兩種井涌余量計算模型的比較分析

趙 建

油氣田開發

兩種井涌余量計算模型的比較分析

趙 建

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

井涌余量是衡量鉆井過程中發生溢流后能否安全關井且循環壓井時不至于壓漏薄弱地層的一項重要指標，對于現場井控作業安全起著非常重要的作用。對連續氣柱模型和動態多相流模型求取井涌余量的方法進行了比較分析，認為動態多相流計算模型更符合實際鉆井作業過程中井涌余量的計算需求，從而為今后鉆井現場安全作業提供了重要的依據和支撐。

井控； 井涌余量； 井涌強度； 連續氣柱模型； 動態多相流模型

井涌余量又稱溢流允許量，是鉆井井控作業中衡量溢流處理能力的一個重要參數，是判斷鉆井溢流發生后能否關井，以及使用何種方法壓井的判斷標準，因此準確理解和求取各井段井涌余量對鉆井設計及鉆井作業安全是非常重要的[1]。目前，井涌余量的概念缺乏統一的標準，自20世紀70年代以來，國內外學者對井涌余量進行了研究，但目前大多數井涌余量的計算都是基于連續氣柱模型而言，未考慮實際溢流氣體的溶解性、壓縮性、氣體滑脫以及溫度的影響，計算結果偏于理論。隨著動態多相流理論研究的發展及應用，動態多相流模型成為計算井涌余量的一個重要手段。

本文首先根據新的行業標準對井涌余量進行了定義，并對連續氣柱模型以及動態多相流模型求取井涌余量的方法進行了比較分析，從而得出更準確的井涌余量計算方法，為現場井控安全作業提供了理論依據。

1 井涌余量的定義

根據中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T7453—2019《海洋鉆井井控技術要求》的規定，井涌余量（Kick Tolerance）是指井涌時能安全關井且循環壓井時不至于壓漏地層所允許進入井筒的最大溢流量[2]；井涌強度（Kick Intensity）是指發生井涌時地層壓力當量密度與鉆井液密度之間的差值。由定義可知井涌余量是以體積單位來表示的一項重要參數，并且此處所指的循環壓井方式通常為司鉆法和工程師法等常規壓井方法。

井涌余量是進行井控工作的先決條件，現場發生溢流后，首先應根據該井段計算的井涌余量值來判斷是否能夠安全關井，然后再決定采用何種方法壓井[3-6]。若實際溢流量小于計算值，則可采用常規壓井方法循環壓井；若實際溢流量大于計算值，則需要采取非常規壓井手段來進行壓井。目前常用的井涌余量計算方法有連續氣柱模型及動態多相流模型兩種手段。

2 連續氣柱模型

基于連續氣柱模型的井涌余量計算方法，為了計算方便則假設溢流流體為均勻、連續的氣柱，且發現溢流時侵入流體剛進入井筒底部，套管鞋處為井筒內薄弱層段，忽略氣體在鉆井液中的溶解度，忽略溫度、氣體壓縮因子和氣體滑脫的影響[7-8]。在氣柱向上運移的過程中，一直保持為氣柱形式，環空內流體分布如圖1所示。

圖1 氣侵流體環空分布狀態

發生氣侵時，氣侵在環空中的分布對井涌余量計算有較大影響。為計算方便，研究對象為直井且采用司鉆法壓井，計算步驟如下：

1）根據井底常壓原理，計算最大允許溢流侵入高度，見公式（1）：

2）最大允許關井套壓的計算公式詳見（2）：

a）溢流在井底時井涌余量，見公式（3）:

b）溢流流體頂部在管鞋處時井涌余量，見公式（4）:

3 動態多相流模型

動態多相流模型模擬分析軟件是求取井涌余量的一個重要工具，在應用多相流原理求取溢流允許量時，遵循了標準化的井控操作程序，即：發生溢流后停泵關井，井底壓力達到平衡時求取地層壓力；然后開泵以壓井泵速循環排出溢流[9]。

在循環壓井過程中，井底壓力保持不變，此時環空中的壓力由氣體體積和井涌強度確定。溢流頂部到達管鞋時，管鞋處的壓力剛好達到最大值。當此處的壓力達到地層漏失壓力時，所對應的最大溢流量即為井涌余量，循環過程中出現的最大套壓值即為最大允許關井套壓，如圖2所示。

圖2 溢流-關井-司鉆法壓井過程參數變化

由于動態多相流模型計算時考慮了氣體擴散、溶解、氣體運移、溫度效應、氣體膨脹、地層滲透率、孔隙度的影響，相比于連續氣柱模型，環空中溶解氣體/自由氣體的分布更加分散。圖3顯示了泥漿密度剖面曲線以及關井期間自由氣的分布，由于發生氣侵導致泥漿密度的降低，從而直接影響了環空壓力，因此基于管鞋處地層漏失壓力而計算的動態井涌余量與連續氣柱模型也大不相同。

