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1、目的層氣體鉆井安全控制理論及方法,1.在產(chǎn)層進(jìn)行氣體鉆井時(shí)的安全控制概念 2.欠平衡鉆井條件下的儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒特征與井筒流動(dòng)特征分析3.井口回壓對(duì)儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒的控制作用 4.在產(chǎn)層進(jìn)行氣體鉆井時(shí)的安全控制方法 5.結(jié)論,匯報(bào)提綱,1.在產(chǎn)層進(jìn)行氣體鉆井時(shí)的安全控制概念,在產(chǎn)層進(jìn)行鉆井時(shí)的安全控制包括儲(chǔ)層安全和地面安全控制。儲(chǔ)層安全是從系統(tǒng)方面考慮的，它不單考慮鉆井這一個(gè)環(huán)節(jié)的效益問(wèn)題，更重要的是考慮整個(gè)區(qū)塊的有效開(kāi)發(fā)、總體效益問(wèn)題。地面安全指的是鉆井過(guò)程中地面設(shè)備、人員等安全。,1.1地面安全,鉆井過(guò)程中的地面安全包括地面裝備安全和地面人員安全。地面人員安全是首要的。要保證地面人員安全，2、地面裝備安全是前提。即使地面裝備安全可靠，但是在利用欠平衡鉆井鉆產(chǎn)層過(guò)程，如果控制不當(dāng)，也會(huì)威脅人身安全。地面裝備安全是指地面所有循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及吊升系統(tǒng)均可靠。此外還包括鉆井流體與壓井流體。,儲(chǔ)層安全是指在欠平衡鉆井過(guò)程，不會(huì)因?yàn)樨?fù)壓差過(guò)大引起：有水地層造成水侵入儲(chǔ)層；應(yīng)力敏感儲(chǔ)層近井地帶滲透率降低；膠結(jié)不是太好的儲(chǔ)層近井地帶出砂或地層坍塌、大量的氣藏的氣體被釋放燒掉、安全鉆井液密度窗口窄儲(chǔ)層鉆井流體侵入地層等。,1.2儲(chǔ)層安全,儲(chǔ)層安全影響因素主要是地層孔隙壓力和地層敏感性。欠平衡鉆井方式，尤其是氣體介質(zhì)的欠平衡鉆井方式，一般要在井口施加回壓，用以控制井底壓力。井口回壓過(guò)大則井底壓力過(guò)3、大，容易壓漏儲(chǔ)層，儲(chǔ)層污染、強(qiáng)烈的井涌，井口壓力過(guò)小，則會(huì)使地層流體大量進(jìn)入井筒，引起地面控制困難，破壞地層。氣體介質(zhì)欠平衡鉆井井口回壓的調(diào)節(jié)是相當(dāng)方便而及時(shí)的，因此，這也正體現(xiàn)了氣體介質(zhì)欠平衡鉆井方式在保護(hù)儲(chǔ)層方面的優(yōu)越性。,1.2儲(chǔ)層安全,對(duì)于地層的敏感性來(lái)講，主要是地層水敏和顆粒堵塞。氣體介質(zhì)鉆井液中除含有氣體以外還有一定量的水，鉆井壓力系統(tǒng)形成過(guò)平衡，水就會(huì)侵入儲(chǔ)層，水的侵入造成水敏性礦物的膨脹，造成近井地帶儲(chǔ)層流動(dòng)通道變小，滲透率降低，這些都會(huì)大大的影響儲(chǔ)層的產(chǎn)能。,1.2儲(chǔ)層安全,2.欠平衡鉆井條件下的儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒特征與井筒流動(dòng)特征分析,為了鉆進(jìn)過(guò)程中的安全，應(yīng)力求在鉆進(jìn)過(guò)程中4、使壓力系統(tǒng)保持穩(wěn)定的欠平衡狀態(tài)。