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1、目的层（产层）气体钻井安全控制理论及方法,李相方,中国石油大学（北京）石油天然气工程学院2008年8月29日,1.在产层进行气体钻井时的安全控制概念 2.欠平衡钻井条件下的储层流体进入井筒特征与井筒流动特征分析3.井口回压对储层流体进入井筒的控制作用 4.在产层进行气体钻井时的安全控制方法 5.结论,汇报提纲,1.在产层进行气体钻井时的安全控制概念,在产层进行钻井时的安全控制包括储层安全和地面安全控制。储层安全是从系统方面考虑的，它不单考虑钻井这一个环节的效益问题，更重要的是考虑整个区块的有效开发、总体效益问题。地面安全指的是钻井过程中地面设备、人员等安全。,1.1地面安全,钻井过程中的地面安
2、全包括地面装备安全和地面人员安全。地面人员安全是首要的。要保证地面人员安全，地面装备安全是前提。即使地面装备安全可靠，但是在利用欠平衡钻井钻产层过程，如果控制不当，也会威胁人身安全。地面装备安全是指地面所有循环系统、控制系统及吊升系统均可靠。此外还包括钻井流体与压井流体。,储层安全是指在欠平衡钻井过程，不会因为负压差过大引起：有水地层造成水侵入储层；应力敏感储层近井地带渗透率降低；胶结不是太好的储层近井地带出砂或地层坍塌、大量的气藏的气体被释放烧掉、安全钻井液密度窗口窄储层钻井流体侵入地层等。,1.2储层安全,储层安全影响因素主要是地层孔隙压力和地层敏感性。欠平衡钻井方式，尤其是气体介质的欠平
3、衡钻井方式，一般要在井口施加回压，用以控制井底压力。井口回压过大则井底压力过大，容易压漏储层，储层污染、强烈的井涌，井口压力过小，则会使地层流体大量进入井筒，引起地面控制困难，破坏地层。气体介质欠平衡钻井井口回压的调节是相当方便而及时的，因此，这也正体现了气体介质欠平衡钻井方式在保护储层方面的优越性。,1.2储层安全,对于地层的敏感性来讲，主要是地层水敏和颗粒堵塞。气体介质钻井液中除含有气体以外还有一定量的水，钻井压力系统形成过平衡，水就会侵入储层，水的侵入造成水敏性矿物的膨胀，造成近井地带储层流动通道变小，渗透率降低，这些都会大大的影响储层的产能。,1.2储层安全,2.欠平衡钻井条件下的储层
4、流体进入井筒特征与井筒流动特征分析,为了钻进过程中的安全，应力求在钻进过程中使压力系统保持稳定的欠平衡状态。允许一定量的地层流体涌入井筒，量要少，多则可能诱发井喷等危险事故。而问题的关键在于地层流体的涌入。因此，要研究地层流体从地层中以渗流的方式涌出和以管流的方式在环空中向上流动的规律，只有将这些规律弄清楚，才能在井口施加合适的回压，实施可靠的井控措施。,地层流体从地层向井筒的涌入过程是渗流过程，地层流体的涌入特征是受渗流规律支配的。在钻井过程中的控制问题关心的是地层流体的涌入量，而不同的油气层，不同的地层参数，如渗透率、储层厚度、地层压力等，决定了会有不同的侵入量。,2.1气体介质欠平衡钻井
5、条件下储层流体流入特征,贝特尔气田（美国）,凯蒂气田（美国）,美女河磨坊气田（美国）,洛考特巴特气田（加拿大）,北兰金气田（澳大利亚）,奥伦堡凝析气田（苏联）,列宁格勒凝析气田（苏联）,斯塔罗明斯克凝析气田（苏联）,老大洋凝析气田（美国）,平切尔溪凝析气田（加拿大）,哈西鲁迈勒凝溪气田（阿尔及利亚）,圈闭气的形成及微观分布,在孔隙中三种可能润湿相圈闭非润湿相示意图,重力作用下圈闭气分布状态示意图,气藏水侵可以引起储层渗流特征严重劣化,水侵对对储层渗流特征的影响,非均质储层下边水推进会圈闭气体,a 裂缝水封气示意图,b 孔隙水封气示意图,低渗透高压死气区示意图,孔隙度19.4 渗透率557mD,
6、储层渗流特征,孔隙度23.4 渗透率3515mD,储层渗流特征,储层流体侵入渗流模型,根据达西定律得到气体平面径向流产能方程,平面径向流模型,气体的侵入量与储层渗透率和有效厚度都成正比，与地层压力与井底压力的平方差成正比。随着钻进过程而变化的参数有效厚度，在钻开储层的过程中，有效厚度是随着时间的增大而增大的。因此，即便是其它条件都不变的情况下，随着时间的增加气侵量也是增大的。,对于钻井过程的安全控制来讲，关心的是地层流体的侵入速度。气体侵入量对应于产能方程中的气体产量。,储层流体侵入渗流模型,不同储层物性对气侵量影响,数值模拟的参数选择,分别模拟研究了不同渗透率、不同储层厚度及不同井底压力对气
