1、1油气上窜速度实用计算方法摘要：本文介绍了用相对时间计算钻井及井下作业施工中油气上窜速度的方法。该方法通过一次下钻测量记录两个时间，就能计算油气上窜速度，解决了一般开发井不测量迟到时间和传统方法计算中数据取值一致性差、精度低的问题。对等直径井眼与复合直径井眼分别进行了理论分析并推导出了相应的计算公式。本文包括前言、基本原理与计算方法、注意事项及结论认识等。对传统的迟到时间法、容积法进行了简要分析并提出了主要不足。主题词：钻井 井下作业 油气上窜速度 计算方法一、对传统计算方法的分析及问题提出在钻井和井下作业施工中，油气上窜速度是衡量井下安全的重要技术数据，是确定下一步施工方案措施的重要技术依据
2、。油气上窜速度过高，将导致井涌井喷问题发生，造成对地下油气资源的破坏、对地面环境的破坏和对钻井施工安全的严重威胁。特别是随着油气勘探开发区域的逐年扩大和地下状况的不断复杂化，对钻井和井下作业技术与安全提出了更高的要求，对油气上窜速度的测量计算也要求更准确、更方便。对于油气上窜速度的计算，传统的方法包括“迟到时间法”和“容积法”两种方法。毋庸置疑，这两种计算方法在理论上是正确的。但是，这两种方法涉及到的关键参数迟到时间、泥浆泵排量的准确性问题，对计算的准确性带来了很大影响。迟到时间法是钻井现场一直采用的方法。这种方法的主要不足，2一是迟到时间的测量比较繁琐；二是迟到时间的测量计算中受到“钻井液运
3、载比”影响和钻具内部下行时间影响，很难保证计算的精确性；三是迟到时间的测量计算与油气上窜速度测量计算是在不同的下入钻具次数和状态下，数据一致性差；四是没有将油气侵段的显示时间引入上窜速度计算中，缺乏全面性；五是用钻屑的迟到时间计算油气上窜速度不合理；六是没有考虑复合井眼情况；等等。同时，开发井钻井和井下作业现场一般不测量迟到时间的实际情况，也是影响该方法进行计算的现实情况。对于容积法，现场应用较少。主要是泥浆泵排量的具体值精确性差，井眼容积也不容易准确确定，因此计算精度低。因此，考虑一种新的测量计算方法是十分必要的。作者在长期分析的基础上，提出了一种计算油气上窜速度实用方法相对时间法。二、基本
4、原理与计算方法相对时间法，是利用钻井液循环中各种时间所占相对比例进行计算的。不同性质的钻井液，在返出井口时都有相应的显示时间，显示时间的长短受到循环排量、井眼容积、相应体积等因素影响。对于井身结构、循环排量、井眼容积、相应体积确定的井眼，井口显示时间的相对长短就代表着所占井段的相对长度。在发生油气侵、盐水侵等情况下，钻具（管柱）下入后循环时，井眼上部未受到侵染钻井液有一定的显示时间，下部受侵染钻井液返出后也显示并持续一定的时间。这两部分时间分别代表着未受侵染井段和受到侵染3井段的相对长度，对其进行记录并引入到计算当中，即可计算出油气上窜速度，这就是相对时间法的基本原理和实质。实际的井眼，可为单
5、一直径井眼、复合直径井眼（包括二级复合直径井眼、三级复合直径井眼、多级复合井眼等） 。在测量计算中，每一种井眼都有三种情形，即钻头（管柱底部）深度浅于油层顶部深度、与油层顶部深度相同和大于油气层顶部深度。下面分别进行推导。假定：1、开泵后油气不再侵入井眼；2、忽略开泵后油气滑脱、气体膨胀上升速度。（一）单一直径井眼单一直径井眼，是指井眼直径比较一致的井眼。钻井中下入技术套管后再次开钻井段较短的井，可以认为是单一直径井眼。对于井下作业施工井，因为一般在套管中作业，大多为单一直径井眼。1、钻头（管柱底部）深度浅于油层顶部深度的情形将钻头（管柱）下至油气层以上某一深度，开泵循环（应保持等泵速）并在井
6、口记录显示时间段 t1、t 2，根据记录的时间计算油气上窜速度。应考虑到下入钻具（管柱）时油气侵钻井液返入了钻具（管柱）内部，随开泵循环又进入环空与环空油气侵钻井液一同上返。参见图 1。4（1） （2） （3）图 1 钻头（管柱底部）深度浅于油层顶部深度的情形图 1（1）表示钻具下到油气层以前井眼中实际情况，图1（2 ）表示下入钻具（管柱）开泵前的状况，图 1（3）表示开泵后钻具（管柱）内油气侵井液刚好全部进入环形空间的时刻。油气上窜速度由下式计算。（1）1Hvt静式中： 油气上窜速度，m/h；v5油气侵井液实际高度，m ；1H从停泵起钻至本次开泵的总静止时间，h 。t静根据图 1，存在如下关