允許一定量的地層流體涌入井筒，量要少，多則可能誘發(fā)井噴等危險(xiǎn)事故。而問(wèn)題的關(guān)鍵在于地層流體的涌入。因此，要研究地層流體從地層中以滲流的方式涌出和以管流的方式在環(huán)空中向上流動(dòng)的規(guī)律，只有將這些規(guī)律弄清楚，才能在井口施加合適的回壓，實(shí)施可靠的井控措施。,地層流體從地層向井筒的涌入過(guò)程是滲流過(guò)程，地層流體的涌入特征是受滲流規(guī)律支配的。在鉆井過(guò)程中的控制問(wèn)題關(guān)心的是地層流體的涌入量，而不同的油氣層，不同的地層參數(shù)，如滲透率、儲(chǔ)層厚度、地層壓力等，決定了會(huì)有不同的侵入量。,2.1氣體介質(zhì)欠平衡鉆井條件下儲(chǔ)層流體流入特征,貝特爾氣田（美國(guó)）,凱蒂氣田（美國(guó)）,美女河磨坊氣田5、（美國(guó)）,洛考特巴特氣田（加拿大）,北蘭金氣田（澳大利亞）,奧倫堡凝析氣田（蘇聯(lián)）,列寧格勒凝析氣田（蘇聯(lián)）,斯塔羅明斯克凝析氣田（蘇聯(lián)）,老大洋凝析氣田（美國(guó)）,平切爾溪凝析氣田（加拿大）,哈西魯邁勒凝溪?dú)馓铮ò柤袄麃啠?圈閉氣的形成及微觀分布,在孔隙中三種可能潤(rùn)濕相圈閉非潤(rùn)濕相示意圖,重力作用下圈閉氣分布狀態(tài)示意圖,氣藏水侵可以引起儲(chǔ)層滲流特征嚴(yán)重劣化,水侵對(duì)對(duì)儲(chǔ)層滲流特征的影響,非均質(zhì)儲(chǔ)層下邊水推進(jìn)會(huì)圈閉氣體,a 裂縫水封氣示意圖,b 孔隙水封氣示意圖,低滲透高壓死氣區(qū)示意圖,孔隙度19.4 滲透率557mD,儲(chǔ)層滲流特征,孔隙度23.4 滲透率3515mD,儲(chǔ)層滲流特征,2.1.1儲(chǔ)6、層流體侵入滲流模型,根據(jù)達(dá)西定律得到氣體平面徑向流產(chǎn)能方程,平面徑向流模型,氣體的侵入量與儲(chǔ)層滲透率和有效厚度都成正比，與地層壓力與井底壓力的平方差成正比。隨著鉆進(jìn)過(guò)程而變化的參數(shù)有效厚度，在鉆開(kāi)儲(chǔ)層的過(guò)程中，有效厚度是隨著時(shí)間的增大而增大的。因此，即便是其它條件都不變的情況下，隨著時(shí)間的增加氣侵量也是增大的。,對(duì)于鉆井過(guò)程的安全控制來(lái)講，關(guān)心的是地層流體的侵入速度。氣體侵入量對(duì)應(yīng)于產(chǎn)能方程中的氣體產(chǎn)量。,2.1.1儲(chǔ)層流體侵入滲流模型,2.1.2不同儲(chǔ)層物性對(duì)氣侵量影響,數(shù)值模擬的參數(shù)選擇,分別模擬研究了不同滲透率、不同儲(chǔ)層厚度及不同井底壓力對(duì)氣侵量的的影響關(guān)系曲線。,數(shù)值模擬研究?jī)?chǔ)層參數(shù)對(duì)7、氣侵量的影響,（1）滲透率對(duì)氣體侵入規(guī)律的影響,不同滲透率下氣侵量隨井底流壓變化曲線（h10m）,在井底流壓、儲(chǔ)層厚度等其他條件相同的條件下，滲透率越大則氣侵量越大；在滲透率、儲(chǔ)層厚度等條件相同的條件下，井底流壓越小，即地層與井底壓差越大，則氣侵量越大。,不同滲透率下氣侵量隨儲(chǔ)層有效厚度變化曲線（Pwf45Mpa）,在滲透率、井底流壓等其他條件相同的情況下，儲(chǔ)層有效厚度越大則氣侵量越大；在儲(chǔ)層有效厚度、井底流壓等其它條件相同的情況下，儲(chǔ)層滲透率越大則氣侵量越大。