油气上窜速度实用计算方法

1 油气上窜速度实用计算方法油气上窜速度实用计算方法 摘要 摘要 本文介绍了用相对时间计算钻井及井下作业施工中油气 上窜速度的方法 该方法通过一次下钻测量记录两个时间 就能计 算油气上窜速度 解决了一般开发井不测量迟到时间和传统方法计 算中数据取值一致性差 精度低的问题 对等直径井眼与复合直径 井眼分别进行了理论分析并推导出了相应的计算公式 本文包括前 言 基本原理与计算方法 注意事项及结论认识等 对传统的迟到 时间法 容积法进行了简要分析并提出了主要不足 主题词 主题词 钻井 井下作业 油气上窜速度 计算方法 一 对传统计算方法的分析及问题提出一 对传统计算方法的分析及问题提出 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措施的重要技术依据 油气上 窜速度过高 将导致井涌井喷问题发生 造成对地下油气资源的破 坏 对地面环境的破坏和对钻井施工安全的严重威胁 特别是随着 油气勘探开发区域的逐年扩大和地下状况的不断复杂化 对钻井和 井下作业技术与安全提出了更高的要求 对油气上窜速度的测量计 算也要求更准确 更方便 对于油气上窜速度的计算 传统的方法包括 迟到时间法 和 容积法 两种方法 毋庸置疑 这两种计算方法在理论上是正确 的 但是 这两种方法涉及到的关键参数 迟到时间 泥浆泵排 量的准确性问题 对计算的准确性带来了很大影响 迟到时间法是钻井现场一直采用的方法 这种方法的主要不足 2 一是迟到时间的测量比较繁琐 二是迟到时间的测量计算中受到 钻井液运载比 影响和钻具内部下行时间影响 很难保证计算的 精确性 三是迟到时间的测量计算与油气上窜速度测量计算是在不 同的下入钻具次数和状态下 数据一致性差 四是没有将油气侵段 的显示时间引入上窜速度计算中 缺乏全面性 五是用钻屑的迟到 时间计算油气上窜速度不合理 六是没有考虑复合井眼情况 等等 同时 开发井钻井和井下作业现场一般不测量迟到时间的实际情况 也是影响该方法进行计算的现实情况 对于容积法 现场应用较少 主要是泥浆泵排量的具体值精确 性差 井眼容积也不容易准确确定 因此计算精度低 因此 考虑一种新的测量计算方法是十分必要的 作者在长期 分析的基础上 提出了一种计算油气上窜速度实用方法 相对时 间法 二 基本原理与计算方法二 基本原理与计算方法 相对时间法 是利用钻井液循环中各种时间所占相对比例进行 计算的 不同性质的钻井液 在返出井口时都有相应的显示时间 显示时间的长短受到循环排量 井眼容积 相应体积等因素影响 对于井身结构 循环排量 井眼容积 相应体积确定的井眼 井口 显示时间的相对长短就代表着所占井段的相对长度 在发生油气侵 盐水侵等情况下 钻具 管柱 下入后循环时 井眼上部未受到侵 染钻井液有一定的显示时间 下部受侵染钻井液返出后也显示并持 续一定的时间 这两部分时间分别代表着未受侵染井段和受到侵染 3 井段的相对长度 对其进行记录并引入到计算当中 即可计算出油 气上窜速度 这就是相对时间法的基本原理和实质 实际的井眼 可为单一直径井眼 复合直径井眼 包括二级复 合直径井眼 三级复合直径井眼 多级复合井眼等 在测量计算中 每一种井眼都有三种情形 即钻头 管柱底部 深度浅于油层顶部 深度 与油层顶部深度相同和大于油气层顶部深度 下面分别进行 推导 假定 1 开泵后油气不再侵入井眼 2 忽略开泵后油气滑脱 气体膨胀上升速度 一 单一直径井眼 一 单一直径井眼 单一直径井眼 是指井眼直径比较一致的井眼 钻井中下入技 术套管后再次开钻井段较短的井 可以认为是单一直径井眼 对于 井下作业施工井 因为一般在套管中作业 大多为单一直径井眼 1 1 钻头 管柱底部 深度浅于油层顶部深度的情形 钻头 管柱底部 深度浅于油层顶部深度的情形 将钻头 管柱 下至油气层以上某一深度 开泵循环 应保持 等泵速 并在井口记录显示时间段 