[科普中國(guó)]-動(dòng)力壓井

背景

深水海底常常潛伏著大量的高壓淺層氣層，鉆遇淺氣層時(shí)，往往不僅沒(méi)有技術(shù)套管，而且沒(méi)有下表層套管，所以無(wú)法安裝防噴器系統(tǒng)，而在這種情況下是十分危險(xiǎn)的。同時(shí)，由于海水的存在，海底巖層的壓實(shí)程度小于陸上(即海上地層破裂壓力梯度小于陸上)，海水深度越大，二者的差別越大。因此，與陸上相比，深水地層更容易被壓裂。此時(shí)，利用高密度鉆井液及常規(guī)的借助井口裝置產(chǎn)生回壓來(lái)平衡地層壓力的壓井方法就不再適用。動(dòng)力壓井困〕作為一種非常規(guī)壓井方法，并不是借助井口裝置產(chǎn)生回壓來(lái)平衡地層壓力，而是借助流體循環(huán)時(shí)克服環(huán)空流動(dòng)阻力所需的井底壓力來(lái)達(dá)到與地層壓力的平衡，這為有效解決深水地層低破裂壓力梯度及高壓淺層氣問(wèn)題提供了可能。1

基本原理動(dòng)力壓井法是Mobil公司首先提出的一種新方法，其最早只應(yīng)用于陸上壓井作業(yè)。該方法作為一種非常規(guī)壓井方法，其基本原理是:以一定的流量泵入低密度壓井液，使井底的流動(dòng)壓力等于或大于地層孔隙壓力，從而阻止地層流體進(jìn)一步侵入井內(nèi)，達(dá)到“動(dòng)壓穩(wěn)”狀態(tài);然后逐步替人加重壓井液，以實(shí)現(xiàn)完全壓井的目的，達(dá)到“靜壓穩(wěn)”狀態(tài)。它并不是通過(guò)使用高密度鉆井液來(lái)達(dá)到壓井的目的，而是通過(guò)增加排量，使流體循環(huán)時(shí)的摩阻增大，借助環(huán)空摩阻和靜液壓力來(lái)平衡地層壓力。動(dòng)力壓井法的環(huán)空流動(dòng)壓降均勻分布在整個(gè)井身長(zhǎng)度上，而常規(guī)壓井的回壓作用在整個(gè)井身的每一點(diǎn)上，也就是說(shuō)動(dòng)力壓井法將產(chǎn)生較小的井壁壓力。這個(gè)特點(diǎn)可以很好地解決淺層氣壓力高、地層破裂壓力低等難題。在實(shí)際的海上作業(yè)時(shí)，可以直接采用海水做壓井液，通過(guò)增大單位時(shí)間內(nèi)海水的注入量來(lái)實(shí)現(xiàn)壓井目的。1

步驟針對(duì)深水海底高壓淺層氣所處位置“淺”的特點(diǎn)，可以采取以下步驟進(jìn)行動(dòng)力壓井操作:

1)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算動(dòng)力壓井參數(shù)，包括壓井液密度、排量、泵功率等;若地層破裂壓力低，可直接采用海水做壓井液;

2)通過(guò)鉆桿將壓井液以計(jì)算好的排量或以井底壓力不致超過(guò)地層破裂壓力的排量泵入井內(nèi);

3)壓井過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓井液排量，以保持井壁穩(wěn)定;

4)淺層氣完全排出井筒、成功壓井后，注水泥塞封住高壓淺層氣地層;

5)重新鉆至淺氣層頂部，停鉆、固井，安裝防噴器;

6)選用密度合適的鉆井液，鉆穿淺層氣，繼續(xù)鉆井作業(yè)。

如果平臺(tái)著火，首要的問(wèn)題是人員安全，要有秩序地安全撤離。然后組織滅火并通過(guò)打救援井處理事故。救援井鉆成之后，可用酸化和壓裂法使兩井溝通。溝通后就可按上述步驟實(shí)施壓井。1

動(dòng)力壓井所需排量計(jì)算動(dòng)力壓井所需排量的計(jì)算原則是:在該排量下，井內(nèi)的流動(dòng)循環(huán)摩阻加液柱壓力略大于地層壓力。初始?jí)壕阂话悴捎玫兔芏纫后w，加大排量，以彌補(bǔ)密度降低所減小的液柱壓力，海上壓井時(shí)為了便利可直接采用海水。目前，單相流體條件下的排量計(jì)算公式已經(jīng)非常完善，而對(duì)多相流動(dòng)條件下排量計(jì)算公式的研究還不夠深入。筆者利用多相流計(jì)算公式對(duì)動(dòng)力壓井排量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算用到的基本公式如下：

式中，

pwf——為井底壓力，MPa；

ρh——為流體混合密度，kg/m3；

vh——為混合流體流速，m/s；

f——為摩擦系數(shù)，無(wú)因次；

L——為流體流程，m；

R——為水力半徑，m；

q1，qg，qc——分別為井筒內(nèi)液相、氣相及固相流量，m3/s；

d——為過(guò)流斷面直徑，m；

ρ1，ρ2，ρ3——分別為液相、氣相及固相密度，kg/m3。

將上述三個(gè)公式聯(lián)立，代入井筒多相流動(dòng)方程，便可求得需要的動(dòng)力壓井排量。1

動(dòng)力壓井液密度計(jì)算由于此處考慮多相流動(dòng)情況，所以并不能像單相流動(dòng)情況下那樣直接給出密度計(jì)算公式。由于海底地層破裂壓力低，此處只根據(jù)地層破裂壓力pf和淺層氣壓力pr計(jì)算兩個(gè)壓井液密度極值 、 然后取兩者之中小的一個(gè)作為壓井液密度上限，在該上限范圍內(nèi)，選擇多個(gè)密度值代人多相流動(dòng)方程，計(jì)算相應(yīng)的排量，從而根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選?？紤]到海上鉆井的特殊情況，可以直接用海水做壓井液。1