点，即压井中的最大套压值，以此作为压井的边界条件，设计合理的压井程序。 压井模式1、发生井喷后的井口及井下条件（1）井口装置未损坏，并可以关井；天然气经放喷管线放喷；可以通过压井管线、地面循环管线向井内注入压井液。（2）套管下入较深、裸眼段较短、井内无钻具或只有少量钻具。2、压井流程根据上述条件，可将井喷后井内无钻具的压井简化为如图1所示的模型。为了迅速在井筒内形成液柱压力，关井后快速向井内泵注压井液，压井中套压将经历一个先上升而后下降的过程。根据套压的这一变化特点，为保证井口装置安全，以套压转折点为准，将整个压井过程分为两个阶段：（1）第一阶段：压井开始，井内液柱压力建立速度小于地层压力恢复速度，井口套压逐渐上升，当两者速度达到相等时，套压升至最大值，从这一时刻起，压井发生转折。（2）第二阶段：继续注入压井液，液柱压力建立速度大于地层压力恢复速度，井口套压逐渐下降，直至压井液注满全部井筒容积。3、套压转折点从关井向井内泵入压井液起，井内液柱压力逐渐增加，同时地层压力也在逐步恢复，前者的压力增长速度基本保持稳定，而后者的压力增长速度呈下降趋势，但在最初一段时间内速度差呈现负值，致使井口套压逐渐上升，当其两者的压力增长速度达到相等时，套压升至最大值。随着压井液的继续注入，速度差出现正值，套压逐渐下降。井内液柱压力增长速度与地层压力恢复速度的相等点，正是井口套压发生根本性变化的转折点。4、压井中的压力平衡关系设定：压井液密度和压井流量保持不变；压井之初井内压井液压力的建立速度小于地层压力恢复速度（若不然，压井一开始就进入第二阶段）。从放喷状态下转为关井，若不计算井内天然气的重力，则最初时刻的关井套压和地层压力均为放喷时的井底流动压力。关井后，地层开始压力逐渐恢复，随压井液注入，井内液柱压力开始逐渐建立的同时，因压井液挤占井筒空间使天然气压缩引起井口套压增长。压井初期，液柱压力增长速度因与天然气压缩引起的套压增长速度之和（即两者所产生的井底压力增长速度）小于地层压力恢复速度，井底呈欠平衡状态，地层中的天然气将向井内流动，从而使套压进一步升高，趋使井底压力与地层压力平衡。随着压井的进行，地层压力恢复速度逐渐下降，而井底压力增长速度逐渐加大（液柱压力增长速度保持一定，天然气压缩引起的套压增长速度加大），从地层流向井内的天然气流量逐渐减少，但套压仍呈上升趋势。当井底压力增长速度与地层压力恢复速度达到相等时，井底压力等于地层压力，井底出现短暂平衡状态，天然气停止向井内流动（即压井平衡点）。虽然过了平衡点后，井底压力增长速度大于保持地层压力恢复速度，井底处于过平衡状态，井内天然气逐渐向地层中反挤，但由于一段时间内液柱压力增长速度仍低于地层压力恢复速度，压缩井内天然气的同时，套压还将继续上升。当井内的液柱压力增长速度等于地层压力恢复速度时，套压达到最大值。继续注入压井液，套压开始逐渐下降，直至井内液柱压力等于地层压力，套压降为零（以上分析中未考虑压井液在井筒中流动对套压的影响）。井口及井下压力变化规律1、 地层压力由地层压力恢复特性知，其压力恢复公式为， Pp=Pf(PfPs)eat式中:Pp地层压力,MPa; Pf原始地层压力，MPa; Ps井底流动压力，MPa; A 地层压力恢复速度系数; T 时间,min.2、压井液静液柱压力 式中:Pk压井液静液柱压力; k压井液密度,g/cm3; Qk压井排量,m3/s; D 井眼直径,m.3、挤入压井液压缩天然气所产生的套压如果忽略井底压力达到平衡点前从地层流入井内那部分天然气对井筒内气体摩尔数的影响，并将天然气的压缩看作为等温过程，根据气体状态方程可得： 式中:Pg压缩天然气所产生的套压, MPa; V 井筒容积,m3.4、液柱压力与压缩天然气所产生的套压之和作用于井底的压力 5、关井套压 6、压井泵压 压井参数校核1、套压转折点时间令地层压力恢复速度与液柱压力建立速度相等可得： 式中：tB套压转折点时间，min。