t1 t2 根据记录的时间计算油 气上窜速度 应考虑到下入钻具 管柱 时油气侵钻井液返入了钻具 管柱 内部 随开泵循环又进入环空与环空油气侵钻井液一同上返 参见 图 1 4 1 2 3 图 1 钻头 管柱底部 深度浅于油层顶部深度的情形 图 1 1 表示钻具下到油气层以前井眼中实际情况 图 1 2 表示下入钻具 管柱 开泵前的状况 图 1 3 表示开泵后钻具 管柱 内油气侵井液刚好全部进入环形空间的时刻 油气上窜速 度由下式计算 1 1 H v t 静 式中 油气上窜速度 m h v 油气侵井液实际高度 m 1 H 5 从停泵起钻至本次开泵的总静止时间 h t静 根据图 1 存在如下关系式 11111111 2222 ttHhh qQHhh tH qQH 111 1111 Hhh qQqt ttHhh qQq 内内 11 112 HHhH 油 111111111 Hh qHhh qHhh q 内 对以上求解得 1 1 t q t qq 内 内 1 111 1 qqq hHh qq 内 内 2 21 1 1 t q HHh t q 1 11 2 1 11 1 H Hh t q qtqq 钻头 内 2 1 2 1 11 1 Hh v t t qt qtqq 钻头 静 静 内 这就是此种情况下的计算公式 式中 循环时井口油气显示的时间 h 1 t 将钻具 管柱 内受侵钻井液全部替入环空的时间 t h 从开泵循环到见到油气显示的时间 h 2 t 井眼容积 L m q 6 井眼环空容积 L m 对于等直径井眼 1 q 2 q 12 qq 钻具 管柱 内容积 L m q内 下入钻具 管柱 后油气侵段上升高度 m 1 h 钻头高于油气层顶部高度 m 1 h 下钻完后未发生油气侵井段长度 m 2 H 油气层顶部深度 m H油 钻头 管柱 底部深度 m H钻头 循环排量 L s 不用于计算 Q 从式中可知 对于一口具体的井 油气层顶部深度 井眼H钻头 容积 环空容积 钻具 管柱 内容积是确定的 下钻到井底q 1 qq内 开泵后只要准确记录两个时间 与总静止时间一起代入公式 1 t 2 tt静 便可求出油气上窜速度 公式虽然繁琐 但未知条件只有三个 因 此借助于计算机可方便进行计算 可根据井眼实际考虑一定的扩大 率 井下作业施工不必考虑 2 2 钻头 管柱底部 深度与油层顶部深度相同的情形 钻头 管柱底部 深度与油层顶部深度相同的情形 将钻头 管柱 下至油气层顶部 开泵循环 应保持等泵速 并在井口记录显示时间段 t1 t2 根据记录的相对时间计算油气上 窜速度 计算方法参见图 2 7 1 2 3 图 2 钻头 管柱 深度与油气层顶部深度相同的情形 根据图 2 存在如下关系式 111111 2222 ttHh qQHh tH qQH 11 111 Hh qQqt ttHh qQq 内内 11 112 HHhH 油 111111 H qHh qHh q 内 对以上求解得 1 1 t q t qq 内 内 8 1 11 1 qqq hH qq 内 内 2 2 1 1 t qH H t q 1 1 2 1 11 1 H H t q qtqq 油 内 3 2 1 11 1 H v t qt qtqq 油 静 内 这就是此种情况下的计算公式 与公式 2 相比 相对比较简单 因此 现场采用此种情况下 计算油气上窜速度较更为方便 3 3 钻头 管柱底部 深度大于油气层顶部深度的情形 钻头 管柱底部 深度大于油气层顶部深度的情形 钻具 管柱 下至油气层内部或底部时 因 h2值是确定的 因此计算方法相同 若将钻具 管柱 下过油气层很长距离 出了 油气层 循环时井口油气显示将发生间断的问题 使计算困难且不 准确 不应采用 计算方法参见图 3 9 1 2 3 图 3 钻头 管柱 深度大于油气层顶部深度 根据 11121112 2222 ttHhh qQHhh tH