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1、探讨与争鸣关井压力恢复和读取时机分析李相方 庄湘琦 (石油大学（北京）石油天然气工程学院 北京102200)摘要 随着我国海洋与西部等油田深层油气藏勘探开发以及复杂地质条件下油气藏勘探开发，近几年井控问题显得比较突出。溢流发生后，准确求取地层压力是安全井控的必要条件，而准确读取关井压力又是准确获取地层压力的必要条件。然而，关于何时读取关井压力一直存在着误区。尽管大家承认关井稳定所需时间与溢流种类、储量、地层渗透性及地层欠平衡压差等有关，但苦于给不出可操作的推荐时机，于是，二十多年来，关井10-15分钟后或关井5-20分钟后取压的理论一直支配着钻井现场，这与实际偏差较大，直接影响了深层与复杂地质
2、条件下安全井控。本文分析与描述了气体在环空滑脱上升与立套压变化关系，基于天然气藏渗流力学与达西定律，揭示了气侵溢流关井后恢复特征，给出了不同渗透率的油气藏关井压力读趋时机与读取方法，为快速与准确获取地层压力提供了一条有效的途径。主题词 关井 压力恢复 关井压力 地层压力 中国分类号 TE21 文献标示码：A1 前言随着我国海洋与西部等油田深层油气藏勘探与开发，近几年井控问题显得比较突出。众所周知，溢流发生后，准确求取地层压力是安全井控的必要条件，而准确读取关井压力又是准确获取地层压力的必要条件。然而，几十年来，关于何时读取关井压力一直存在着误区。从原理上讲，大家承认关井稳定所需时间与溢流种类、
3、储量、地层渗透性及地层欠平衡压差等有关1-7，但苦于给不出可操作的推荐时机，于是，一些专家推荐关井10-15分钟后读取立压与套压1-4，一些专家推荐关井5-20分钟后读取立压与套压5-7。一些专家8-9提出了等压力恢复稳定后读取压力观点，但这对于低渗油气藏是困难的，同时识别圈闭压力也较困难。研究表明10-13：溢流关井稳定所需时间对不同油气藏差别很大，而不是给某个参考时间所能解决问题的。鉴于目前钻井现场普遍存在着关井取压问题，鉴于准确读取关井压力对安全井控，尤其是对付高温高压油气藏井控与复杂地质条件下的井控的重要性，本文对何时读取关井压力进行分析与探讨。 2 关井后压力恢复原理因气侵是井控难点
4、，故本文假设侵入流体为天然气，并且假设钻柱中未装钻具回压凡尔。关井期间，钻柱、环空与地层是连通的，并可用“U”型管结构予以描述，如图1所示。 图1关井期间“U”型管原理图（fig1. U-shape tube theory of shut-in） 由图1可知，钻柱、环空及地层之间流体是连通的，它们之间的液体压强是可以传递的。关井期间，随着地层流体侵入，井底压力增加，从而使井底压力与地层压力差减少。此时，立压与套压相应增加。当井底压力与地层压力差为零时，则 (1)式中 _关井立管压力，MPa； _钻柱内静液柱压力，MPa； _地层压力，MPa； _关井套压，MPa； _.环空内气液混合静液柱压力
5、，MPa。如果在此时读取立压与套压，根据钻柱内钻井液密度与立压，由式（1）可以容易计算出地层压力。然后可以求出压井钻井液密度。显然，要想准确计算地层压力，关键要尽可能在井底压力等于地层压力时读取立压与套压。3 关井立压与套压上升分析对于气侵情况，刚关井后，环空内为含气钻井液，钻柱内为纯钻井液，根据“U”型管原理，由于地层压力大于井底压力，地层中气体继续侵入井眼。根据依重力分离的原理，气体将进入环空及通过钻头水眼进入钻柱内，滑脱上升。钻头水眼尺寸小，气体进入钻柱内少。环空内原来就含有气体，随着时间推移，环空内气体含量仍比钻柱内多。关井初期，井底压力与地层压力负压差大，地层流体侵入速度快。刚关井后
6、，环空内有气体，钻柱顶部有一小段无泥浆。进入井眼中的流体一方面压缩了环空中的气体，一方面填补了钻柱中无泥浆段，并将地层压力传向立压与套压。随着地层流体继续侵入，立压与套压将同时上升。地层流体的侵入可由下式描述(也可以由拟压力函数描述)14：-原始地层压力，MpaP（r，t）-井底流压，Mpar-边界半径，mh-气层有效厚度，mqsc-标准状态下天然气产量， m3/dK-渗透率，-传导系数-平均粘度，mPa.s气体体积系数由式（2）可知：井底压力Pwf与地层渗透率、传导系数与流入时间等有关。随着时间的推移，地层流体进一步进入井眼，立压与套压进一步升高，这使得井底压力与地层压力负压差进一步减少，从
7、而导致地层流体侵入越来越缓慢；当立压与套压达到一定值时，井底压力Pwf将等于地层压力，此时地层流体将不再进入井眼。但对于气侵来说，由于环空与钻柱内均含有气体，气体仍将继续滑脱上升，而液体下移，从而使立压与套压继续升高。由于气体滑脱上升导致立压与套压升高速率依赖于此时含气量、气液两相流流型、液相流变性等。随着立压与套压继续上升，井底压力也将随之增加。当井底压力高于地层孔隙压力与地层孔隙流动阻力之和时，井眼内的井底流体将会返流入地层中，这样就使得井眼中气体有膨胀的空间。因此在气体上升过程中，其携带的压力就有所释放，从而减慢了立压与套压上升速度与可能上升的最大值。也即，关井期间气体滑脱上升过程中，井
