油氣上竄速度實(shí)用計(jì)算方法

1、油氣上竄速度實(shí)用計(jì)算方法油氣上竄速度實(shí)用計(jì)算方法摘要：本文介紹了用相對時(shí)間計(jì)算鉆井及井下作業(yè)施工中油氣上 竄速度的方法。該方法通過一次下鉆測量記錄兩個(gè)時(shí)間， 就能計(jì)算油 氣上竄速度，解決了一般開發(fā)井不測量遲到時(shí)間和傳統(tǒng)方法計(jì)算中數(shù) 據(jù)取值一致性差、精度低的問題。對等直徑井眼與復(fù)合直徑井眼分別 進(jìn)行了理論分析并推導(dǎo)出了相應(yīng)的計(jì)算公式。 本文包括前言、基本原 理與計(jì)算方法、注意事項(xiàng)及結(jié)論認(rèn)識(shí)等。對傳統(tǒng)的遲到時(shí)間法、容積 法進(jìn)行了簡要分析并提出了主要不足。主題詞：鉆井井下作業(yè)油氣上竄速度計(jì)算方法一、對傳統(tǒng)計(jì)算方法的分析及問題提出在鉆井和井下作業(yè)施工中，油氣上竄速度是衡量井下安全的重要 技術(shù)數(shù)據(jù)，是確

2、定下一步施工方案措施的重要技術(shù)依據(jù)。油氣上竄速 度過高，將導(dǎo)致井涌井噴問題發(fā)生，造成對地下油氣資源的破壞、對 地面環(huán)境的破壞和對鉆井施工安全的嚴(yán)重威脅。特別是隨著油氣勘探 開發(fā)區(qū)域的逐年擴(kuò)大和地下狀況的不斷復(fù)雜化，對鉆井和井下作業(yè)技 術(shù)與安全提出了更高的要求，對油氣上竄速度的測量計(jì)算也要求更準(zhǔn) 確、更方便。對于油氣上竄速度的計(jì)算，傳統(tǒng)的方法包括“遲到時(shí)間法”和“容 積法”兩種方法。毋庸置疑，這兩種計(jì)算方法在理論上是正確的。但 是，這兩種方法涉及到的關(guān)鍵參數(shù)一一遲到時(shí)間、 泥漿泵排量的準(zhǔn)確 性問題，對計(jì)算的準(zhǔn)確性帶來了很大影響。遲到時(shí)間法是鉆井現(xiàn)場一直采用的方法。這種方法的主要不足，一是遲到時(shí)間

3、的測量比較繁瑣；二是遲到時(shí)間的測量計(jì)算中受到 “鉆 井液運(yùn)載比”影響和鉆具內(nèi)部下行時(shí)間影響，很難保證計(jì)算的精確性； 三是遲到時(shí)間的測量計(jì)算與油氣上竄速度測量計(jì)算是在不同的下入 鉆具次數(shù)和狀態(tài)下，數(shù)據(jù)一致性差；四是沒有將油氣侵段的顯示時(shí)間 引入上竄速度計(jì)算中，缺乏全面性；五是用鉆屑的遲到時(shí)間計(jì)算油氣 上竄速度不合理；六是沒有考慮復(fù)合井眼情況；等等。同時(shí)，開發(fā)井 鉆井和井下作業(yè)現(xiàn)場一般不測量遲到時(shí)間的實(shí)際情況， 也是影響該方 法進(jìn)行計(jì)算的現(xiàn)實(shí)情況。對于容積法，現(xiàn)場應(yīng)用較少。主要是泥漿泵排量的具體值精確性 差，井眼容積也不容易準(zhǔn)確確定，因此計(jì)算精度低。因此，考慮一種新的測量計(jì)算方法是十分必要的。作者