qQH 112 1112 Hhh qQqt ttHhh qQq 内内 11 2112 HhHhH 底 121121112 Hh qHhh qHhh q 内 解得 1 q t t qq 内 1内 10 11 112 11 qqqqqq hHh qqqq 内内 内内 22 212 1 11 1 qtqt HHh qtqt 12 2 1 11 1 H Hh t q qtqq 底 内 4 2 2 1 11 1 Hh v t t qt qtqq 底 静 静 内 这就是此种情况下的计算公式 式中 钻具 管柱 下入油气层中的长度 m 2 h 钻具 管柱 底部深度 应小于或等于油气层底部深H底 度 m 二 复合井径井眼 二 复合井径井眼 单一直径井眼计算方法比较简单 复合直径井眼计算方法相对 繁琐一些 针对目前最常用的复合井径井眼 假定油气侵钻井液在 井眼最下部 分析介绍如下 1 1 二级复合直径井眼 二级复合直径井眼 1 1 钻头 管柱底部 深度浅于油层顶部深度的情形 钻头 管柱底部 深度浅于油层顶部深度的情形 计算方法参见图 4 11 1 2 3 图 4 钻头 管柱 深度与油气层顶部深度相同 根据 221 tH qQ 333 tH qQ 111 111111 Hhh qQqt ttHhh qQq 内内 111111111 2321332133 ttHhh qQHhh q ttH qQH qQH qH q 23 tt t 12 111111111 Hh qHhh qHhh q 内 1 HHhHH 123油 解得 1 q t t qq 内 1内 1 111 1 qqq hHh qq 内 内 3 2113 1 11 qqt HHhH qtq 3 3 1 11 1 11 1 1 q HH q Hh t q qtqq 钻头 内 5 3 3 11 1 11 1 1 q HH qh v t t qt qtqq 钻头 静 静 内 式中 从开泵循环到见到油气显示时间 h t 这就是该种情况下的计算公式 分析 分析 对于单一直径井眼 则上式可变为 3 132 1 1 q qqtt q 与等直径井眼情况 2 相同 1 2 1 11 1 Hh v t t qt qtqq 钻头 静 静 内 2 2 钻头 管柱底部 深度与油层顶部深度相同的情形 钻头 管柱底部 深度与油层顶部深度相同的情形 计算方法参见图 5 13 1 2 3 图 5 钻头 管柱 深度与油气层顶部深度相同 根据 221 tH qQ 333 tH qQ 11 11111 Hh qQqt ttHh qQq 内内 1111111 2321332133 ttHh qQHh q ttH qQH qQH qH q 23 tt t 14 111111 H qHh qHh q 内 1 HHhHH 123油 解得 1 q t t qq 内 1内 1 11 1 qqq hH qq 内 内 3 213 1 11 qqt HHH qtq 3 3 1 1 1 11 1 1 q HH q H t q qtqq 油 内 6 3 3 1 1 11 1 1 q HH q v t qt qtqq 油 静 内 式中 从开泵循环到见到油气显示时间 h t 这就是该种情况下的计算公式 分析 分析 对于单一直径井眼 则上式可变为 3 132 1 1 q qqtt q 与等直径井眼情况 3 相同 2 1 11 1 H v t qt qtqq 油 静 内 3 3 钻头 管柱底部 深度大于油气层顶部深度的情形 钻头 管柱底部 深度大于油气层顶部深度的情形 计算方法参见图 6 15 1 2 3 图 6 钻头 管柱 深度大于油气层顶部深度 根据 111211121 2321332133 ttHhh qQHhh q ttH qQH qQH qH q 12 11211 Hhh qQqt ttHhh qQq 内内 23 tt t 21123 HhHhHH 底 16 