圖3 泥漿密度剖面曲線以及關井期間自由氣/溶解氣的分布

4 兩種模型的算列比較

以渤海某口實鉆探井為例，使用兩種模型對三開Φ311.1 mm井眼的井涌余量進行計算，以此分析二者的不同，其中地層滲透率500 mD，孔隙度20%，井的各項參數如表1所示。

表1 井的參數

不同井涌強度下的井涌余量計算結果如表2與表3所示。

表2 連續氣柱模型井涌余量計算結果

由計算結果可知：在不同的井涌強度條件下，使用動態多相流模型得出的最大允許關井套壓以及井涌余量值均高于連續氣柱模型。原因分析：這是由于在產生溢流的一段時間內，泥漿循環使侵入的流體更加分散，發生氣侵后導致泥漿密度降低，最大允許關井套壓隨之增加，從而使得動態井涌模型計算的井涌余量也增加。

表3 動態多相流井涌余量計算結果

由于動態多相流模型考慮了井侵后的動態影響，能夠更真實地模擬井控事件，所以能夠更好地評估鉆井作業期間在確定井涌強度下能否安全循環排出溢流的風險。在鉆井作業過程中，可根據各參數的變化實時計算動態井涌余量，指導現場作業。尤其是面對高溫高壓井等高度復雜的工況時，動態多相流模型具有很高的應用價值，該模型目前已經廣泛應用于國內外重要作業區域，成為指導現場施工作業，確保井控安全的重要工具[10-11]。

5 結 論

井涌余量是衡量鉆井過程中發生溢流后能否安全關井且循環壓井時不至于壓漏薄弱地層的一個重要參數，對于現場井控作業安全起著非常重要的作用。在確定的井涌強度條件下，使用動態多相流模擬得出的最大允許關井套壓及井涌余量均高于連續氣柱模型。由于考慮了井侵后的氣體擴散、溶解、氣體運移、溫度效應、氣體膨脹等各項重要因素的動態影響，動態多相流模型能夠更真實地模擬井控事件，因此更符合實際鉆井作業過程中井涌余量的計算需求，為今后井控作業安全提供了重要的保障。

［1］王濤，李基偉，王宏民，等. 井涌余量概念的修正與實例分析[J].海洋石油，2019，39 (02)：79-84．

［2］國家能源局. SY/T 7453—2019海洋鉆井井控技術要求[S]. 北京：石油工業出版社，2019.

［3］李基偉. 井涌余量對套管下入深度的影響研究[J]. 石油機械，2018，46 (04)：7-12.

［4］郝瑞. 用溢流容限余量控制和處理溢流[J]. 天然氣工業，1987，7 (1)：84-90．

［5］毛亞軍，王振，王國棟，等. 延長氣田靖邊區域延927-1井井涌壓井案例分析[J]. 遼寧化工，2016，45 (10)：1324-1327．

［6］伍葳，魏云錦，郭建華，等. 關井井涌余量在鉆井工程設計中的應用淺析[J]. 油氣藏評價與開發，2019，9 (04)：47-50.

［7］劉凱. 如何認識和計算井涌余[J]. 西南石油學院學報，1990，12 (1)：37-44．

［8］郝俊芳. 如何計算井涌余量[J]. 西南石油學院學報，1983(03)：45-50．

［9］李允智，孫長利，苗典遠，等. 氣井溢流關井求壓時間探討[J].當代化工研究，2019 (14)：22-24．

［10］Lawrence Umar, Yap Yun Thiam. Dynamic Multiphase Kick Tolerance Allows Safe Drilling Which Led to Huge Gas Discovery in a HPHT Exploration Well in Malaysia[C]. IPTC17460, 2014 (1): 20-22．

［11］John P. James, Iain M. Rezmer-Cooper, Sverre Kr. S?rsk?r. New Diagnostics and Procedures for Deep Water Well Control[C]. SPE/IADC 527654.

Comparative Analysis of Two Kick Tolerance Calculation Models

（CNOOC Ener Tech-Drilling & Production Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

Kick tolerance is an important index to measure whether the well can be shut in safely after kick in the drilling process and whether the weak formation will not be lost during well killing. It plays a very important role in the safety of on-site well control operation. In this paper, the methods of calculating kick tolerance by single bubble static model and dynamic multiphase flow model were compared and analyzed. It was considered that the dynamic multiphase flow calculation model was more in line with the calculation requirements of kick tolerance in the process of actual drilling operation, which could provide important basis and support for drilling design and field safe operation in the future.

Well control; Kick tolerance; Kick Intensity; Single bubble static model; Dynamic multiphase flow model

TE21

A

1004-0935（2022）04-0536-04

國家重點研發計劃，海洋石油天然氣開采事故防控技術研究及工程示范（項目編號：2017YFC0804500）。

2021-11-25

趙建（1988-），男，山東肥城人，工程師，碩士研究生，2015年畢業于中國石油大學（華東）油氣井工程，研究方向：海上鉆完井、井控應急技術。