不灌漿條件下的最大安全起鉆高度計算

聶 臻，梁奇敏，游子衛

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.華北油田工程技術研究院，河北 任丘 062552)

在鉆井的過程中，由于鉆頭磨損需更換新鉆頭或鉆達完鉆深度等自然原因，或者起鉆打撈落魚等客觀需要，必然會進行起鉆作業。在起鉆過程中，隨著起出鉆具的增多，如果不及時灌滿泥漿，由于井筒中鉆井液體積不變，必然會導致井筒中的環空液面下降，進而導致井底壓力降低，這會給井控安全帶來很大風險[1-3]。為了保證井控安全，往往會憑經驗作法和管理規范，每起出一定量的鉆具后就灌漿一次[4-5]。灌漿太頻繁(如每起出一柱鉆桿后灌漿一次)固然安全，但浪費時間和人力。對于具體起出多少柱鉆桿后灌漿最合適，本文在保證井底壓力不變的基礎上，忽略抽吸壓力、泥包鉆具等影因素響，針對“干起”和“濕起”兩種起鉆工況，根據井身結構和鉆具的具體參數，給出科學的不灌漿起鉆的最大安全起鉆高度計算方法，可為安全起鉆作業提供指導。

1 環空液面允許下降最大值計算

起鉆過程中，只要井筒內鉆井液對井底的液柱壓力大于等于井底地層壓力，理論上就可保證井控安全，見式(1)。

H×ρm×0.00981-Ha×ρm×0.00981-ΔPs=

H×ρp×0.00981

(1)

式中：H為起鉆時井底位置垂深，m；ρm為起鉆時井筒內的鉆井液密度，g/cm3；ρp為地層壓力系數；Ha為不灌漿起鉆時環空液面允許下降的最大垂直高度，m；ΔPs是起鉆時的抽吸壓力，MPa。

因此，不灌漿起鉆時井筒中的環空液面允許下降的最大高度計算見式(2)。

(2)

顯然，通過上式計算的環空液面允許下降的最大高度的準確程度，與起鉆時的抽吸壓力是有直接關系的。而抽吸壓力的影響因素很多[6-14]，如壓井液的靜切力、管柱的起下速度、環形節流、壓井液的黏度以及管子和井眼間的環形孔隙等，因此要準確確定壓力值有一定困難，而且即使考慮全部的因素后，計算出的值往往與現場偏差較大。所以，在不同地區的油田現場作業中，會根據情況取一個確定的經驗值作為抽吸壓力。本文為簡化計算而不考慮該值(該值取為0)。因此，式(2)被簡化為式(3)。

(3)

如果所作業井的井型不同，則不灌漿起鉆時環空液面允許下降的最大長度的計算也不同，具體如下所述。

1) 對于直井：HL=Ha。

2) 對于定向井或者水平井：如果造斜點深度大于等于Ha：HL=Ha；如果造斜點深度小于Ha：需要根據定向井軌道具體計算[3]。HL為不灌漿起鉆時環空液面允許下降的最大長度，m。

2 不灌漿起鉆的最大安全起鉆高度計算

2.1 “干起”工況下的計算方法

如果起鉆時卸開立柱或單根后，沒有泥漿從鉆桿里面往外噴，行業里稱這種起鉆工況為“干起”，如圖1所示?！案善稹背龅你@桿在井筒內的排代量為起出鉆桿管壁的體積，其計算公式見式(4)。

(4)

式中：Vpo為每米鉆桿開端排代量(包括接頭)，m3；ρp為某鋼級的鉆桿線重(包括接頭)，kg/m；ρs為某鋼級的鋼密度，g/cm3，本文取7.85 g/cm3。

起出鉆桿的體積是套管和鉆具之間的環空以及鉆具內部的液面下降后的總體積，所以，“干起”每米鉆桿后環空液面下降的高度計算見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中：Dpo為“干起”每米鉆桿后環空液面下降的高度，m；Vci為每米套管內容積，m3；Dci為套管內徑，mm。

“干起”不灌漿工況下的最大安全起鉆高度HO計算見式(7)。

HO=Ha/Dpo

(7)

2.2 “濕起”工況下的計算方法

圖1 “干起”的示意圖Fig.1 “Dry trip” schematic diagram

圖2 “濕起”的示意圖Fig.2 “Wet trip” schematic diagram

如果起鉆時卸開立柱有泥漿往外噴，不論噴出量的多少，行業里稱這種起鉆工況為“濕起”，如常見的鉆頭水眼被堵后起鉆時就會出現這種典型現象，如圖2所示。保守起見，本文按照鉆柱底端完全堵死情況處理，則“濕起”時起出的鉆桿在井筒內時排代量為起出鉆桿管體部分體積與鉆桿內容積之和，也就是套管和鉆具的環空液面下降后減少的體積。所以，“濕起”每米鉆桿后環空液面下降的高度Dpx(m)計算公式見式(8)～(10)。

(8)

Vpx=Vpi+Vpo

(9)

(10)

式中：Vpx為每米鉆桿閉端排代量，m3；Vpi為每米鉆桿內容積，m3；Dpi為鉆桿內徑，mm。

“濕起”不灌漿工況下的最大安全起鉆高度HX(m)，其計算公式見(11)。

HX=Ha/DpX

(11)

以上公式從井控安全角度出發，考慮起出鉆具后導致井筒內剩下鉆具排代量減少，可以直觀反映環空中液面的下降程度，具有計算簡單實用的優點。但需要地層壓力值準確才能得到準確的結果，才能完全滿足指導現場施工要求。

3 算 例

X油田XX井，鉆至油氣層，斜深2 500 m，造斜點700 m，垂深2 000 m，地層壓力系數1.15，井眼尺寸216 mm，127 mm鉆桿(內徑108.61 mm)，244.48 mm套管(內徑224.41 mm)下深500 m，鉆進時泥漿比重1.20 g/cm3，每柱平均28.5 m。結合鉆井手冊，E級、G級、S級鉆桿的平均每米重量(包括接頭)分別為31.09 kg/m、32.62 kg/m，33.62 kg/m。采用本文介紹方法針對“干起”和“濕起”兩種工況，計算得到不同鋼級鉆桿在不灌漿的情況下最大安全起鉆柱數見表1。

表1 不灌漿的兩種工況下不同鋼級鉆桿的最大安全起鉆高度Table 1 Maximum safe trip height of drill pipe withdifferent steel grades under two workingconditions without filling up

從以上的計算結果可以看出，同一工況條件下，由于不同鋼級的鉆桿每米線重不同而導致計算結果不同；不論“濕起”還是“干起”，最大安全起鉆高度隨著鉆桿的鋼級增加而變短，但是變化范圍不大。在其他條件相同的情況下，相同鋼級的鉆桿“濕起”比“干起”的最大安全起鉆高度短，因而“濕起”需要更及時、頻繁地灌漿。

4 結 論

1) 確定起鉆時不連續灌漿條件下的最大安全起鉆高度時，需要分“干起”和“濕起”兩種工況，根據井身結構、鉆柱等具體參數計算，而不是按同一個經驗值執行。

2) 在其他條件相同的情況下，“濕起”比“干起”的最大安全起鉆高度低，井控風險更大，因而“濕起”需要更頻繁地灌漿。

3) 不論“干起”還是“濕起”，最大安全起鉆高度隨著鉆桿鋼級的增加而變低，但是變化范圍不大。