4、在長期分 析的基礎(chǔ)上，提出了一種計(jì)算油氣上竄速度實(shí)用方法相對時(shí)間 法。二、基本原理與計(jì)算方法相對時(shí)間法，是利用鉆井液循環(huán)中各種時(shí)間所占相對比例進(jìn)行計(jì) 算的。不同性質(zhì)的鉆井液，在返出井口時(shí)都有相應(yīng)的顯示時(shí)間，顯示 時(shí)間的長短受到循環(huán)排量、井眼容積、相應(yīng)體積等因素影響。對于井 身結(jié)構(gòu)、循環(huán)排量、井眼容積、相應(yīng)體積確定的井眼，井口顯示時(shí)間 的相對長短就代表著所占井段的相對長度。 在發(fā)生油氣侵、鹽水侵等 情況下，鉆具（管柱）下入后循環(huán)時(shí)，井眼上部未受到侵染鉆井液有 一定的顯示時(shí)間，下部受侵染鉆井液返出后也顯示并持續(xù)一定的時(shí) 間。這兩部分時(shí)間分別代表著未受侵染井段和受到侵染井段的相對長 度，對其進(jìn)行記錄

5、并引入到計(jì)算當(dāng)中，即可計(jì)算出油氣上竄速度，這 就是相對時(shí)間法的基本原理和實(shí)質(zhì)。實(shí)際的井眼，可為單一直徑井眼、復(fù)合直徑井眼（包括二級(jí)復(fù)合 直徑井眼、三級(jí)復(fù)合直徑井眼、多級(jí)復(fù)合井眼等）。在測量計(jì)算中， 每一種井眼都有三種情形，即鉆頭（管柱底部）深度淺于油層頂部深 度、與油層頂部深度相同和大于油氣層頂部深度。 下面分別進(jìn)行推導(dǎo)。假定：1、開泵后油氣不再侵入井眼；2、忽略開泵后油氣滑脫、氣體膨脹上升速度。（一）單一直徑井眼單一直徑井眼，是指井眼直徑比較一致的井眼。 鉆井中下入技術(shù) 套管后再次開鉆井段較短的井，可以認(rèn)為是單一直徑井眼。對于井下 作業(yè)施工井，因?yàn)橐话阍谔坠苤凶鳂I(yè)，大多為單一直徑井眼。1、鉆

6、頭（管柱底部）深度淺于油層頂部深度的情形將鉆頭（管柱）下至油氣層以上某一深度，開泵循環(huán)（應(yīng)保持等 泵速）并在井口記錄顯示時(shí)間段tl、t2，根據(jù)記錄的時(shí)間計(jì)算油氣上 竄速度。應(yīng)考慮到下入鉆具（管柱）時(shí)油氣侵鉆井液返入了鉆具（管柱）內(nèi)部，隨開泵循環(huán)又進(jìn)入環(huán)空與環(huán)空油氣侵鉆井液一同上返。參見圖1。(1)(2)(3)圖1鉆頭(管柱底部)深度淺于油層頂部深度的情形圖1 (1 )表示鉆具下到油氣層以前井眼中實(shí)際情況，圖 1 (2)表示下入鉆具(管柱)開泵前的狀況，圖1 ( 3)表示開泵后鉆具(管 柱)內(nèi)油氣侵井液剛好全部進(jìn)入環(huán)形空間的時(shí)刻。 油氣上竄速度由下H1式計(jì)算(1)式中：V油氣上竄速度，m/h ；

7、H1 油氣侵井液實(shí)際高度，m ；t靜 從停泵起鉆至本次開泵的總靜止時(shí)間，h。根據(jù)圖1，存在如下關(guān)系式:tit (Hi h-ih1)qi /Q H h hq內(nèi)qi一t2H2q2/QH 2t (Hi hihi)q內(nèi) /Qtit (Hi hihi)qi /QH油比hiH 2(Hi h)q (Hi hihi)q(Hihihi)q 內(nèi)對以上求解得:tiq內(nèi) qiq 內(nèi)hiqqiq /LJ(Hi qiq內(nèi)hi)H2HiH鉆頭hiH鉆頭Jht靜(2)這就是此種情況下的計(jì)算公式。式中：ti 循環(huán)時(shí)井口油氣顯示的時(shí)間,t 將鉆具（管柱）內(nèi)受侵鉆井液全部替入環(huán)空的時(shí)間,從開泵循環(huán)到見到油氣顯示的時(shí)間，h;q井眼容

