用于无安全压力窗口裂缝性地层压井的五步压回法及设备的制作方法
本发明涉及钻井井控技术领域，具体地涉及一种用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井方法及设备。
背景技术：
随着经济的发展，中国对油气资源的需求也不断增长，但由于早期主力油田大多进入开发中后期以及原油产量难有较大突破，导致近年来中国的油气对外依存度屡创新高。因此，中国的油气勘探开发逐渐向早期未引起重视的复杂地层发展，例如，裂缝性地层。目前，中国钻遇的裂缝性储层逐渐增多，探明的裂缝性油气藏的地质储量已占全国总探明储量的28％，且裂缝性储层的油气产量已超1400万吨/年。在未来，裂缝性储层的油气产量将会对中国石油工业的发展起到越来越重要的作用。
裂缝性地层具有压力敏感性特征，安全钻井压力窗口非常窄，甚至有的裂缝性储层不存在安全压力窗口。在上述情况下，钻井过程中极易出现气侵情况。因此，井控问题贯穿于裂缝性地层的整个钻井过程，一旦处理不当，将可能导致井涌或井喷等严重事故。目前处理气侵的方法主要是司钻法和工程师法等常规的压井方法。而针对无安全压力窗口的裂缝性储层钻井过程中的气侵情况，若是采用这些常规的压井方法压井，极易导致一压即漏及漏完仍喷的漏喷同存现象，这不仅不能有效解决气侵或井喷问题，甚至可能会破坏储层，影响油气资源开采效率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井方法及设备，其可极大地降低无安全压力窗口裂缝性地层压井过程中的安全风险，从而为压井作业提供安全保障。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井方法，该压井方法包括：基于所述地层的侵入气体的物性参数和压井液的物性参数，控制所述压井液以第一排放量排入压井设备的套管与钻柱之间的环空内，以通过该压井液使所述侵入气体转而向下运动；检测并发送所述环空内井口处压井液的压力；当监测到所述环空内井口处压井液的压力保持不变时，确定所述侵入气体完全被压回所述地层，控制所述压井液停止排入并控制所述钻柱以预设速度向上运动；以及在所述钻柱向上运动的过程中，基于该钻柱的上升速度，控制所述压井液以第二排放量排入所述环空内，以保持井底的压力保持不变。
可选的，所述控制所述压井液停止排入包括：以预设规律的排放量控制所述压井液减小排入，直至停止排入。
可选的，所述第一排放量q1满足以下关系式：vsa＜q1＜min{q11,q12,q13,q14}，其中，a为所述环空的截面积；q11为井口处压井液注入设备最大允许的压井液排放量；q12为套管鞋破裂压力最大允许的压井液排放量；q13为所述套管抗内压最大允许的压井液排放量；q14为井底破裂压力最大允许的压井液放排量；
可选的，所述常数c经由barnea模型计算得到，c＝0.1725[(π+1)+k(π-1)]0.5，
可选的，所述第二排放量q2满足以下关系式：q2＝q21+q22+q23，其中，q21为因所述钻柱向上运动导致所述环空内液面下降而需补充的压井液的量；q22为因所述压井液向所述地层的裂缝中漏失而需补充的压井液的量；以及q23为因所述钻柱向上运动产生的抽汲效应而需补充的压井液的量。
可选的，所述q21及所述q23分别由以下关系式确定：
可选的，该压井方法还包括：在所述钻柱向上运动至套管鞋下方的预设位置的情况下，向所述地层的裂缝中注入含堵漏材料的钻井液。
相应地，本发明还提供一种用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井设备，该压井设备包括钻柱及套管，该套管与所述钻柱之间形成环空，该压井设备还包括：第一通路，用于向所述环空注入压井液；流量调节装置，用于控制所述压井液的排放量；压力检测仪，用于检测并发送所述环空内井口处压井液的压力；以及控制装置，用于执行以下操作：基于所述地层的侵入气体的物性参数和所述压井液的物性参数，控制流量调节装置使所述压井液以第一排放量通过所述第一通路排入所述环空内，以通过该压井液使所述侵入气体转而向下运动；当监测到所述环空内井口处压井液的压力保持不变时，确定所述侵入气体完全被压回所述地层，控制所述压井液停止排入并控制所述钻柱以预设速度向上运动；以及在所述钻柱向上运动的过程中，基于该钻柱的上升速度，控制所述流量调节装置使所述压井液以第二排放量通过所述第一通路排入所述环空内，以保持井底的压力保持不变。