2、达到套压转折点时的压井液累计泵入量 3、最大套压将计算得到的套压转折点时间tB代入套压计算公式可得到压井中的最大关井套压Pmax。把Vk和Pmax分别与井筒容积和允许最大关井套压比较，若不满足要求，可重新设计压井液密度，即在达到套压转折点之前采用一段加重压井液，使达到套压转折点的时间提前，并可降低最大关井套压。压井工艺程序1、计算压井所需参数放喷时的井底流动压力Ps，气井放喷量Qg，原始地层压力Pf，压井液密度k，压井液最小用量Vmin，套压转折点时间tB，达到套压转折点的压井液累计泵入量Vk 、最大套压Pmax等数据，并对Vk和Pmax进行校核。2、填写压井施工单，并绘制液柱压力与地层压力对比曲线、井口关井套压曲线、施工泵压曲线。3、压井操作（1）启动钻井泵向井内注入压井液，见压井液返出时迅速关闭放喷闸阀。（2）保持压井排量稳定，按压井时间或累计泵入量核对套压转折点前后的实际与设计的套压值，根据其吻合情况可适当调整其后的压井液密度和压井排量。（3）施工中判断若累计泵入量已达到井筒容积，而停泵关井套压仍未降至零，一种可能是注入压井液密度控制不均匀，实际井内液柱压力低于地层压力，经计算证实后，可用低泵速注入一段高密度压井液；另一种可能是井下裸眼地层出现漏失，这时可采用置换法压井。若累计泵入量尚未达到井筒容积，而停泵关井套压已降至零，说明井内液柱压力已平衡地层压力，则可采用置换法或继续采用直推法注入一段低密度压井液。（4）确信井已压稳后，停泵关井观察一段时间，让混入压井液的天然气滑脱升至井口，通过节流阀间断泄压，同时向井内补充压井液。（5）放完井口天然气后，打开节流阀检查是否有溢流，若无，方可打开井口防喷器、关闭节流阀，随后及时下钻。压井数据对比下表是龙会2井、渡1井和天东5井的实际压井资料与理论数据的对比。表1 直推法压井数据对比计算参数龙会2井渡1井天东5井理论值实际值理论值实际值理论值实际值地层压力MPa84.2882.387.1390.5448.7248.7压井液密度g/cm31.952.181.771.971.391.35压井排量L/s37.637.219.91228.331.3套压转折点时间min2335491051214最小压井液量m3212230234350181148最大施工泵压MPa23.722.523.56232.222.5压井施工时间min77801662008381三、平衡点法压井模式1、压井流程气井泥浆喷空后的井下及井口条件为井内泥浆全部放空，防喷器关闭，钻柱在井底，天然气经过放喷管线放喷。根据“U”型管连通器的原理可以将钻柱内简化为“U”型管的一侧，环形空间简化为“U”型管的另一侧。对气井泥浆喷空后的压井，其整个压井过程可以分为两个阶段。第一阶段：压井泥浆到达井底前，压井泥浆在钻具内下行，环空为气柱；第二阶段：压井泥浆到达井底后沿环空上返。2、平衡点由于泥浆喷空后，井内无液柱压力的作用，因此压井开始时控制的井口回压加上环空天然气的流动压力和静压力，一般情况下都不能达到保持井底压力等于或大于地层压力这一压井原则。在压井的第二阶段，压井泥浆从井底沿环空上返，如果由压井泥浆的静液压力加上流动压力以及井口回压所形成的井底压力不能与地层压力平衡，那么地层中的天然气就要继续流入井内，与压井泥浆混合形成气液两相混合流动；如果井底压力刚好达到与地层压力平衡，地层中的天然气就停止流入井内，从这一时刻起进入环空的压井泥浆就是纯液柱。由此可见，压井的转折点就是压井泥浆进入环空后形成的压力达到与地层压力平衡这一时刻，我们把这一时刻称为平衡点。井底压力与地层压力的平衡是动态过程，它与地层特性、地层压力、压井排量、压井泥浆密度、井口回压等有关。压井参数（1）地层压力根据天然气的放喷量，放喷时的井底流动压力，应用产气二项式方程便可求得地层压力。公式如下： 式中:Pf地层压力, MPa; Ps放喷时的井底流动压力, MPa; Q天然气放喷量,m3/d; A达西流动系数（与岩石渗透率，气体粘度，气层厚度等有关）; B非达西流动系数（与气体密度，岩石孔隙度等有关）。