8、積，L/m ；qi、q2井眼環(huán)空容積，L/m ；對于等直徑井眼，qi q?。 q內(nèi)鉆具（管柱）內(nèi)容積，L/m ;hi 下入鉆具（管柱）后油氣侵段上升高度，m ;g 鉆頭高于油氣層頂部高度，m;H?下鉆完后未發(fā)生油氣侵井段長度，m ;H油一一油氣層頂部深度，m ;H鉆頭鉆頭（管柱）底部深度，m ;Q 循環(huán)排量，L/s （不用于計(jì)算）。從式中可知，對于一口具體的井，油氣層頂部深度 H鉆頭、井眼容 積q、環(huán)空容積qi、鉆具（管柱）內(nèi)容積q內(nèi)是確定的，下鉆到井底開 泵后只要準(zhǔn)確記錄兩個(gè)時(shí)間ti、t2，與總靜止時(shí)間t靜一起代入公式便 可求出油氣上竄速度。公式雖然繁瑣，但未知條件只有三個(gè)，因此借 助于計(jì)算

9、機(jī)可方便進(jìn)行計(jì)算。（可根據(jù)井眼實(shí)際考慮一定的擴(kuò)大率， 井下作業(yè)施工不必考慮）2、鉆頭（管柱底部）深度與油層頂部深度相同的情形將鉆頭（管柱）下至油氣層頂部，開泵循環(huán)（應(yīng)保持等泵速）并 在井口記錄顯示時(shí)間段ti、t2，根據(jù)記錄的相對時(shí)間計(jì)算油氣上竄速 度。計(jì)算方法參見圖2。H2鉆具井目艮H2-S2血一3未侵段Ml+K14h2(U)鉆頭(1) (2)(3；圖2鉆頭(管柱)深度與油氣層頂部深度相同的情形根據(jù)圖2，存在如下關(guān)系式：1 t (比 hJqJQ 已 h,上2H 2q2 / QH 2_t_ (Hi h)q內(nèi) IQ q內(nèi)ti t (Hi hi)q, IQ q,H油 Hi hi, H 2Hiq (H

10、i h)qi (H, hjq 內(nèi)對以上求解得：t Bq內(nèi)q q內(nèi)H2tzqHi tiqiHiH油q（半一） qti qi q 內(nèi)/. vtH 油 i(3)q(+ )如qitiq q內(nèi)hiq q q內(nèi)qiqHi這就是此種情況下的計(jì)算公式。與公式（2）相比，相對比較簡單。因此，現(xiàn)場采用此種情況下 計(jì)算油氣上竄速度較更為方便。3、鉆頭（管柱底部）深度大于油氣層頂部深度的情形鉆具（管柱）下至油氣層內(nèi)部或底部時(shí)，因 h2值是確定的，因 此計(jì)算方法相同。若將鉆具（管柱）下過油氣層很長距離（出了油氣 層），循環(huán)時(shí)井口油氣顯示將發(fā)生間斷的問題， 使計(jì)算困難且不準(zhǔn)確， 不應(yīng)采用。計(jì)算方法參見圖3。(1 ) (