121121112 Hh qHhh qHhh q 内 解得 1 q t t qq 内 1内 11 112 11 qqqqqq hHh qqqq 内内 内内 3 2123 1 11 11 qqtqt HHhH qtqtq 3 3 1 12 1 11 1 1 q HH q Hh t q qtqq 底 内 7 3 3 12 1 11 1 1 q HH qh v t t qt qtqq 底 静 静 内 这就是该种情况下的计算公式 分析 分析 若等直径井眼 则 上式可变为 31 qq 2 tt 与等直径井眼情况 4 相同 2 2 1 11 1 Hh v t t qt qtqq 底 静 静 内 2 2 三级复合直径井眼 三级复合直径井眼 1 1 钻头 管柱底部 深度浅于油层顶部深度的情形 钻头 管柱底部 深度浅于油层顶部深度的情形 计算方法参见图 7 17 1 2 3 图 7 钻头 管柱 深度与油气层顶部深度相同的情形 根据 221 tH qQ 333 tH qQ 444 tH qQ 111 111111 Hhh qQqt ttHhh qQq 内内 18 111111111 234213344213344 ttHhh qQHhh q tttH qQH qQH qQH qH qH q 234 ttt t 111111111 Hh qHhh qHhh q 内 1 HHhHHH 1234油 解得 1 q t t qq 内 1内 1 111 1 qqq hHh qq 内 内 34 21134 1 111 qqqt HHhHH qtqq 34 34 11 11 1 11 1 1 1 qq HHH qq Hh t q qtqq 钻头 内 8 34 34 111 1 11 1 1 1 qq HHH qqh v t t qt qtqq 钻头 静 静 内 式中 各井段长度 m 1234 HHHH 段钻井液返出井口时间 1234 tttt 112234 HhhHHH h 井段的容积 L m 134 qqq 1234 HHHH 从开泵循环到见到油气显示时间 h t 这就是该种情况下的计算公式 对于其它井身结构的井 可根据相同原理进行推导计算 对于 油气活跃 油气侵段已达到中部井眼的情况 可根据同样的方法进 19 行测量计算 只是计算相对繁琐一些 分析 分析 对于同一直径井眼 则上式 34 1342 11 1 qq qqqtt qq 变为 与等直径井眼 2 相同 1 2 1 11 1 Hh v t t qt qtqq 钻头 静 静 内 2 2 钻头 管柱底部 深度与油层顶部深度相同的情形 钻头 管柱底部 深度与油层顶部深度相同的情形 计算方法参见图 8 1 2 3 图 8 钻头 管柱 深度与油气层顶部深度相同 根据 20 221 tH qQ 333 tH qQ 444 tH qQ 1 1111 Hh qQqt ttHh qQq 内内 1111111 234213344213344 ttHh qQHh q tttH qQH qQH qQH qH qH q 234 ttt t 111111 H qHh qHh q 内 1 HHhHHH 1234油 解得 1 q t t qq 内 1内 1 11 1 qqq hH qq 内 内 34 2134 1 111 qqqt HHHH qtqq 34 34 11 1 1 11 1 1 1 qq HHH qq H t q qtqq 油 内 9 34 34 11 1 11 1 1 1 qq HHH qq v t qt qtqq 油 静 内 这就是该种情况下的计算公式 分析 分析 对于同一直径井眼 则上式 34 1342 11 1 qq qqqtt qq 21 变为 与等直径井眼情况 3 相同 2 1 11 1 H v t qt qtqq 油 静 内 3 3 钻头 管柱底部 深度大于油气层顶部深度的情形 钻头 管柱底部 深度大于油气层顶部深度的情形 