,（1）滲透率對(duì)氣體侵入規(guī)律的影響,（2）儲(chǔ)層厚度對(duì)氣體侵入規(guī)律的影響,不同儲(chǔ)層厚度下氣侵量隨井底流壓變化曲線（k10md）,不同儲(chǔ)層8、厚度下氣侵量隨滲透率變化曲線,（2）儲(chǔ)層厚度對(duì)氣體侵入規(guī)律的影響,3.井口回壓對(duì)儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒的控制作用,3.1井口回壓控制儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒理論,在井口對(duì)環(huán)空內(nèi)的鉆井介質(zhì)流體柱施加一個(gè)回壓，使得流體柱中的每個(gè)深度點(diǎn)處的壓力都增大這個(gè)回壓值。當(dāng)回壓值大到使得儲(chǔ)層壓力與井底流壓的壓差小于儲(chǔ)層流體在儲(chǔ)層中的滲流阻力時(shí)，地層流體就不會(huì)流入井筒。回壓值可以任意在井口調(diào)節(jié)的。對(duì)于氣體介質(zhì)鉆井來(lái)講，如果沒(méi)有井口回壓，那么井底壓力很容易低于地層壓力，地層流體容易涌入井筒。井口回壓可以控制涌入。通過(guò)合理控制井口壓力可以調(diào)整井筒內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，從而合理控制欠平衡壓差和氣侵量。,3.2不同井口壓力下的井筒流動(dòng)9、參數(shù)分布,模擬一：參數(shù)設(shè)置：氣體侵入量為20104m3/d，井深350m，環(huán)空截面為0.0351m2溫度梯度3/100m。,不同井口壓力下井筒內(nèi)氣體密度分布,在低井口壓力下隨井深增加井筒內(nèi)氣體密度增大；當(dāng)井口壓力為8.3MPa時(shí)沿井深分布的氣體密度保持不變；在高井口壓力下隨井深增加井筒內(nèi)氣體密度減小。,不同井口壓力下井筒內(nèi)氣體流速分布,在低井口壓力下隨井深增加井筒內(nèi)氣體流速減小；當(dāng)井口壓力為8.3MPa時(shí)沿井深分布的氣體流速保持不變；在高井口壓力下隨井深增加井筒內(nèi)氣體流速增大。,3.2不同井口壓力下的井筒流動(dòng)參數(shù)分布,1.7,5.0,8.3,11.6,14.9,不同井口回壓下井筒流壓分布,井口10、回壓對(duì)流壓影響較大。隨著井口壓力增加，井筒內(nèi)平均氣體流壓增加，導(dǎo)致氣體密度增加而使氣體的重力壓降增大，從而使流壓隨之增加。,3.2不同井口壓力下的井筒流動(dòng)參數(shù)分布,模擬二：基本數(shù)據(jù)如下，井深4000m、井徑0.062m、井口溫度30、井底溫度230、氣體比重0.6。,不同井口回壓下氣體速度沿井深的變化,在不同的井口回壓下氣體沿井筒分布有所不同，井口回壓越小，氣體速度越大，井口回壓大于5.0MPa時(shí)氣體速度沿井筒的變化不大。,3.2不同井口壓力下的井筒流動(dòng)參數(shù)分布,不同氣體產(chǎn)量下氣體速度沿井深的變化,3.2不同井口壓力下的井筒流動(dòng)參數(shù)分布,氣體侵入量越大，氣體速度越大,對(duì)于氣體侵入量為1、5、111、0萬(wàn)方/天的情況下，氣體速度沿井筒變化不大。,4.