可选的，所述控制装置还用于：以预设规律控制所述流量调节装置使所述压井液减小排入量，直至停止排入。
可选的，所述第一排放量q1满足以下关系式：vsa＜q1＜min{q11,q12,q13,q14}，其中，a为所述环空的截面积；q11为井口处压井液注入设备最大允许的压井液排放量；q12为套管鞋破裂压力最大允许的压井液排放量；q13为所述套管抗内压最大允许的压井液排放量；q14为井底破裂压力最大允许的压井液放排量；
可选的，所述常数c经由barnea模型计算得到，c＝0.1725[(π+1)+k(π-1)]0.5，
可选的，所述第二排放量q2满足以下关系式：q2＝q21+q22+q23，其中，q21为因所述钻柱向上运动导致所述环空内液面下降而需补充的压井液的量；q22为因所述压井液向所述地层的裂缝中漏失而需补充的压井液的量；以及q23为因所述钻柱向上运动产生的抽汲效应而需补充的压井液的量。
可选的，所述q21及所述q23分别由以下关系式确定：
可选的，该压井设备还包括：第二通路，用于向所述钻柱内注入含堵漏材料的钻井液；所述控制装置还用于在所述钻柱向上运动至套管鞋下方的预设位置的情况下，控制通过所述第二通路向所述地层的裂缝中注入所述含堵漏材料的钻井液。
可选的，所述流量调节装置为注液泵，所述控制装置还用于通过调节所述注液泵的泵冲控制所述压井液的排放量。
通过上述技术方案，本发明创造性地根据气液两相流动理论、井口处压井液的压力以及钻柱的上升速度，控制在压井不同阶段时的压井液排放量，从而有效降低无安全压力窗口裂缝性地层压井过程中的安全风险，从而为压井作业提供安全保障。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种实施方式提供的用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井方法的流程图；
图2是本发明一种实施方式提供的用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井设备的结构图；以及
图3是本发明一种实施方式提供的用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井设备的示意图。
附图标记说明
1钻柱2防喷器组
3套管4压井管汇
6流量计7套压表
8止回阀9压井管汇支路的阀门
10泥浆管线支路阀门11三通控制阀
12套管鞋13压井液
14钻井液15侵入气体
16回压凡尔17裂缝
18地层19钻头体
20压裂车组21仪表车
22供液车23泥浆泵
24泥浆池25第二通路
26流量计27第三通路
28第一通路101流量控制装置
102压力检测仪103控制装置
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
针对在无安全压力窗口的裂缝性地层钻井过程中的气侵情况，本发明采用一种非常规压井方法——压回法进行压井。压回法是通过向井内泵入压井液，将地层侵入流体原路压回渗透性地层，并利用压井液的静液柱压力重新平衡地层压力的过程。该压回法可以分为正挤和反挤。其中，正挤是指通过向钻柱泵入压井液将侵入钻柱的地层流体挤回地层；而反挤是指通过向钻柱与套管之间的环空注入压井液将侵入环空的地层流体挤回地层。本发明详细说明采用反挤方式对无安全压力窗口裂缝性地层进行压井。
图1是本发明一实施例提供的用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井方法的流程图。如图1所示，本发明提供的用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井方法可包括：步骤s101，基于所述地层的侵入气体的物性参数和压井液的物性参数，控制所述压井液以第一排放量排入压井设备的套管与钻柱之间的环空内，以通过该压井液使所述侵入气体转而向下运动；步骤s102，检测并发送所述环空内井口处压井液的压力；步骤s103，当监测到所述环空内井口处压井液的压力保持不变时，确定所述侵入气体完全被压回所述地层，控制所述压井液停止排入并控制所述钻柱以预设速度向上运动；以及步骤s104，在所述钻柱向上运动的过程中，基于该钻柱的上升速度，控制所述压井液以第二排放量排入所述环空内，以保持井底的压力保持不变。该压井设备创造性地根据气液两相流动理论、井口处压井液的压力以及钻柱的上升速度，控制在压井不同阶段时的压井液排放量，从而有效降低无安全压力窗口裂缝性地层压井过程中的安全风险，从而为压井作业提供安全保障。