11、2 )(3)圖3鉆頭(管柱)深度大于油氣層頂部深度根據(jù)tit (Hi hi h2)qQ Hi hih2t2H 2q2 / QH 2_(Hi hih2)q內(nèi) /Q q內(nèi)tit (Hi hih2)qi /Q qiH 底h2 Hi g H2(Hih2)q (Hi hi h2)q (Hi hi h2)q 內(nèi)解得：tCh tiCiq內(nèi)hiq q q內(nèi)qi q內(nèi)H2qt2qitiHiqt2qitih2Hiq(七2qitih2qiq qi q內(nèi) Hi qiq內(nèi)這就是此種情況下的計(jì)算公式。式中：h2鉆具（管柱）下入油氣層中的長度，m ;H底一一鉆具（管柱）底部深度（應(yīng)小于或等于油氣層底部深度），m。（二）復(fù)合

12、井徑井眼單一直徑井眼計(jì)算方法比較簡單，復(fù)合直徑井眼計(jì)算方法相對繁 瑣一些。針對目前最常用的復(fù)合井徑井眼、 假定油氣侵鉆井液在井眼 最下部，分析介紹如下。i、二級(jí)復(fù)合直徑井眼（i）鉆頭（管柱底部）深度淺于油層頂部深度的情形計(jì)算方法參見圖4。圖4鉆頭（管柱）深度與油氣層頂部深度相同 根據(jù)t2 H25/Qt3 H 3q3 / Q(Hi hihi)qiH 2qi H 3q3_(Hi g hQq內(nèi) /Q q內(nèi) 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 內(nèi)hi(H

13、ih)qi q內(nèi)H2Hitiqqitiqiq內(nèi)3八H鉆頭(i)qitiq -vq3H鉆頭(生i)H3qiiqiq 內(nèi)hit靜 t靜(5)式中：t從開泵循環(huán)到見到油氣顯示時(shí)間,這就是該種情況下的計(jì)算公式。分析：對于單一直徑井眼，qi q3,空i,qit t2，則上式可變?yōu)関 H鉆頭qd1八靜J，與等直徑井眼情況（t靜2）相同。qtiq q內(nèi)（2）鉆頭（管柱底部）深度與油層頂部深度相同的情形計(jì)算方法參見圖5。K2Ml+kl+h2(1 )(3)圖5鉆頭(管柱)深度與油氣層頂部深度相同根據(jù)t2 H25/Qt3 H 3q3 / Q(Hi hi)qiH 2qi H 3q3_(Hi hQq 內(nèi)/Q q 內(nèi)

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 內(nèi)qt H Hi qiti坐H3qH油(蟲 i)H3 q“ ti 、q( *)qitiqiq內(nèi)H油($ i)H3 qi“ ti 、q(.)t靜vi qiq內(nèi)H2Hiq qi q內(nèi)，H1 qi q內(nèi)式中：t從開泵循環(huán)到見到油氣顯示時(shí)間,這就是該種情況下的計(jì)算公式。分析：對于單一直徑井眼，q q3,$qi1, t t2，則上式可變?yōu)関 ，與等直徑井眼情況（3）相同。（3）鉆頭（管柱底部）深度大于油氣層頂部深度的情形計(jì)算方法

15、參見圖6。H3C+3 I/K2 (t2)Hl 44JJtlthlthZAkz : p/油氣侵役J：站頭(3)圖6鉆頭（管柱）深度大于油氣層頂部深度(Hi hih2)q,H 2qi H 3q3根據(jù)：1 t (出 h,h2)qJQt2 t3H 2qi /Q H 3q3 / Qt (H hih2)q內(nèi) IQ q內(nèi)t1t (H h-ih2)q1 /Qqit2t3 tH 底h2HihiH2 H3解得：tc內(nèi) tiCi C內(nèi)iqiq內(nèi)H2業(yè)Hi亜h2生H3qitiqitiqiHiH底(魚i)Haqiq(>)h2qtiqiq內(nèi)(7)H 底(q3 i)Ha vqi 丄q(-t- ”靜如qiti qi C