7、系式： 1111222()/t qQHh111()/Hhtq内 内 112油 1111()()()hqhHhq内对以上求解得： 1tq内 内111()hHh内内211()tq1 121()Hhtq钻 头 内（2）121()vttq钻 头 静静内这就是此种情况下的计算公式。式中： 循环时井口油气显示的时间，h；1t将钻具（管柱）内受侵钻井液全部替入环空的时间，h；6从开泵循环到见到油气显示的时间，h；2t井眼容积，L/m；q、 井眼环空容积，L/m ；对于等直径井眼， 。12 12q钻具（管柱）内容积，L/m；内下入钻具（管柱）后油气侵段上升高度，m ；1h钻头高于油气层顶部高度，m；下钻完后未
8、发生油气侵井段长度，m ；2H油气层顶部深度，m；油钻头（管柱）底部深度，m；钻 头循环排量， L/s（不用于计算） 。Q从式中可知，对于一口具体的井，油气层顶部深度 、井眼H钻 头容积 、环空容积 、钻具（管柱）内容积 是确定的，下钻到井底q1qq内开泵后只要准确记录两个时间 、 ，与总静止时间 一起代入公式1t2t静便可求出油气上窜速度。公式虽然繁琐，但未知条件只有三个，因此借助于计算机可方便进行计算。 （可根据井眼实际考虑一定的扩大率，井下作业施工不必考虑）2、钻头（管柱底部）深度与油层顶部深度相同的情形将钻头（管柱）下至油气层顶部，开泵循环（应保持等泵速）并在井口记录显示时间段 t1、
9、t 2，根据记录的相对时间计算油气上窜速度。计算方法参见图 2。7（1） （2） （3）图 2 钻头（管柱）深度与油气层顶部深度相同的情形根据图 2，存在如下关系式：111222()/tHhqQh11()/thq内 内 112H油11()()qH内对以上求解得： 1tq内 内8111qhH内内21tq121()Ht油 内 （3 ）21()vtqt油 静内这就是此种情况下的计算公式。与公式（2）相比，相对比较简单。因此，现场采用此种情况下计算油气上窜速度较更为方便。3、钻头（管柱底部）深度大于油气层顶部深度的情形钻具（管柱）下至油气层内部或底部时，因h 2值是确定的，因此计算方法相同。若将钻具（
10、管柱）下过油气层很长距离（出了油气层） ，循环时井口油气显示将发生间断的问题，使计算困难且不准确，不应采用。计算方法参见图 3。9（1） （2 ） （3）图 3 钻头（管柱）深度大于油气层顶部深度根据 1121122()/tHhqQHh121()/thq内 内11212HH底 1 112()()()qhq内解得： 1tt内 内1011112qqhHh内 内内 内221ttq1 221()Hht底 内 （4 ）221()vttq底 静静内这就是此种情况下的计算公式。式中： 钻具（管柱）下入油气层中的长度，m ；2h钻具（管柱）底部深度（应小于或等于油气层底部深H底度） ，m。（二）复合井径井眼单
11、一直径井眼计算方法比较简单，复合直径井眼计算方法相对繁琐一些。针对目前最常用的复合井径井眼、假定油气侵钻井液在井眼最下部，分析介绍如下。1、二级复合直径井眼（1 ）钻头（管柱底部）深度浅于油层顶部深度的情形计算方法参见图 4。11（1） （2 ） （3）图 4 钻头（管柱）深度与油气层顶部深度相同根据 21/tHqQ3111 1()/hqt内 内111232323()/()/tHQHhqqtt1211111()()()HhqhqHhq内23油 =+解得： 1ttq内 内111()hHh内内 3211()qqt311 1()Hhtq钻 头 内 （ 5）311()qHhvtt钻 头 静静内式中：
12、从开泵循环到见到油气显示时间，h。t这就是该种情况下的计算公式。分析：对于单一直径井眼， ，则上式可变为312qt， ，与等直径井眼情况（2）相同。121()Hhvttq钻 头 静静内（2 ）钻头（管柱底部）深度与油层顶部深度相同的情形计算方法参见图 5。13（1） （2） （3）图 5 钻头（管柱）深度与油气层顶部深度相同根据 21/tHqQ311 1()/hqt内 内1 1232323()/()/tHQHhqqtt14111()()HqhHq内23油 =+解得： 1ttq内 内111hH内内 321qt311()Htq油 内 （6 ）31()vtqt油 静内式中： 从开泵循环到见到油气显示
