[科普中国]-动力压井

背景

深水海底常常潜伏着大量的高压浅层气层，钻遇浅气层时，往往不仅没有技术套管，而且没有下表层套管，所以无法安装防喷器系统，而在这种情况下是十分危险的。同时，由于海水的存在，海底岩层的压实程度小于陆上(即海上地层破裂压力梯度小于陆上)，海水深度越大，二者的差别越大。因此，与陆上相比，深水地层更容易被压裂。此时，利用高密度钻井液及常规的借助井口装置产生回压来平衡地层压力的压井方法就不再适用。动力压井困〕作为一种非常规压井方法，并不是借助井口装置产生回压来平衡地层压力，而是借助流体循环时克服环空流动阻力所需的井底压力来达到与地层压力的平衡，这为有效解决深水地层低破裂压力梯度及高压浅层气问题提供了可能。1

基本原理动力压井法是Mobil公司首先提出的一种新方法，其最早只应用于陆上压井作业。该方法作为一种非常规压井方法，其基本原理是:以一定的流量泵入低密度压井液，使井底的流动压力等于或大于地层孔隙压力，从而阻止地层流体进一步侵入井内，达到“动压稳”状态;然后逐步替人加重压井液，以实现完全压井的目的，达到“静压稳”状态。它并不是通过使用高密度钻井液来达到压井的目的，而是通过增加排量，使流体循环时的摩阻增大，借助环空摩阻和静液压力来平衡地层压力。动力压井法的环空流动压降均匀分布在整个井身长度上，而常规压井的回压作用在整个井身的每一点上，也就是说动力压井法将产生较小的井壁压力。这个特点可以很好地解决浅层气压力高、地层破裂压力低等难题。在实际的海上作业时，可以直接采用海水做压井液，通过增大单位时间内海水的注入量来实现压井目的。1

步骤针对深水海底高压浅层气所处位置“浅”的特点，可以采取以下步骤进行动力压井操作:

1)结合现场数据，计算动力压井参数，包括压井液密度、排量、泵功率等;若地层破裂压力低，可直接采用海水做压井液;

2)通过钻杆将压井液以计算好的排量或以井底压力不致超过地层破裂压力的排量泵入井内;

3)压井过程中，应根据模拟计算的结果，动态调节压井液排量，以保持井壁稳定;

4)浅层气完全排出井筒、成功压井后，注水泥塞封住高压浅层气地层;

5)重新钻至浅气层顶部，停钻、固井，安装防喷器;

6)选用密度合适的钻井液，钻穿浅层气，继续钻井作业。

如果平台着火，首要的问题是人员安全，要有秩序地安全撤离。然后组织灭火并通过打救援井处理事故。救援井钻成之后，可用酸化和压裂法使两井沟通。沟通后就可按上述步骤实施压井。1

动力压井所需排量计算动力压井所需排量的计算原则是:在该排量下，井内的流动循环摩阻加液柱压力略大于地层压力。初始压井液一般采用低密度液体，加大排量，以弥补密度降低所减小的液柱压力，海上压井时为了便利可直接采用海水。目前，单相流体条件下的排量计算公式已经非常完善，而对多相流动条件下排量计算公式的研究还不够深入。笔者利用多相流计算公式对动力压井排量进行计算，计算用到的基本公式如下：

式中，

pwf——为井底压力，MPa；

ρh——为流体混合密度，kg/m3；

vh——为混合流体流速，m/s；

f——为摩擦系数，无因次；

L——为流体流程，m；

R——为水力半径，m；

q1，qg，qc——分别为井筒内液相、气相及固相流量，m3/s；

d——为过流断面直径，m；

ρ1，ρ2，ρ3——分别为液相、气相及固相密度，kg/m3。

将上述三个公式联立，代入井筒多相流动方程，便可求得需要的动力压井排量。1

动力压井液密度计算由于此处考虑多相流动情况，所以并不能像单相流动情况下那样直接给出密度计算公式。由于海底地层破裂压力低，此处只根据地层破裂压力pf和浅层气压力pr计算两个压井液密度极值 、 然后取两者之中小的一个作为压井液密度上限，在该上限范围内，选择多个密度值代人多相流动方程，计算相应的排量，从而根据实际情况进行参数优选。考虑到海上钻井的特殊情况，可以直接用海水做压井液。1