根据气液两相流动理论可知，气体在液体中具有滑脱上升速度。在采用压回法压井过程中，只有当所述压井液的向下流动速度大于所述侵入气体的滑脱上升速度时，才能实现使侵入气体转而向下运动的目的。
在步骤s101中，所述地层的侵入气体的物性参数可包括所述地层的侵入气体的密度ρg，所述压井液的物性参数可包括所述压井液的密度ρl，根据所述侵入气体及所述压井液的密度可确定该侵入气体在该压井液中的滑脱上升速度满足以下等式，
在步骤s102中，在所述侵入气体转而向下运动的过程中所述环空内井口处压井液的压力pt可由以下关系式表示：
在步骤s103中，在所述侵入气体转而向下运动的过程中，通过监测所述环空内井口处压井液的压力(环空套压)来确定侵入气体在环空中被压回地层的情况。基于上述环空套压pt的关系式，随着所述环空内的侵入气体逐渐被压回地层，由于环空内流体的平均密度ρa逐渐增大，静液柱压力ρagh逐渐增大，故环空套压逐渐降低。当所述侵入气体全部被压回地层时，环空套压将降低到一定值并保持不变。因此，当监测到所述环空内井口处压井液的压力保持不变时，确定所述侵入气体完全被压回所述地层，此时，控制所述压井液停止排入，并控制所述钻柱以预设速度向上运动以为注入含封堵材料的钻井液做准备。
当执行所述控制所述压井液停止排入时，如果突然停止排入压井液，由于所述环空内的压井液的流动具有惯性，其仍还会继续流入地层，环空内井口处的液面就不能保持。接着，井底的压力就会随着压井液的漏失而不断下降，进而导致气侵会再次发生，因此，要采用逐步刹车(即逐步减小压井液的排放量)的方式，减小压井液的惯性引起的漏失。故所述控制所述压井液停止排入可包括：以预设规律的排放量控制所述压井液减小排入，直至停止排入。例如，以均匀减小的注入速率控制压井液排入，直至停止排入。
在步骤s104中，在所述钻柱向上运动的过程中，环空内液面下降、环空内压井液的漏失以及钻柱向上运动引起的抽汲效应都将引起井底压力降低，因此，需进行吊灌稳压，即以预设时间间隔交替进行控制钻柱向上运动和以第二排放量控制压井液排入环空内，以防止气侵的再次发生。所述第二排放量q3应该满足以下关系式：q2＝q21+q22+q23，其中，q21为因所述钻柱向上运动导致所述环空内液面下降而需补充的压井液的量，q22为因所述压井液向所述地层的裂缝中漏失而需补充的压井液的量，q23为因所述钻柱向上运动产生的抽汲效应而需补充的压井液的量。所述q21及所述q23分别由以下关系式确定
当所述钻柱被提升至所述套管鞋位置并停止运动时，还需向地层中注入含堵漏材料的钻井液以提高地层的承压能力，进而重新建立钻井的安全压力窗口，为成功压井后的安全钻井奠定基础。故本发明提供的用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井方法还可包括：在所述钻柱向上运动至套管鞋下方的预设位置的情况下，向所述地层的裂缝中注入含堵漏材料的钻井液。通过所述堵漏材料的颗粒之间的桥接作用封堵裂缝，重新建立安全压力窗口，从而提高裂缝性地层的承压能力，该过程称为堵漏承压。通过堵漏承压建立的安全压力窗口可以由下式表示：δps＝pb-max{pc,pp}，其中，δps为通过堵漏承压建立起的安全压力窗口；pb为堵漏承压后的地层破裂压力；pc为堵漏承压后的地层坍塌压力；pp为堵漏承压后的地层孔隙压力。
本发明所采用的压回法对无安全压力窗口的裂缝性地层进行压井过程中，能够在不同阶段以不同的排放量注入压井液，从而有效避免了盲目注入压井液而导致地层破裂的风险。此外，还重建了钻井的安全压力窗口，为成功压井后的安全钻井作业奠定了基础。该方法的步骤科学合理并且简单，能有效提高压井的成功率，为无安全压力窗口裂缝性地层压井提供了理论和技术支撑。