16、h這就是該種情況下的計(jì)算公式分析：若等直徑井眼，則qa,t t2，上式可變?yōu)閠也底i巫，與等直徑井眼情況（4）相同臨百“靜靜2、三級(jí)復(fù)合直徑井眼（i）鉆頭（管柱底部）深度淺于油層頂部深度的情形計(jì)算方法參見圖7。(1)(2)(3)圖7鉆頭(管柱)深度與油氣層頂部深度相同的情形根據(jù)：t2 H25/Qt3 H 3q3 / Qt4 H4q4 /Q_t_ (Hi g hjq內(nèi)/Q q內(nèi)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 內(nèi)H 油二Hi+hi H2+H3+H4解得：tC； tiqc內(nèi)h q qi q內(nèi) (H h)hl(Hihi)qi q內(nèi)H2 業(yè)(Hihi)坐 H3 q±H4qitiqiqiHiH鉆頭鎮(zhèn)嘰（q凹q(tqitiq；)H鉆頭哼嘰晉嘰q(+)t 靜qitiqic;hit靜(8)式中： Hi、H2、出、H4 各井段長度， m ;ti、t2、t3、t4Hi+hi h2、H2、H3、H4 段鉆井液返出井口時(shí)間，h ;qi、q3、q4 Hi、H2、H3、H4井段的容積，L/m ；t 從開泵循環(huán)到見到油氣顯示時(shí)間，h。這就是該種情況下的計(jì)算公式。對于其它井身結(jié)構(gòu)的井，可根據(jù)相同原理進(jìn)行推導(dǎo)

18、計(jì)算。對于油氣活躍、油氣侵段已達(dá)到中部井眼的情況， 可根據(jù)同樣的方法進(jìn)行測量計(jì)算，只是計(jì)算相對繁瑣一些分析：對于同一直徑井眼，qi q3 q4,主空1 t t2，則上式變qi qiH鉆頭）t靜為v q(qiti qi q內(nèi)J，與等直徑井眼（2）相同t靜2、鉆頭（管柱底部）深度與油層頂部深度相同的情形(1)計(jì)算方法參見圖8。圖8鉆頭（管柱）深度與油氣層頂部深度相同根據(jù):t2 H2q1 /Qt4 H4q4 /Q(H hjq內(nèi) /Q q內(nèi)_ttit (H hi)qi/Q qti tt2t3t4(Hi hi)q/QH 2q1 /Q H3q3/Q H4q4 /Qt3Hiq (Hihi)qi(Hihjq

19、內(nèi)(Hi hi)qiH2CiH3q3 H4q4H油二Hi+hH2+H3+H4解得:Ch titCi C內(nèi)q Ci q內(nèi)，HiCi C內(nèi)H2蟲 Hi93 H3CitiCi蟲H4CiHiH油(巫i)H3Ciq(tqiti qiq內(nèi)(乞 i)HCii )H 油(蟲 i)H3(主 i)H4Ci Cit i(9)q()t 靜qiti qi q 內(nèi)這就是該種情況下的計(jì)算公式。分析：對于同一直徑井眼，Ci q3則上式變H油t2i，與等直徑井眼情況（3）相同。3、鉆頭（管柱底部）深度大于油氣層頂部深度的情形 計(jì)算方法參見圖9。K4 (t4).鉆具(3)井眼HLihl +h2HL+hli'h2根據(jù)圖9鉆

20、頭（管柱）深度大于油氣層頂部深度tltt2t3t4(Hi hih2)q/QH2q/Q H 3q3 /Q H4/Q(Hihih2)qiH2CI1H3q3H4q4tit(H hih2)q內(nèi) /Q q內(nèi)hih2)qi /Q qi(Ht3h2 Hi hiH2 H3 H4(Hih2)q (Hihih2)qi(Hihih2）q內(nèi)解得:qi c內(nèi)q qi q內(nèi)Hiq ci c內(nèi)Ciq內(nèi)h2H2企Hiqtiqt2qitih2*qiqiH4Hi(世 i)H3Ciq(+ -Citi qi q內(nèi)(玉 i)H4Cii )h2H 底(Q i)H3 呂 i)H4Ciq("*7qtiqi)t>Ci q內(nèi)h2