7、侵量的的影响关系曲线。,数值模拟研究储层参数对气侵量的影响,（1）渗透率对气体侵入规律的影响,不同渗透率下气侵量随井底流压变化曲线（h10m）,在井底流压、储层厚度等其他条件相同的条件下，渗透率越大则气侵量越大；在渗透率、储层厚度等条件相同的条件下，井底流压越小，即地层与井底压差越大，则气侵量越大。,不同渗透率下气侵量随储层有效厚度变化曲线（Pwf45Mpa）,在渗透率、井底流压等其他条件相同的情况下，储层有效厚度越大则气侵量越大；在储层有效厚度、井底流压等其它条件相同的情况下，储层渗透率越大则气侵量越大。,（1）渗透率对气体侵入规律的影响,（2）储层厚度对气体侵入规律的影响,不同储层厚度下气
8、侵量随井底流压变化曲线（k10md）,不同储层厚度下气侵量随渗透率变化曲线,（2）储层厚度对气体侵入规律的影响,3.井口回压对储层流体进入井筒的控制作用,3.1井口回压控制储层流体进入井筒理论,在井口对环空内的钻井介质流体柱施加一个回压，使得流体柱中的每个深度点处的压力都增大这个回压值。当回压值大到使得储层压力与井底流压的压差小于储层流体在储层中的渗流阻力时，地层流体就不会流入井筒。回压值可以任意在井口调节的。对于气体介质钻井来讲，如果没有井口回压，那么井底压力很容易低于地层压力，地层流体容易涌入井筒。井口回压可以控制涌入。通过合理控制井口压力可以调整井筒内流体流动状态参数，从而合理控制欠平衡
9、压差和气侵量。,3.2不同井口压力下的井筒流动参数分布,模拟一：参数设置：气体侵入量为20104m3/d，井深350m，环空截面为0.0351m2温度梯度3/100m。,不同井口压力下井筒内气体密度分布,在低井口压力下随井深增加井筒内气体密度增大；当井口压力为8.3MPa时沿井深分布的气体密度保持不变；在高井口压力下随井深增加井筒内气体密度减小。,不同井口压力下井筒内气体流速分布,在低井口压力下随井深增加井筒内气体流速减小；当井口压力为8.3MPa时沿井深分布的气体流速保持不变；在高井口压力下随井深增加井筒内气体流速增大。,3.2不同井口压力下的井筒流动参数分布,1.7,5.0,8.3,11.
10、6,14.9,不同井口回压下井筒流压分布,井口回压对流压影响较大。随着井口压力增加，井筒内平均气体流压增加，导致气体密度增加而使气体的重力压降增大，从而使流压随之增加。,3.2不同井口压力下的井筒流动参数分布,模拟二：基本数据如下，井深4000m、井径0.062m、井口温度30、井底温度230、气体比重0.6。,不同井口回压下气体速度沿井深的变化,在不同的井口回压下气体沿井筒分布有所不同，井口回压越小，气体速度越大，井口回压大于5.0MPa时气体速度沿井筒的变化不大。,3.2不同井口压力下的井筒流动参数分布,不同气体产量下气体速度沿井深的变化,3.2不同井口压力下的井筒流动参数分布,气体侵入量
11、越大，气体速度越大,对于气体侵入量为1、5、10万方/天的情况下，气体速度沿井筒变化不大。,4.在产层进行气体钻井时的安全控制方法,（1）高渗气藏采用恒进气量控制,高渗气藏的渗透率较高，气体在一个小的欠平衡压差存在下就可以快速的渗出，如果采用调节井口回压的方法控制恒定的井底压力，随着钻进的进行，储层暴露厚度的增大会带来气侵量的线性增加。所以不能采用恒井底压力的控制方法，而要用恒进气量控制的办法，即井底压力要在欠平衡的基础上适当的调高。而这种调节要参考的一个重要参数是钻速，因为钻速决定了储层有效厚度的暴露速度。对于高渗的油气层,根据达西定律，气体侵入量大，井控难度大，有必要展示该情况下井涌期间环
12、空流动参数变化特点，以便于控制。,稳态条件下不同气体流量下井底流压随时间的变化,15分钟后，气体已经运移到了距离井口很短地方，由于截面含气率已经非常大，造成气体膨胀非常大，气体的运移速度变的很大。随着气体侵入量的减小，在相同的时间内，井底流压降低的幅度减小，气体到达井口的时间增加。,10分钟前：井底流压变化不大,15分钟后：井底流压变化的速率既随时间变化较快，随不同进气量变化较大,（1）高渗气藏采用恒进气量控制,瞬态条件下井底流压和气体侵入量随时间的变化,（1）高渗气藏采用恒进气量控制,小于15分钟：井底流压变化很小气体侵入量变化是井深不断增加，气层厚度增加，泄漏面积在增加导致,在15-22分
13、钟期间，一方面井深不断增加，另一方面气体侵入井眼后井底压力降低使得井底负压差增大，气体侵入量将明显加大,22分钟后，气体侵入量的剧烈增大，是由于气体在井眼上部剧烈膨胀，使得气体上升的速度大幅度增加所至,因此，高渗气藏钻井的井控的原则是及早采取措施控制井涌，并将进气量控制在一定范围之内，即恒进气量控制。,（1）高渗气藏采用恒进气量控制,（2）低渗气藏采用恒欠平衡压差控制,稳态情况下不同气体流量下压力随时间的变化,当气侵超过一定的时间后，井底流压变化的速率将会增大，气体的侵入量越大，需要时间越短。这四个气体侵入量的时间分别是：26，28，30，32分钟。,在前15分钟，井底流压降低很小,瞬态条件下