相应地，如图2所示，本发明还提供一种用于无安全压力窗口裂缝性地层的压井设备，该压井设备包括钻柱及套管，该套管与所述钻柱之间形成环空，该压井设备还可包括：第一通路，用于向所述环空注入压井液；流量调节装置101，用于控制所述压井液的排放量；压力检测仪102，用于检测并发送所述环空内井口处压井液的压力；以及控制装置103，用于执行以下操作：基于所述地层的侵入气体的物性参数和所述压井液的物性参数，控制所述流量调节装置101使所述压井液以第一排放量通过所述第一通路排入所述环空内，以通过该压井液使所述侵入气体转而向下运动；当监测到所述环空内井口处压井液的压力保持不变时，确定所述侵入气体完全被压回所述地层，控制所述压井液停止排入并控制所述钻柱以预设速度向上运动；以及在所述钻柱向上运动的过程中，基于该钻柱的上升速度，控制所述流量调节装置101使所述压井液以第二排放量通过所述第一通路排入所述环空内，以保持井底的压力保持不变。
如图3所示，所述第一通路28上还可设有：压井管汇4，用于调节压井液向所述钻柱内排放的排放量；流量计6，用于实时显示向所述环空内排入的压井液的排放量；以及压井管汇支路阀门9，用于控制所述压井液通过该第一通路28排入或停止排入所述环空内。所述压力检测仪可包括套压表7、压阻式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器以及压电式压力传感器。
如图3所示，所述压井设备还可包括：第二通路25，用于向所述钻柱1内注入含堵漏材料的钻井液；所述控制装置还用于在所述钻柱1向上运动至套管鞋12下方的预设位置的情况下，控制通过所述第二通路25向所述地层18的裂缝17中注入所述含堵漏材料的钻井液。所述第二通路25上可设有：泥浆管线支路阀门10，用于控制所述钻井液通过该第二通路排入或停止排入所述钻柱1内；止回阀8，用于防止所述钻柱内的压井液回流；以及流量计26，用于实时显示向所述钻柱内排入的钻井液的排放量。
如图3所示，所述压井设备还可包括：第三通路27，用于向所述第一通路28提供所述压井液或向所述第二通路25提供所述钻井液。所述第一通路28、所述第二通路26以及所述第三通路27之间通过三通控制阀11连接。所述第三通路27上可设有：压裂车组20、供液车22、泥浆泵23以及泥浆池24，其中，所述泥浆泵23分别与所述供液车22和所述泥浆池24相连，当需要向套管3与钻柱1之间的环空内排入压井液时，打开压井管汇支路阀门9，将所述泥浆池24内的压井液泵入所述供液车22，然后经由所述压裂车组20升压后，经所述压井管汇4排入所述环空内；当需要向所述钻柱内排入钻井液时，通过打开泥浆管线支路阀门10，将所述泥浆池24内的钻井液泵入所述供液车22，然后经由所述压裂车组20升压后排入所述钻柱内。所述第三通路27上还可设有仪表车21，该仪表车21分别与所述压裂车组20及所述供液车22相连，用以实时监测压井液或钻井液的压力、排放量等相关参数。
所述流量调节装置可为注液泵，其安装于所述压裂车组中。所述压裂车组的任一压裂车中均可设置有一个所述注液泵，所述控制装置可用于通过调节所述注液泵的泵冲控制所述压井液的排放量。可选的，所述第一排放量q1满足以下关系式：vsa＜q1＜min{q11,q12,q13,q14}，其中，a为所述环空的截面积；q11为井口处压井液注入设备最大允许的压井液排放量；q12为套管鞋破裂压力最大允许的压井液排放量；q13为所述套管抗内压最大允许的压井液排放量；q14为井底破裂压力最大允许的压井液放排量；
可选的，所述常数c经由barnea模型计算得到，c＝0.1725[(π+1)+k(π-1)]0.5，
可选的，所述第二排放量q2满足以下关系式：q2＝q21+q22+q23，其中，q21为因所述钻柱向上运动导致所述环空内液面下降而需补充的压井液的量；q22为因所述压井液向所述地层的裂缝中漏失而需补充的压井液的量；以及q23为因所述钻柱向上运动产生的抽汲效应而需补充的压井液的量。
可选的，所述q21及所述q23分别由以下关系式确定：
所述控制器可以是通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(dsp)、多个微处理器、与dsp核心关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)电路、其他任何类型的集成电路(ic)、状态机等等。
具体而言，现以图3所示的压井设备为例解释本发明提供的对无安全压力窗口裂缝性地层进行压井过程。
