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：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：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

2、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一一迟到时间、 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，一是迟到时间

3、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

4、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井段的相对长 度，对其进行记录

5、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、钻

6、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tl、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。(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H1式计算(1)式中：V油气上窜速度，m/h ；

7、H1 油气侵井液实际高度，m ；t静 从停泵起钻至本次开泵的总静止时间，h。根据图1，存在如下关系式:tit (Hi h-ih1)qi /Q H h hq内qi一t2H2q2/QH 2t (Hi hihi)q内 /Qtit (Hi hihi)qi /QH油比hiH 2(Hi h)q (Hi hihi)q(Hihihi)q 内对以上求解得:tiq内 qiq 内hiqqiq /LJ(Hi qiq内hi)H2HiH钻头hiH钻头Jht静(2)这就是此种情况下的计算公式。式中：ti 循环时井口油气显示的时间,t 将钻具（管柱）内受侵钻井液全部替入环空的时间,从开泵循环到见到油气显示的时间，h;q井眼容

8、积，L/m ；qi、q2井眼环空容积，L/m ；对于等直径井眼，qi q?。 q内钻具（管柱）内容积，L/m ;hi 下入钻具（管柱）后油气侵段上升高度，m ;g 钻头高于油气层顶部高度，m;H?下钻完后未发生油气侵井段长度，m ;H油一一油气层顶部深度，m ;H钻头钻头（管柱）底部深度，m ;Q 循环排量，L/s （不用于计算）。从式中可知，对于一口具体的井，油气层顶部深度 H钻头、井眼容 积q、环空容积qi、钻具（管柱）内容积q内是确定的，下钻到井底开 泵后只要准确记录两个时间ti、t2，与总静止时间t静一起代入公式便 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

9、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、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ti、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。H2钻具井目艮H2-S2血一3未侵段Ml+K14h2(U)钻头(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：1 t (比 hJqJQ 已 h,上2H 2q2 / QH 2_t_ (Hi h)q内 IQ q内ti t (Hi hi)q, IQ q,H油 Hi hi, H 2Hiq (H

10、i h)qi (H, hjq 内对以上求解得：t Bq内q q内H2tzqHi tiqiHiH油q（半一） qti qi q 内/. vtH 油 i(3)q(+ )如qitiq q内hiq q q内qiqHi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、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。(1 ) (

11、2 )(3)图3钻头(管柱)深度大于油气层顶部深度根据tit (Hi hi h2)qQ Hi hih2t2H 2q2 / QH 2_(Hi hih2)q内 /Q q内tit (Hi hih2)qi /Q qiH 底h2 Hi g H2(Hih2)q (Hi hi h2)q (Hi hi h2)q 内解得：tCh tiCiq内hiq q q内qi q内H2qt2qitiHiqt2qitih2Hiq(七2qitih2qiq qi q内 Hi qiq内这就是此种情况下的计算公式。式中：h2钻具（管柱）下入油气层中的长度，m ;H底一一钻具（管柱）底部深度（应小于或等于油气层底部深度），m。（二）复合

12、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。i、二级复合直径井眼（i）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。图4钻头（管柱）深度与油气层顶部深度相同 根据t2 H25/Qt3 H 3q3 / Q(Hi hihi)qiH 2qi H 3q3_(Hi g hQq内 /Q q内 ti t (Hi h hJqi/Q qiti t (Hi hi h)qi/Q t2 t3 H 2qi / Q H 3q3 / QH 油=H i +h| H 2 +H 3解得：tqi q 内hi(H

13、ih)qi q内H2Hitiqqitiqiq内3八H钻头(i)qitiq -vq3H钻头(生i)H3qiiqiq 内hit静 t静(5)式中：t从开泵循环到见到油气显示时间,这就是该种情况下的计算公式。分析：对于单一直径井眼，qi q3,空i,qit t2，则上式可变为v H钻头qd1八静J，与等直径井眼情况（t静2）相同。qtiq q内（2）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。K2Ml+kl+h2(1 )(3)图5钻头(管柱)深度与油气层顶部深度相同根据t2 H25/Qt3 H 3q3 / Q(Hi hi)qiH 2qi H 3q3_(Hi hQq 内/Q q 内

14、ti t (Hi hJqi/Q qiti tt2t3(Hi hQqi/QH2qJQ H 3q3 /Qt2t3tH 油=H i +h| H 2 +H 3解得：thi(6)qi q 内qt H Hi qiti坐H3qH油(虫 i)H3 q“ ti 、q( *)qitiqiq内H油($ i)H3 qi“ ti 、q(.)t静vi qiq内H2Hiq qi q内，H1 qi q内式中：t从开泵循环到见到油气显示时间,这就是该种情况下的计算公式。分析：对于单一直径井眼，q q3,$qi1, t t2，则上式可变为v ，与等直径井眼情况（3）相同。（3）钻头（管柱底部）深度大于油气层顶部深度的情形计算方法