（2）压井泥浆密度 式中:Pk为压井泥浆密度，g/cm3; Pf为地层压力，MPa; L为气层井深，m.（3）压井排量在气井泥浆喷空后的情况下压井，第一阶段，即井底压力达到平衡地层压力之前，天然气还要不断进入井内，因此为了较快的建立起环空液柱从而平衡地层压力，可选用该井所允许的最大循环泵压作为计算压井排量的依据，即： Pmax=min(Pr,Pe)式中:Pmax为最大循环泵压，MPa; Pr为缸套的额定压力, MPa. Pe为地面管汇的最大承受压力，MPa.在井底压力与地层压力平衡后，即达到平衡点后，为了降低循环泵压，减少设备负荷，降低环空流动阻力，防止压漏地层，压井排量应选用小排量。压井排量可用下式计算：1）钻头未装喷嘴 式中Q为泥浆排量，m3/s; m为泥浆密度，g/cm3; 为泥浆塑性粘度, Pa; P1为井喷前的循环泵压, MPa; k为压井泥浆的塑性粘度,mPaS .令P2=Pmax，代入上式即可求出压井排量（Qk）。2）钻头装有喷嘴用井喷前的两组（P,Q）值代入方程求出系数Ke,Kb的值，再另P2=Pmax，代入方程即可求出压井排量（Qk）。达到平衡点后即可采用正常压井循环排量循环以减小设备的负荷，即：Qk=（1/31/2）Q（4）平衡点的计算气井泥浆喷空后在井眼附近，由于天然气的渗流流动形成一压力降，因此在环空液柱压力建立后，天然气放喷量Qg逐渐减小，井眼附近的压力逐渐恢复直至地层压力（Pf），所以平衡点实质上就是井内液柱压力达到与地层压力平衡或同步的那一时间点。在压井循环的第二阶段，井底压力为：Pb=Pa+Pcga+Phga+Pcmin+Phmin达到平衡时Pb=Pf，所以Pa+Pcga+Phga+Pcmin+phmin=Pf下面分两种情况来讨论方程：1）如果忽略环空气柱的静压力，流动压力，也不考虑环空气液两相的混合流动，则：Pcga=0, Phga=0, Pcmin=0 Phmin=PhkPhk为环空中压井泥浆的静液压力。则Pa+Phk=Pf而Phk=0.0098kLk LkAa=Qkt式中Lk为环空中压井泥浆的高度，mAa为环空截面积,m2; t为时间，min.由上述三个公式即可解出达到平衡的时间tB,注意tB应从压井泥浆开始由钻头上返时算起。2）如果在计算中仅忽略环空气柱的静压力，流动压力Pcga和Phga，考虑在达到tB前压井泥浆与天然气为气液两相混合流动，则Pa+Pcmin+Phmin=Pf这样必须进行气液两相混合流动的压降计算，以求出Pcmin和Phmin。从前面的分析可知，由于天然气放喷量Qg随时间的增加而减少，故压井时的压井泥浆与天然气的两相混合流动属一维非稳定的气液两相流问题。对这类问题可以通过数值的方法解决。处理的方法是假定在给定的时间内其流动可以简化为一维稳定流来计算，随时间的增加连续计算，直至Pb=Pf为止，从而求出达到平衡的时间tB。（5）压井泥浆量Vmin=Vt+QkmaxtB+Vs式中：Vmin为最小压井泥浆量，m3; Vt为钻具容积、环空容积之和，m3; Qkmax为最大压井排量，m3/s; tB为达到平衡点的时间,min; VS为泥浆储备量（维持循环所需地面泥浆量），m3。气井放喷量计算应用临界流动时的气产量公式：式中:Qg1为天然气的放喷量，m3/d; P2为放喷管出口压力，MPa; D为放喷管内径，mm; Z2为放喷管出口天然气压缩系数; 为天然气的相对密度; T2为放喷管出口天然气温度，K.再应用输气公式，其产量为：式中:Qg2为天然气产量，m3/d; P放喷时井口压力，MPa; Zcp放喷管内天然气平均压缩系数;-为天然气相对密度； Tcp为放喷管内天然气平均温度，K; L为放喷管线计算长度，m.由于天然气在放喷过程中在管内无漏失，则Qg1=Qg2=Qg又由于天然气在管内做等温流动，即T2=Tcp所以在上式中，由于Zcp，Z2与P1，P2有关，而P2此时为未知数，所以不能计算出Zcp，Z2。只能采用试算法求P2，然后将P2代回天然气的放喷