首先，根据压井液和侵入气体的密度，结合压井设备在正常工作状态下能够承受的压井液的最大放排量，确定压井液的第一排放量。启动泥浆泵23、供液车22和压裂车组20，打开压井管汇支路阀门9，将所述泥浆池24内的压井液泵入所述供液车22，然后经由所述压裂车组20升压后，通过控制装置调节所述压裂车组20的每个压裂车中的注液泵(未示出)的泵冲控制所述压井液以所述第一排放量经所述压井管汇4排入所述环空内，利用压井液垂直向下流动的挤压作用使地层侵入流体的运动方向由向上运移转为向下运移。由于在侵入气体挤压转向的过程中，所述侵入气体的摩阻方向也发生转向，导致此时的井口处压井液的压力(环空套压)最高，通过套压表7实时监测环空套压变化情况，确保其不超过井口设备的承压能力和套管抗内压强度的80％等。
其次，随着侵入环空的气体15逐渐被压回地层18，仍继续保持所述压井液以所述第一排放量经所述压井管汇4排入所述环空内，但由于环空中流体的密度逐渐增大，即静液柱压力增大，故环空套压逐渐降低，需通过套压表7实时监测环空套压变化情况来确定环空的侵入气体15被压回地层18的情况。此外，如果钻柱内没有安装回压凡尔16或回压凡尔16密封不严，侵入气体也可能进入所述钻柱1中。在这种情况下，当所述环空内的侵入气体被压回地层后，可采用同样的方法继续将钻柱1内的侵入气体也压回地层。
然后，随着密度较高的压井液13逐渐注入环空，侵入气体15和受污染的钻井液14被不断压回地层18，当套压表7显示井口套压逐渐减小至一定值并保持不变时，可认为气侵得到了有效控制。但如果此时突然停止排入压井液，由于压井液13的流动具有惯性，其仍还会继续流入地层，环空内井口处的液面就不能保持。井底(即钻头体19所在的最低位置)的压力就会随着压井液13的漏失而不断下降，进而导致气侵会再次发生，因此，要逐步刹车，即逐步减小压裂车组20的注入速率，直至停止注入，减小压井液的惯性引起的漏失。关闭压井管汇支路阀门9、泥浆泵23、供液车22以及压裂车组20。
接着，当压井液13将地层侵入气体15成功压回地层18后，控制钻柱1上提至套管鞋12附近(例如套管鞋下方的5m处)，目的是为注入含堵漏材料的钻井液做准备。由于在钻柱1提升的过程中，环空内液面下降、环空内压井液13的漏失以及钻柱1向上运动引起的抽汲效应都将引起井底压力降低，因此，需进行吊灌稳压，即以预设时间间隔交替进行控制钻柱向上运动和以第二排放量控制压井液排入环空内，以防止气侵的再次发生。具体地，在δt1时间内以上升速度vp控制钻柱1向上运动；在δt2时间内，停止钻柱1向上运动，启动泥浆泵23、供液车22和压裂车组20，打开压井管汇支路阀门9，将所述泥浆池24内的压井液泵入所述供液车22，经由所述压裂车组20升压后，通过控制装置调节所述压裂车组20的每个压裂车中的注液泵(未示出)的泵冲控制所述压井液以所述第二排放量经所述压井管汇4注入所述环空内，然后停泵。如此反复，直至提至套管鞋附近处。其中，δt1与δt2可以相等，也可以不相等。此外，还可以通过流量计6实时监测吊灌稳压过程中压井液13的排放量使之与预设的第二排放量相等，同时通过套压表7实时监测套压的变化情况，确保在上提钻柱过程中保持井底压力基本不变。当钻柱1上提至所述套管鞋12下方的5m处后，关闭压井管汇支路的阀门9、泥浆泵23、供液车22以及压裂车组20。
最后，打开泥浆管线支路阀门10，并开启泥浆泵23、供液车22、压裂车组20，通过第三通路27、第二通路25和钻柱1向裂缝性地层18注入含堵漏材料的钻井液，堵漏材料随钻井液进入裂缝17中。通过堵漏材料颗粒之间的桥接作用封堵裂缝17，重新建立安全压力窗口，从而提高裂缝性地层18的承压能力。当该裂缝性地层18内的所有裂缝17均被封堵之后，关闭泥浆管线支路阀门10、泥浆泵23、供液车22及压裂车组20，完成压井过程。
其中，所述套管3顶端还设置有防喷器组2，用于防止气喷发生时，所述环空内的流体喷出。
综上所述，本发明创造性地根据气液两相流动理论、井口处压井液的压力以及钻柱的上升速度，控制在压井不同阶段的压井液排放量，从而有效降低无安全压力窗口裂缝性地层压井过程中的安全风险，从而为压井作业提供安全保障。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
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