15、参见图6。H3C+3 I/K2 (t2)Hl 44JJtlthlthZAkz : p/油气侵役J：站头(3)图6钻头（管柱）深度大于油气层顶部深度(Hi hih2)q,H 2qi H 3q3根据：1 t (出 h,h2)qJQt2 t3H 2qi /Q H 3q3 / Qt (H hih2)q内 IQ q内t1t (H h-ih2)q1 /Qqit2t3 tH 底h2HihiH2 H3解得：tc内 tiCi C内iqiq内H2业Hi亜h2生H3qitiqitiqiHiH底(鱼i)Haqiq(>)h2qtiqiq内(7)H 底(q3 i)Ha vqi 丄q(-t- ”静如qiti qi C

16、h这就是该种情况下的计算公式分析：若等直径井眼，则qa,t t2，上式可变为t也底i巫，与等直径井眼情况（4）相同临百“静静2、三级复合直径井眼（i）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。(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：t2 H25/Qt3 H 3q3 / Qt4 H4q4 /Q_t_ (Hi g hjq内/Q q内ti t (Hi nhjqJQ qi1 t(Hj h| hJqJQ(Hj h| hjqt2 t3 t4 H2qi/Q H3q3/Q Hqqq/Q 出5H4q4t2 t3 t4 t(Hi h)q (Hi hihi)q (Hi

17、hihjq 内H 油二Hi+hi H2+H3+H4解得：tC； tiqc内h q qi q内 (H h)hl(Hihi)qi q内H2 业(Hihi)坐 H3 q±H4qitiqiqiHiH钻头镇叽（q凹q(tqitiq；)H钻头哼叽晋叽q(+)t 静qitiqic;hit静(8)式中： Hi、H2、出、H4 各井段长度， m ;ti、t2、t3、t4Hi+hi h2、H2、H3、H4 段钻井液返出井口时间，h ;qi、q3、q4 Hi、H2、H3、H4井段的容积，L/m ；t 从开泵循环到见到油气显示时间，h。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

18、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行测量计算，只是计算相对繁琐一些分析：对于同一直径井眼，qi q3 q4,主空1 t t2，则上式变qi qiH钻头）t静为v q(qiti qi q内J，与等直径井眼（2）相同t静2、钻头（管柱底部）深度与油层顶部深度相同的情形(1)计算方法参见图8。图8钻头（管柱）深度与油气层顶部深度相同根据:t2 H2q1 /Qt4 H4q4 /Q(H hjq内 /Q q内_ttit (H hi)qi/Q qti tt2t3t4(Hi hi)q/QH 2q1 /Q H3q3/Q H4q4 /Qt3Hiq (Hihi)qi(Hihjq

19、内(Hi hi)qiH2CiH3q3 H4q4H油二Hi+hH2+H3+H4解得:Ch titCi C内q Ci q内，HiCi C内H2虫 Hi93 H3CitiCi虫H4CiHiH油(巫i)H3Ciq(tqiti qiq内(乞 i)HCii )H 油(虫 i)H3(主 i)H4Ci Cit i(9)q()t 静qiti qi q 内这就是该种情况下的计算公式。分析：对于同一直径井眼，Ci q3则上式变H油t2i，与等直径井眼情况（3）相同。3、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。K4 (t4).钻具(3)井眼HLihl +h2HL+hli'h2根据图9钻

20、头（管柱）深度大于油气层顶部深度tltt2t3t4(Hi hih2)q/QH2q/Q H 3q3 /Q H4/Q(Hihih2)qiH2CI1H3q3H4q4tit(H hih2)q内 /Q q内hih2)qi /Q qi(Ht3h2 Hi hiH2 H3 H4(Hih2)q (Hihih2)qi(Hihih2）q内解得:qi c内q qi q内Hiq ci c内Ciq内h2H2企Hiqtiqt2qitih2*qiqiH4Hi(世 i)H3Ciq(+ -Citi qi q内(玉 i)H4Cii )h2H 底(Q i)H3 吕 i)H4Ciq("*7qtiqi)t>Ci q内h2

21、t静(10 )这就是该种情况下的计算公式分析：若等直径井眼，q3C4， tt2， 上式变为v t H底i皿，与等直径井眼情况（4）相同-鱼為）如静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）(i)vq(2)v(3) vqitiqiH油q内t2iqtiqq内H底t2iqtiqq内q(q(八静八静h2 t静二级复合井径井眼:(1)h钻头世i H3qti丄qt静hit静qitiqi q 内(2)H 油($ iMqz ti gq(”静qitiqiq内(3)H底(虫i)H3 q)t> q内h2t静三级复合井径井眼:(i)vH钻头(生qiq(丑 i)H4q _hti )tt静i)H3q

22、itiqi q内(2)v(鱼 i)H3(q DH4qiq,ti gq(”静qiti qi q内(3) vh底（q 1）H3（q4 叽q（+一）t静qtiqc内h2t静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

23、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t2、t、t和从见到油气显示到显示段 结束的时间ti，应根据油气侵混浆段实际显示确定，准确记录。一般 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 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，可方便求出油气上窜速度。四、结论及认识1、用相对时间法计算油气上窜速度，是一种新的思路。通过一次 下