21、t靜(10 )這就是該種情況下的計(jì)算公式分析：若等直徑井眼，q3C4， tt2， 上式變?yōu)関 t H底i皿，與等直徑井眼情況（4）相同-魚為）如靜由此得出下列常用計(jì)算公式:一級(jí)復(fù)合井徑井眼（單一直徑井眼）(i)vq(2)v(3) vqitiqiH油q內(nèi)t2iqtiqq內(nèi)H底t2iqtiqq內(nèi)q(q(八靜八靜h2 t靜二級(jí)復(fù)合井徑井眼:(1)h鉆頭世i H3qti丄qt靜hit靜qitiqi q 內(nèi)(2)H 油($ iMqz ti gq(”靜qitiqiq內(nèi)(3)H底(蟲i)H3 q)t> q內(nèi)h2t靜三級(jí)復(fù)合井徑井眼:(i)vH鉆頭(生qiq(丑 i)H4q _hti )tt靜i)H3q

22、itiqi q內(nèi)(2)v(魚 i)H3(q DH4qiq,ti gq(”靜qiti qi q內(nèi)(3) vh底（q 1）H3（q4 嘰q（+一）t靜qtiqc內(nèi)h2t靜更為復(fù)雜的井身結(jié)構(gòu)，可按類似方法推導(dǎo)并進(jìn)行計(jì)算。三、注意事項(xiàng)及有關(guān)說明1、鉆具（管柱）下入深度問題鉆具（管柱）下入深度分三種情況，即下至油氣層以上深度、頂 部深度和中部（底部）深度。下至油氣層頂部是指在開泵初期鉆具（管 柱）處于頂部，一旦開泵循環(huán)、鉆具（管柱）內(nèi)油氣進(jìn)入環(huán)空后，可 進(jìn)行鉆具（管柱）活動(dòng)，防止發(fā)生卡鉆問題。下至中部（底部深度）， 應(yīng)以下至油氣層內(nèi)部更合適，一般情況下不要下過油氣層太長距離， 防止井口油氣顯示間斷對于測

23、量計(jì)算的影響。2、循環(huán)排量問題開泵后應(yīng)保持排量穩(wěn)定，不能過多調(diào)節(jié)。若井下情況需要變化排 量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的修正（如采用1/3排量時(shí)，顯示時(shí)間是全排量的3倍）。3、兩個(gè)時(shí)間的測量問題開泵到見到油氣顯示的時(shí)間t2、t、t和從見到油氣顯示到顯示段 結(jié)束的時(shí)間ti，應(yīng)根據(jù)油氣侵混漿段實(shí)際顯示確定，準(zhǔn)確記錄。一般 情況下應(yīng)以是否對井控安全造成影響來確定， 取混漿段顯示時(shí)間的中 間點(diǎn)。4、井眼容積與環(huán)空容積問題對單一直徑井眼，因鉆具（管柱）處在同一井眼、同一次下鉆開 泵過程，容積變化對時(shí)間的影響具有較好的一致性， 可不考慮擴(kuò)大問 題；復(fù)合井眼用到的井眼容積，中、上部在套管中，不考慮擴(kuò)大問題。 油氣侵段在井眼最下部，井徑有一定的影響，應(yīng)考慮擴(kuò)大率問題；井 下作業(yè)施工不存在該類問題。5、現(xiàn)場應(yīng)用問題實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)井眼情況首先確定各項(xiàng)常數(shù)，預(yù)先代入公式 計(jì)算出來。在循環(huán)時(shí)測量完兩個(gè)顯示時(shí)間后，與總靜止時(shí)間一起代入 公式，可方便求出油氣上竄速度。四、結(jié)論及認(rèn)識(shí)1、用相對時(shí)間法計(jì)算油氣上竄速度，是一種新的思路。通過一次 下