一种新的油气上窜速度计算方法——分段判定累计泵冲法

黄 振 周玳羽 付 新 贺华东 刘 鑫

(中国石油集团测井有限公司青海分公司)

0 引 言

油气上窜是指地层油气层被钻开后，油气层压力大于井筒内钻井液液柱压力，在压差作用下，油气进入井筒并随环空内钻井液液柱向上流动的过程[1]。单位时间内油气在井筒内流动上升的高度，即油气上窜速度[1]。油气上窜速度对于评价油气水层和保障现场钻井井控安全具有重要的意义[2],检测油气上窜速度对钻井液密度的调整具有指导作用[3]。

随着青海油田的钻井深度越来越大，中途起钻时的裸眼段越来越长，深井的起下钻过程要进行多次分段循环，来确保井控安全。分段循环过程中使用的排量不尽相同，循环时迟到时间也随之发生了多次变化，沿用传统的迟到时间法和容积法计算油气上窜速度已经不能满足现场的需要，造成很多重点风险探井的油气上窜速度不准确，不能给钻井施工提供有效的数据支持。因此，尝试应用分段判定累计泵冲法对深井起下钻过程中分段循环时的油气上窜速度进行计算。

1 青海油田传统计算油气上窜速度的方法

目前青海油田传统的计算后效油气上窜速度的方法有两种：迟到时间法和容积法。

1.1 迟到时间法

v=[H-(h/t)(t1-t2)]/t0

式中：v为油、气上窜速度,m/h;H为油、气层深度,m;h为循环钻井液时钻头所在井深，m；t为钻头所在井深的迟到时间,min;t1为见到后效油、气显示的时刻；t2为下钻至井深h的开泵时刻；t0为井内钻井液静止时间(指起钻时停泵到下钻至井深h时开泵的时间),h。

应用迟到时间法计算油气上窜速度，要求起下钻时不能开泵循环，下钻到循环位置时开泵循环，排量一定，钻头所在井深的迟到时间一定。如果中途多次分段循环会造成迟到时间不一致的情况，所以当深井或超深井需要多次分段循环来保障井下安全时，这种方法就无法有效计算油气上窜速度。

1.2 容积法

v=[H-(Q/Vc)(t1-t2)]/t0

式中：Q为钻井液泵排量,L/min;Vc为井眼环形空间每米容积，L/m。

应用容积法计算油气上窜速度，要求开泵循环时所用的排量一定，不能有较大的变化，此外要求井眼的直径是一致的。所以对于深井和超深井来说，有多次的不同直径的套管下深，分段循环时的排量也经常有变化，就造成容积法计算油气上窜速度不能满足深井和超深井的要求。

2 分段判定累计泵冲法原理

在深井或超深井起下钻时，为了保障井下的安全，经常进行分段循环作业，导致排量不同和钻头位置不同，这时可以根据迟到时间的原理进行转换。迟到时间等于对应的环空体积除以单位时间的泵冲体积，那么累计泵冲体积就等于开泵后油气上窜距离段对应的环空体积，所以分段判定累计泵冲法公式如下：

v={H-V泵总/[(D/2)2π-(d/2)2π]}/t0

式中：V泵总为分段累计泵冲体积,m3;D为井眼直径，m；d为井内钻具直径，m。

3 分段判定累计泵冲法在不同情况下的应用

3.1 后效气显示前只进行一次循环

某井井深为H井，油气层深度为H，循环钻井液时，钻头所在井深为h, 累计泵冲体积V泵总=V1+V2，井眼直径分为两部分，分别为D1和D2, 井内钻具直径为d，钻头位置到油气上窜位置的环空体积为V3，井内钻井液静止时间(指起钻时停泵到下钻至井深h时开泵的间隔时间)为t0，如图1所示。

根据分段判定累计泵冲法原理，可知油气上窜速度为：

v={H-V1/[(D1/2)2π-(d/2)2π]-V2/[(D2/

2)2π-(d/2)2π]} /t0

由此可以看出：当钻头位置在油气上窜位置以下时，油气上窜速度的计算与钻头深度无关。对比迟到时间计算油气上窜速度，此时的钻头位置的迟到时间就等于(V1+V2+V3)/Q。此外井身结构需要根据实际情况作出相应的变化，井眼直径可能分为一部分或几部分，目的是准确计算出钻头位置以上的环空体积。

图1 测量后效时井内结构示意图(一次循环)

3.2 后效气显示前进行多次循环

以同一井眼直径为例进行说明。

某井井深为H井，油气层深度为H，井眼直径为D, 井内钻具直径为d，下钻至井深h1时，钻头位置至井口的环空体积为V1，循环钻井液时间为t01，累计泵冲体积为V11；下钻至井深h2时，钻头位置至井口的环空体积为V2，循环钻井液时间为t02，累计泵冲体积为V22；下钻至井深h3时，钻头位置至井口的环空体积为V3，循环钻井液时间为t3后出现后效油气显示，此时的累计泵冲体积为V33，起钻时停泵到下钻至井深h3时开泵的时间为t0(图2)。

图2 测量后效时井内结构示意图(多次循环)

由于下钻至井深h3时，循环见后效油气显示，说明后效油气已经上窜至井深h3以上的位置。以下分别进行讨论。

(1)当(V11+V22+V33)

v={H-(V11+V22+V33)/[(D/2)2π-(d/

2)2π]}/(t0-t01-t02)

(2)当(V11+V22+V33)>V1时，说明后效油气已经上窜至井深h1以下的位置。这时在h1进行的循环钻井液工况，对进行后效油气上窜速度的计算无影响，可将这次循环钻井液工况时间按钻井液静止时间处理，其t01时间的累计泵冲体积V11不计入后效计算的累计泵冲体积。