14、井底流压和气体侵入量随时间的变化,25分钟后，气体运移到接近井口的位置，气体的速度升高，渗透率低，侵入量不大,前30分钟内，渗透率比较小，气体速率很低，由于进入气层的深度随时间线性增加，气体的侵入量是线性增加,（2）低渗气藏采用恒欠平衡压差控制,对于低渗的油气层，由于其渗透率比较低，气体在很短的时间内的进入井筒之中的气体较少，并且运移到井口的所需的时间比高渗的地层多需的时间多，由于地层的低渗，从而使井底流压发生较大变化的时间增加，就给我们采取措施提供了大量的时间，因此对于低渗地层，采用欠平衡钻井不但可以保护油气层，而且若出现气侵后给我们的时间较多，使我们可以采取各种措施，进行井控，我们可以采用
15、恒压差控制，既方便，又提高了钻井的安全性。,（2）低渗气藏采用恒欠平衡压差控制,5.结论,（1）对地层的正确认识是控制欠平衡钻井过程的基础。地层渗透率、有效厚度、地层压力等参数影响着地层流体侵入井筒量。（2）对井筒流动规律的揭示是欠平衡钻井安全控制的关键。井筒流动规律的揭示包括对井筒流动参数的理解与分析。这里给出了不同地层温度与井口压力下井筒中气体流动参数的分布。在不同渗透率下随着井口压力增加，对应的气体侵入量下降、井底流压增加。通过控制井口压力可以调整井筒内流体流动参数状态，从而合理控制欠平衡压差和气体侵入量以满足钻井安全的要求。（3）在产层进行气体钻井时的安全控制方法受到储层物性的影响，对
16、于高渗储层，要采用恒进气量控制，对于低渗储层，则可以采用恒欠平衡压差控制。,1、李相方等，垂直环空空气泥浆气液两相流实验研究，石油大学学报，1995年第4期 2、李相方等，气侵检测技术的研究，天然气工业，1995年第4期 3、李相方 管丛笑 隋秀香等，气侵检测技术的研究，天然气工业，1995年7月，第15卷第4期，1922 4、李相方 郑权方，“硬关井”水击压力计算及其应用，石油钻探技术，1995年9月，第23卷第3期，13 5、李相方 隋秀香 管丛笑等，压力脉冲在井眼气液两相流传播的数值模拟，水动力学研究与进展，1995年10月，第10卷第5期，566569 6、李相方等，压力波早期检测气侵
17、高度及含量的研究，石油学报，1996年3期7、李相方 管丛笑 隋秀香等，压力波气侵检测理论及应用，石油学报，1997年7月，第18卷第3期，128132 8、Li Xiangfang et al，A new Approach to Early Gas Kick Detection.The sixth international oil&gas conference，In China，SPE50890，Nov.1998 9、李相方等，环形井眼气液两相流流动规律研究，水动力学研究与进展，199810、Xiangfang Li Congxiao Guan Xiuxiang等，A New Approa
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19、485214、李相方 庄湘琦，关井压力恢复和读取时机分析，石油学报，2002年9月，第23卷第5期，11011215、刘举涛 李相方 隋秀香等，声波早期检测气侵数据处理与程序设计，石油大学学报（自然科学版），2002年12月，第26卷第6期，505216、庄湘琦 李相方 刚涛等，欠平衡钻井井口回压控制理论与方法，石油钻探技术，2002年12月，第30卷第6期，121417、李相方 刚涛 庄湘琦等，气侵期间环空气液两相流动研究，中国工程热物理学学术会议论文，026099，25426018、隋秀香李相方，气侵检测仪的研制与应用，石油仪器，2003年2月，17卷第11期，7-919、隋秀香李相方，声
20、波气侵检测中弱信号强干扰下布线技术，石油钻探技术，2003年2月，31卷第1期，10-12,参考文献,20、隋秀香周明高李相方等，早期气侵监测声波发生技术，天然气工业，2003年3月，23卷第2期，62-6321、隋秀香李相方，一种新型便携式钻井数据采集处理系统，天然气工业，2003年5月，23卷第3期，41-4322、李相方 庄湘琪，气藏开采中地层温度及井口压力对井筒流动参数的影响，石油大学学报（自然科学版），2003年8月，27卷第4期，53-5723、李相方，提高深探井勘探效果与减少事故的井控方式，石油钻探技术，2003年8月，31卷第4期，1-324、李相方 庄湘琦 隋秀香等，气侵期间环空气液两相流动研究，工程热物理学报，2004年1月，25卷第1期，737625、隋秀香 李相方 齐明明，高产气藏水平井钻井井喷潜力分析，石油钻探技术，2004年5月,参考文献,谢谢！,