8、眼并不是一个刚性的密闭空间。井眼内的井底流体返流入地层中可见于高渗地层、连通性好的裂缝性与溶洞地层。但由于一般地层孔隙流动阻力较大，特别是钻井液泥饼的屏蔽作用，使得井底流体返流入地层的量一般不会太大。对于低渗地层，井底流体返流入地层情况少见。由此可见，对于气侵情况，随着关井时间增加，井底压力可以高于地层压力。也即式(1)应改为： (3)式中 _钻柱内气液混合静液柱压力，MPa； _井底流体返入地层孔隙流动阻力，MPa。 与地层污染情况，地层渗透性等油藏特征有关。对于高渗，比较发育的裂缝性油气藏，值小。式(3)表明：1 气侵关井后，不仅环空内钻井液中含气，钻柱内钻井液中也含气。一般情况下后者含气
9、率比前者含气率少。但当关井时间很长时，二者差别将减少。 如果环空内钻井液中含气率与钻柱内钻井液中含气率相近，那么 并且 （4）2 有时现场也发现气侵后关井立压与套压相接近情况。这种情况可以从两个方面理解：第一，许多情况下，钻柱内含气少，同样说明在环空内含气也少，因此井控相对容易；第二，关井时间长，钻柱内液体有时间与地层气体进行置换，导致钻柱内含气多，井控相对困难。第一种情况特点是立压与套压始终接近。第二种情况是：开始套压上升明显快，并且与立压差值偏大；较长时间后，立压上升变快，并且与套压值接近。3 对于高渗及裂缝发育的气层，关井压力平衡后井眼内液体与地层气体可以不断交换，致使环空内与钻柱内气体
10、越来越多，而液体越来越少，由于地层压力认为是基本不变的，则与越来越小，与将越来越高，其变化速率依赖于油藏情况，井眼情况及钻井液情况。有时现场也发现气侵关井后立压与套压较长时间呈上升趋势。4 关井立压与套压测定原则根据式（1），如果能准确判断井底压力等于地层压力的时刻，只要读取此时立压，由于钻柱内钻井液密度已知，地层压力能够准确确定。根据式（3)，要计算地层压力需要知道，并且要么知道与，要么知道与。 显然，与容易测量，而，与是不易知道的。基于上述分析，我们希望根据式（3）求取地层压力。但需要确定井底压力等于地层压力的时刻。为此绘制出理想的气侵关井后立压与套压变化曲线如图2所示。 图2 气侵关井后
11、立压与套压变化曲线(fig2. the curve of varying stand pressure and case pressure after shut-in)发现气侵后，在t0时刻停泵，然后将方钻杆提到转盘上面。t1时刻关井。之后，套压开始上升。而立压将延迟一段时间后上升。对于高压高渗油气藏及裂缝发育的油气藏，地层气体侵入速度快，在t2时刻立压开始上升，并且立压与套压上升快，其对应曲线斜率高。在t5时刻，立压与套压相对稳定，认为地层流体停止进入井眼。对于中压中渗油气藏，t1时刻关井后，套压上升，在t3时刻，立压开始上升。由于地层气体侵入速度较情况一慢，故t3t2，且立压与套压上升速度
12、慢，相对稳定慢。t6时刻认为地层流体停止进入井眼，则t6t5。 对于低压低渗油气藏，同理，t4t3，且t7t6，且所对应的立压与套压上升速度慢，相对稳定慢。鉴于以上分析，由于油气藏复杂性与多样性，气侵关井后立压与套压上升特征各不相同，简单地用关井后多少时间取关井立压与套压是不合适的。亦做出如图2曲线，根据曲线特征求取关井立压与套压。当井底压力等于地层压力时，井筒气体仍可滑脱上升，使得立压与套压上升，这给准确确定读取关井压力时刻增添了困难。作为现场可以操作的方法是：以时间为横坐标，以立压、套压为纵坐标，作曲线；一般情况下，当曲线变化平滑时，其拐点处，即可读为关井立压与关井套压；对于低渗油气藏或井
13、眼不稳定情况，关井后不能允许立压与套压较长时间不出现平稳段及拐点，可根据早期压力恢复曲线趋势读取最高压力值，并适当考虑压力安全附加值。5 结论传统的按关井10-15分钟后取压与实际偏差大，同时，事先规定关井后某个时间取压的做法也是不符合实际的。正确的关井取压应为：做立压、套压与时间的关系曲线，一般情况下，当曲线变化平滑时，其拐点处，即可读为关井立压与关井套压；对于低渗油气藏或井眼不稳定情况，可根据早期压力恢复曲线趋势读取最高压力值，并适当考虑压力安全附加值。参考文献1 钻井手册（甲方）编写组。钻井手册（甲方）上册M。北京：石油工业出版社，1990.6:876879.2 海洋钻井手册编审组。海洋
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15、l Adans. Well Control Problems and Solutions. Printed in the United States of America, 1980. 10 陈庭根，管志川主编，钻井工程理论与技术。山东东营：石油大学出版社，2000.8:21524811 李相方等，压力波气侵检测理论与应用。北京：石油学报，1997年第3期.12 李相方等，硬关井水击压力计算及其应用。山东德州: 石油钻探技术，1995 年23卷第3期.13。13 Xiang-fang Li et al. New Method of Balanced Drilling15th World Petroleum Cogress. Beijing, China, 12-16 October1997.14 王鸣华主编，气藏工程。北京：石油工业出版社，1997.12:8286.摘要 随着我国海洋与西部等油田深层油气藏勘探开发以及复杂地质条件下油气藏勘