计算方法参见图 9 1 2 3 图 9 钻头 管柱 深度大于油气层顶部深度 22 根据 111211121 23421334213344 ttHhh qQHhh q tttH qQH qQHQH qH qH q 12 11211 Hhh qQqt ttHhh qQq 内内 234 ttt t 211234 HhHhHHH 底 121121112 Hh qHhh qHhh q 内 解得 1 1 t q t qq 内 内 11 112 11 qqqqqq hHh qqqq 内内 内内 3224 21234 1 11 111 qqtqtq HHhHH qtqtqq 34 34 11 12 1 11 1 1 1 qq HHH qq Hh t q qtqq 底 内 34 34 112 1 11 1 1 1 qq HHH qqh v t t qt qtqq 底 静 静 内 10 这就是该种情况下的计算公式 分析 分析 若等直径井眼 则 上式变为 134 qqq 2 tt 与等直径井眼情况 4 相同 2 2 1 11 1 Hh v t t qt qtqq 底 静 静 内 23 由此得出下列常用计算公式 一级复合井径井眼 单一直径井眼 一级复合井径井眼 单一直径井眼 1 1 2 1 11 1 Hh v t t qt qtqq 钻头 静 静 内 2 2 1 11 1 H v t qt qtqq 油 静 内 3 2 2 1 11 1 Hh v t t qt qtqq 底 静 静 内 二级复合井径井眼 二级复合井径井眼 1 3 3 1 1 1 11 1 1 q HH qh v t t qt qtqq 钻头 静 静 内 2 3 3 1 1 11 1 1 q HH q v t qt qtqq 油 静 内 3 3 3 12 1 11 1 1 q HH qh v t t qt qtqq 底 静 静 内 三级复合井径井眼 三级复合井径井眼 1 34 34 111 1 11 1 1 1 qq HHH qqh v t t qt qtqq 钻头 静 静 内 2 34 34 11 1 11 1 1 1 qq HHH qq v t qt qtqq 油 静 内 24 3 34 34 112 1 11 1 1 1 qq HHH qqh v t t qt qtqq 底 静 静 内 更为复杂的井身结构 可按类似方法推导并进行计算 三 注意事项及有关说明三 注意事项及有关说明 1 钻具 管柱 下入深度问题 钻具 管柱 下入深度分三种情况 即下至油气层以上深度 顶 部深度和中部 底部 深度 下至油气层顶部是指在开泵初期钻具 管柱 处于顶部 一旦开泵循环 钻具 管柱 内油气进入环空 后 可进行钻具 管柱 活动 防止发生卡钻问题 下至中部 底 部深度 应以下至油气层内部更合适 一般情况下不要下过油气层 太长距离 防止井口油气显示间断对于测量计算的影响 2 循环排量问题 开泵后应保持排量稳定 不能过多调节 若井下情况需要变化排 量 应根据实际情况对时间进行相应的修正 如采用 1 3 排量时 显示时间是全排量的 3 倍 3 两个时间的测量问题 开泵到见到油气显示的时间 和从见到油气显示到显示 2 t t t 段结束的时间 应根据油气侵混浆段实际显示确定 准确记录 一 1 t 般情况下应以是否对井控安全造成影响来确定 取混浆段显示时间 的中间点 4 井眼容积与环空容积问题 对单一直径井眼 因钻具 管柱 处在同一井眼 同一次下钻开 25 泵过程 容积变化对时间的影响具有较好的一致性 可不考虑扩大 问题 复合井眼用到的井眼容积 中 上部在套管中 不考虑扩大 问题 油气侵段在井眼最下部 井径有一定的影响 应考虑扩大率 问题 井下作业施工不存在该类问题 5 现场应用问题 实际应用中 应根据井眼情况首先确定各项常数 预先代入公式 计算出来 在循环时测量完两个显示时间后 与总静止时间一起代 入公式 可方便求出油