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关于起钻时安全油气上窜速度探讨

目前，中石化对进入气层后起钻前的油气上窜速度要求十分严格，比如中石化安全技术规范Q/SHS0003.1-2004中规定油气上窜速度不得高于10m/h，川东北含硫天然气井安全技术规范中规定起钻前油气上窜速度不得高于30m/h，而中石油或石油天然气行业标准并无如此规定，比如钻井井控技术规程SY/T6426-2005、石油天然气安全规程AQ2021-2007中并未在起钻前有如此规定。近几年的生产管理统计结果说明，这些规定并未有效起到防止出现井涌溢流等复杂状况及事故，反而给生产管理带来很大的难度，不但增加了井漏及井控风险，也加重了对油气层的污染程度，并严重影响开发进度。下面就起钻前油气上窜速度控制什么范围内合理进行探讨：
一、天然气在井筒中的运动规律
天然气在储层中依据组分的不同一般以气态或者气液两相存在，由于储层压力很高，气体被高度压缩，相对密度较大。当储层被揭开后，储层岩屑气、交换气〔储层压力低于钻井液液柱压力〕、溢流气〔储层压力高于钻井液液柱压力〕变混入钻井液中，天然气气泡此时的受力主要为浮力〔F浮〕、自身重力G和界面张力〔N界面〕。
上窜的主要动力 F上窜=〔F浮-G〕-N界面 〔1〕
其中 F浮应遵循阿基米德定律， F浮=ｐ钻井液gV =ｐg п r3 〔2〕
自身重力 G=ｐ天然气Vg 〔3〕
界面张力与钻井液结构强度及气泡表面积有关 N界面=k..S=k .4/3п r2 〔4〕
由上面的关系式可以知道，如果密度差产生的上浮力〔F浮-G〕大于界面张力，气泡就能自动加速上升，如果界面张力大于上浮力，气泡就被包在钻井液中不上升，但现场一般都要求钻井液具有优良的脱气性，钻井液胶粒之间的结构力以及与气泡间的界面张力一般都小于上浮力〔碰到井塌后大幅提升粘切的钻井液及高粘切的堵漏浆除外〕，因此，天然气进入钻井液中后会自动上升。
当液柱压力已经高于地层压力时，储层气体不会大量自动进入井筒〔即无溢流气〕，但在一段时间内还存在少量交换气和渗透气进入井筒，如果为了降低后效全烃值而不断提升钻井液密度，这将导致进入井筒的气泡受到的浮力增大，在流变性坚持不变的状况下，这将使气泡上升的速度加快。
另外气泡在上窜过程中也遵循PV=nRT定律， R为常数，当n值一定， 温度T影响很小的状况下，气泡体积V基本与液柱压力P成反比，也就是说气泡在上升过程中体积不段增加，密度不断降低，与钻井液的密度差越来越大，受到的浮力也越来越大，当然体积增加了，表面积也增加了，但是表面积的增加幅度是比体积增加的幅度小，一个是r2 ，一个是r3，由此分析得出气泡在上窜过程中加速度越来越大，而v上窜=dv/dt〔0，t〕，由此，可以得出以下结论：
〔1〕天然气在从井底向井口的运移过程中速度以非线性倍增的结论。
(2) 即使钻井液密度很高，液柱压力远远大于储层地层压力，只要储层有气体，深井的岩屑气和交换气后效也有可能使全烃值达到很高，甚至引起池体积增加的现象。
〔3〕提升钻井液密度存在增加油气上窜速度的可能，起钻是否安全应综合短起后效强弱、继续时间以及是否存在液面上涨等状况。
二、上窜速度30m/h存在的问题
前现场采纳迟到时间法测定的油气上窜速度是从井底到井口的平均速度，针对川东北深井，井深一般都在5000~8000m，油气层就按4000m计算，如果必须严格执行30m/h以内的油气上窜速度，天然气从井底上窜到井口需要的时间t=4000/30=133.33h，而关于4000m的井，按5分钟一根立柱的最慢速度，起下一趟钻所需时间为4000/275/602=24.7h。即使上窜速度不倍增，下钻到底时，油气才上窜到井深3200m左右，实际根本就不到3200m。即使有其他特别状况再耽误30h，油气上窜井深也不到2000m，循环排气还需要很长时间，这样就会影响纯钻进效率。
依据现场监督反映和跟踪调查，发现很多井在起钻前油气上窜速度根本就达不到小于30m/h的要求，这给现场监督管理带来很大难度，如果让起钻，说明监督不作为，不负责，不准起钻，只得循环加重，且需要多次短起下钻和循环来测定油气上窜速度，使钻井作业方的短起下、循环时间大大增加，严重耽误生产失效，同时为了要达到这个要求，钻井液液柱压力要大大超过储层地层压力，这就增加了井漏风险并容易引起漏、喷同存的井控复杂事故。另外钻井液密度过高也会加重钻井液对储层的污染，降低机械钻速。
三、井深/上窜速度=2～3倍作业时间的合理和安全性
按〔一〕中的结论，把井筒人为分为3段，这样各段的平均上窜速度可能依次为上2v，中v，下段为1/2v，气泡经过各段的时间分别为1/7t〔上段〕，2/7t〔中段〕4/7t〔下段〕，这里的t是气泡从井底窜到井口所需时间，也就=井深/上窜速度，如果=2倍作业时间，下钻到底后油气上窜高度应该还不到井深的1/3，完全能保证井控安全。
我们举例来进行实际核算，如果井深4000m，起下钻一趟作业时间25h，我们取井深/上窜速度=2倍作业时间，也就是50h，同意的最大油气上窜速度为4000/50=80m/h，也就是说起下钻到底后油气上窜高度为1300m以内，即使耽误20h，下钻到底后油气也还没有窜到井口。
为了进一步保证安全，还可以取井深/上窜速度=3倍作业时间，对应的油气上窜速度为4000/〔253〕=53m/h。
如果井深6000m，起下钻一趟作业时间40h，如果按2倍作业时间取，同意的最大油气上窜速度为6000/〔402〕=75 m/h。按3倍作业时间取，同意的最大油气上窜速度为6000/〔403〕=50 m/h。
通过现场调查，井队起钻时的油气上窜速度一般都为50~80m/h范围内，有些时候100m/h以上也在起钻，都没有出什么问题，依据上面的计算，如果井深/上窜速度=2～3倍作业时间话，算出的最大同意油气上窜速度与现场比较一致，说明这种方法是比较合理的。