在產(chǎn)層進(jìn)行氣體鉆井時(shí)的安全控制方法,（1）高滲氣藏采用恒進(jìn)氣量控制,高滲氣藏的滲透率較高，氣體在一個(gè)小的欠平衡壓差存在下就可以快速的滲出，如果采用調(diào)節(jié)井口回壓的方法控制恒定的井底壓力，隨著鉆進(jìn)的進(jìn)行，儲(chǔ)層暴露厚度的增大會(huì)帶來(lái)氣侵量的線性增加。所以不能采用恒井底壓力的控制方法，而要用恒進(jìn)氣量控制的辦法，即井底壓力要在欠平衡的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)恼{(diào)高。而這種調(diào)節(jié)要參考的一個(gè)重要參數(shù)是鉆速，因?yàn)殂@速?zèng)Q定了儲(chǔ)層有效厚度的暴露速度。對(duì)于高滲的油氣層,根據(jù)達(dá)西定律，氣體侵入量大，井控難度大，有必要展示該情況下井涌期間環(huán)空流動(dòng)參數(shù)變化特點(diǎn)，以便于控制。,穩(wěn)態(tài)條件下不12、同氣體流量下井底流壓隨時(shí)間的變化,15分鐘后，氣體已經(jīng)運(yùn)移到了距離井口很短地方，由于截面含氣率已經(jīng)非常大，造成氣體膨脹非常大，氣體的運(yùn)移速度變的很大。隨著氣體侵入量的減小，在相同的時(shí)間內(nèi)，井底流壓降低的幅度減小，氣體到達(dá)井口的時(shí)間增加。,10分鐘前：井底流壓變化不大,15分鐘后：井底流壓變化的速率既隨時(shí)間變化較快，隨不同進(jìn)氣量變化較大,（1）高滲氣藏采用恒進(jìn)氣量控制,瞬態(tài)條件下井底流壓和氣體侵入量隨時(shí)間的變化,（1）高滲氣藏采用恒進(jìn)氣量控制,小于15分鐘：井底流壓變化很小氣體侵入量變化是井深不斷增加，氣層厚度增加，泄漏面積在增加導(dǎo)致,在15-22分鐘期間，一方面井深不斷增加，另一方面氣體侵入井13、眼后井底壓力降低使得井底負(fù)壓差增大，氣體侵入量將明顯加大,22分鐘后，氣體侵入量的劇烈增大，是由于氣體在井眼上部劇烈膨脹，使得氣體上升的速度大幅度增加所至,因此，高滲氣藏鉆井的井控的原則是及早采取措施控制井涌，并將進(jìn)氣量控制在一定范圍之內(nèi)，即恒進(jìn)氣量控制。,（1）高滲氣藏采用恒進(jìn)氣量控制,（2）低滲氣藏采用恒欠平衡壓差控制,穩(wěn)態(tài)情況下不同氣體流量下壓力隨時(shí)間的變化,當(dāng)氣侵超過(guò)一定的時(shí)間后，井底流壓變化的速率將會(huì)增大，氣體的侵入量越大，需要時(shí)間越短。這四個(gè)氣體侵入量的時(shí)間分別是：26，28，30，32分鐘。,在前15分鐘，井底流壓降低很小,瞬態(tài)條件下井底流壓和氣體侵入量隨時(shí)間的變化,25分鐘后，14、氣體運(yùn)移到接近井口的位置，氣體的速度升高，滲透率低，侵入量不大,前30分鐘內(nèi)，滲透率比較小，氣體速率很低，由于進(jìn)入氣層的深度隨時(shí)間線性增加，氣體的侵入量是線性增加,（2）低滲氣藏采用恒欠平衡壓差控制,對(duì)于低滲的油氣層，由于其滲透率比較低，氣體在很短的時(shí)間內(nèi)的進(jìn)入井筒之中的氣體較少，并且運(yùn)移到井口的所需的時(shí)間比高滲的地層多需的時(shí)間多，由于地層的低滲，從而使井底流壓發(fā)生較大變化的時(shí)間增加，就給我們采取措施提供了大量的時(shí)間，因此對(duì)于低滲地層，采用欠平衡鉆井不但可以保護(hù)油氣層，而且若出現(xiàn)氣侵后給我們的時(shí)間較多，使我們可以采取各種措施，進(jìn)行井控，我們可以采用恒壓差控制，既方便，又提高了鉆井的安全性。