当(V22+V33)

v={H-(V22+V33)/[(D/2)2π-(d/2)2π]}/

(t0-t02)

当(V22+V33)>V2时，说明后效油气已经上窜至井深h2以下的位置。这时在h1和h2进行的循环钻井液工况，对进行后效油气上窜速度的计算无影响，可将前两次循环钻井液工况时间按钻井液静止时间处理，其t01和t02时间的累计泵冲体积V11和V22不计入后效计算的累计泵冲体积。

若此时V33

v={H-V33/[(D/2)2π-(d/2)2π]}/t0

(3)后效气显示前进行三次以上的循环次数时，可以根据分段判定累计泵冲法计算后效油气上窜速度的方法原理，进行逐次情况论证，以达到精准计算后效油气上窜速度，为油气勘探和钻井施工安全提供保障的目的。

(4)此外，由于计算后效油气上窜速度时，井径不是很规则，需要用钻进时实测的迟到时间来反推算出裸眼段的实际体积，可以通过校正实际井眼直径来进行上窜高度的校正。实际的裸眼段体积公式为：

V裸眼=tQ-V套管+V钻具

式中：V裸眼为裸眼段体积，m3；t为实测迟到时间，min；Q为排量，m3/min；V套管为套管内非裸眼段体积，m3；V钻具为井内钻具的体积，m3。

4 应用效果

K井是一口重点探井，设计井深7 350 m，是青海油田的一口超深井。2020年9月21日08：00钻进至井深4 500.00 m三开完钻，井身结构为一开以660.4 mm钻头钻至井深206.00 m完钻，采用内径508.0 mm套管下至井深204.76 m，二开以444.5 mm钻头钻至井深2 503.00 m完钻, 采用内径315.32 mm套管下至井深2 501.57 m，三开以311.1 mm钻头钻至井深4 500.00 m为裸眼段。

9月21日08:00-11:00双泵以排量3 000 L/min循环钻井液，井底理论迟到时间为93 min，实测迟到时间为96 min，油气层位置为4 450.00～4 456.00 m,钻具外径d为139.7 mm。

11:00-16:00短起钻至井深2 500.00 m。

16:00-18:00下钻至井深3 100.00 m有磨阻现象，此时钻头位置以上的环空体积V1为193.31 m3。

18:00-18:30循环钻井液并上提下放钻具，排量为2 820 L/min，累计泵冲体积V11为84.60 m3。

18:30-20:00下钻至井深3 900.00 m有磨阻现象，此时钻头位置以上的环空体积V2为241.86 m3。

20:00-20:30循环钻井液并上提下放钻具，排量为2 700 L/min，累计泵冲体积V22为81.00 m3。

20:30-22:00下钻至井深4 500.00 m，此时钻头位置以上的环空体积V3为278.27 m3。

22:00-22:30循环钻井液，排量为3 000 L/min，循环30 min后见后效油气显示，累计泵冲体积V33为90.00 m3。具体数据见表1。

表1 K井钻井数据

由上述数据可以看出，K井在这次短起下钻过程中，进行了三次分段循环，而且三次循环时的排量各不相同，迟到时间随之也有不同的变化，这种情况用迟到时间法或容积法来计算后效油气上窜速度，很难得出正确的结果。而分段判定累积泵冲法就可以解决这类情况的油气上窜速度的计算问题。

(1)因为裸眼井段理论体积和实际体积有一定的差距，所以先进行裸眼井段体积的校正。根据上述数据，可计算理论的裸眼井段体积为:

V裸眼=(311.1/2 000)2×3.14×(4 500-2 501.57)

=151.83 m3

可计算实际的裸眼井段体积为:

V裸眼=tQ-V套管+V钻具=161.54 m3

可见理论体积和实际体积有9.71 m3的误差，从而裸眼段井径由钻头直径311.1 mm校正为320.9 mm。

(2)根据所提供的数据，V11+V22+V33=255.60 m3大于V1(193.31 m3)，所以第一次循环钻井液时，后效油气未上窜到3 100.00 m以上，根据累计泵冲法原理，第一次循环钻井液不计入后效油气上窜速度的计算中，将循环时间视为钻井液静止时间处理。

V22+V33=171.00 m3小于V2(241.86 m3)，所以得出第二次循环钻井液时，后效油气已经上窜到3 900.00 m以上，根据累计泵冲法原理计算过程如下：

v={H-(V22+V33)/[(D/2)2π-(d/2)2π]} /(t0-t02)={4 450-171.00/[(320.9/2 000)2×3.14-(139.7/2 000)2×3.14]}/(11-0.5) =175.17 m/h

式中：t02为下钻至井深3 900 m时循环钻井液时间,h；t0为起钻时停泵到下钻至4 500 m时开泵的时间，h。

计算结果表明，本次短起下钻测得油气上窜速度为175.17 m/h，未达到钻井安全起钻电测周期，所以井队要进行循环加重处理钻井液，将钻井液密度上提，再进行短起下钻施工，重新测量后效油气上窜速度，直到满足安全起钻电测的施工周期，才能进行下一步施工。

5 结论与建议

随着青海油田的钻井深度越来越大，中途起钻时的裸眼段越来越长，深井的起下钻过程要确保井控安全，必须准确计算油气上窜速度。迟到时间法和容积法已经无法适应深井的油气上窜速度的计算。

采用分段判定累计泵冲法计算油气上窜速度，可以准确计算深井起下钻过程多次分段循环时的油气上窜速度，为青海油田深井和超深井的起下钻过程提供一定的保障，具有在油田范围内进行推广的价值。