,（15、2）低滲氣藏采用恒欠平衡壓差控制,5.結(jié)論,（1）對(duì)地層的正確認(rèn)識(shí)是控制欠平衡鉆井過(guò)程的基礎(chǔ)。地層滲透率、有效厚度、地層壓力等參數(shù)影響著地層流體侵入井筒量。（2）對(duì)井筒流動(dòng)規(guī)律的揭示是欠平衡鉆井安全控制的關(guān)鍵。井筒流動(dòng)規(guī)律的揭示包括對(duì)井筒流動(dòng)參數(shù)的理解與分析。這里給出了不同地層溫度與井口壓力下井筒中氣體流動(dòng)參數(shù)的分布。在不同滲透率下隨著井口壓力增加，對(duì)應(yīng)的氣體侵入量下降、井底流壓增加。通過(guò)控制井口壓力可以調(diào)整井筒內(nèi)流體流動(dòng)參數(shù)狀態(tài)，從而合理控制欠平衡壓差和氣體侵入量以滿足鉆井安全的要求。（3）在產(chǎn)層進(jìn)行氣體鉆井時(shí)的安全控制方法受到儲(chǔ)層物性的影響，對(duì)于高滲儲(chǔ)層，要采用恒進(jìn)氣量控制，對(duì)于低滲儲(chǔ)層，16、則可以采用恒欠平衡壓差控制。,1、李相方等，垂直環(huán)空空氣泥漿氣液兩相流實(shí)驗(yàn)研究，石油大學(xué)學(xué)報(bào)，1995年第4期 2、李相方等，氣侵檢測(cè)技術(shù)的研究，天然氣工業(yè)，1995年第4期 3、李相方 管叢笑 隋秀香等，氣侵檢測(cè)技術(shù)的研究，天然氣工業(yè)，1995年7月，第15卷第4期，1922 4、李相方 鄭權(quán)方，“硬關(guān)井”水擊壓力計(jì)算及其應(yīng)用，石油鉆探技術(shù)，1995年9月，第23卷第3期，13 5、李相方 隋秀香 管叢笑等，壓力脈沖在井眼氣液兩相流傳播的數(shù)值模擬，水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1995年10月，第10卷第5期，566569 6、李相方等，壓力波早期檢測(cè)氣侵高度及含量的研究，石油學(xué)報(bào)，1996年3期7、17、李相方 管叢笑 隋秀香等，壓力波氣侵檢測(cè)理論及應(yīng)用，石油學(xué)報(bào)，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，環(huán)形井眼氣液兩相流流動(dòng)規(guī)律研究，水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，199810、Xiangfang Li Congxiao Guan Xiuxiang等，A New Approach for Early Gas Kick D18、etection，SPE 50890，1998年11月，153155,參考文獻(xiàn),11、李相方 管叢笑 隋秀香等，環(huán)形井眼氣液兩相流流動(dòng)規(guī)律研究，水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1998年12月，第13卷第4期，42042912、Li Xiangfang et al，Methed of rapid stabilizing shut-in drillpipe pressure for blowout wells，SPE59262，F(xiàn)ebruary 2000 13、李相方 剛濤 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