13、时间，h。t这就是该种情况下的计算公式。分析：对于单一直径井眼， ，则上式可变为312qt， ，与等直径井眼情况（3 ）相同。21()Hvtqt油 静内（3 ）钻头（管柱底部）深度大于油气层顶部深度的情形计算方法参见图 6。15（1） （2） （3）图 6 钻头（管柱）深度大于油气层顶部深度根据： 1121121232323()/()/tHhqQHhq121 11()/thq内 内23tt162123HhH底 1 112()()()qhqhq内解得： 1tt内 内11112qqhHh内 内内 内 32121ttqq311 2()Hhtq底 内 （7 ）312()hvttq底 静静内这就是该种情
14、况下的计算公式。分析：若等直径井眼，则 ， ，上式可变为31q2t，与等直径井眼情况（4）相同。221()Hhvttq底 静静内2、三级复合直径井眼（1 ）钻头（管柱底部）深度浅于油层顶部深度的情形计算方法参见图 7。17（1） （2） （3）图 7 钻头（管柱）深度与油气层顶部深度相同的情形根据： 21/tHqQ34/t111 1()/hqtHQ内 内1811111234234234()/()/tHhqQHhqqtt11111()()()hqhqhq内HH234油 =+解得： 1ttq内 内111()hh内内 342111()qqtHH34111 1()()htq钻 头 内 （8）34111
15、()()qHHhvt tqt钻 头 静静内式中： 各井段长度，m；1234、 、 、 段钻井液返出井口时间，tt、 、 、 1234HhH+、 、 、h； 井段的容积，L/m ；134q、 、 1234、 、 、从开泵循环到见到油气显示时间，h。t这就是该种情况下的计算公式。对于其它井身结构的井，可根据相同原理进行推导计算。对于油气活跃、油气侵段已达到中部井眼的情况，可根据同样的方法进19行测量计算，只是计算相对繁琐一些。分析：对于同一直径井眼， ，则上式3413421qt， ，变为 ，与等直径井眼（2）相同。121()Hhvttq钻 头 静静内2、钻头（管柱底部）深度与油层顶部深度相同的情形
16、计算方法参见图 8。（1） （2） （3）图 8 钻头（管柱）深度与油气层顶部深度相同20根据： 21/tHqQ34/t11 1()/hqtHQ内 内 12342134234()/()/Hhqttqq111()()HhH内234油 =+解得： 1qtt内 内111hHq内内 34211qt34111()()HHtq油 内 （ 9）3411()()qvtqt油 静内这就是该种情况下的计算公式。分析：对于同一直径井眼， ，则上式3413421qt， ，21变为 ，与等直径井眼情况（3）相同。21()Hvtqt油 静内3、钻头（管柱底部）深度大于油气层顶部深度的情形计算方法参见图 9。（1） （2）
17、 （3）22图 9 钻头（管柱）深度大于油气层顶部深度根据 1121121234234234()/()/tHhqQHhqq11211()/thq内 内234tt21234HH底 1 112()()()hqhqhq内解得： 1tq内 内11112qhHh内 内内 内 3224111qttHq34111 2()()Hhtq底内 34112()()qHHhvt tt底 静静内（10）这就是该种情况下的计算公式。分析：若等直径井眼，则 ， ，上式变为134q2t23，与等直径井眼情况（4）相同。221()Hhvttq底 静静内由此得出下列常用计算公式：一级复合井径井眼（单一直径井眼）：（1） 121(
18、)Hhvttq钻 头 静静内（2） 21()vttq油 静内（3） 221()Hhvtt底 静静内二级复合井径井眼：（1）311qHhvtt钻 头 静静内（2）31()qvtt油 静内（3）312()qHhvtt底 静静内三级复合井径井眼：（1）34111()()qHHhvt tt钻 头 静静内24（2）3411()()qHHvtt油 静内（3）34112()()qhvt tt底 静静内更为复杂的井身结构，可按类似方法推导并进行计算。三、注意事项及有关说明1、钻具（管柱）下入深度问题钻具（管柱）下入深度分三种情况，即下至油气层以上深度、顶部深度和中部（底部）深度。下至油气层顶部是指在开泵初期钻
19、具（管柱）处于顶部，一旦开泵循环、钻具（管柱）内油气进入环空后，可进行钻具（管柱）活动，防止发生卡钻问题。下至中部（底部深度） ，应以下至油气层内部更合适，一般情况下不要下过油气层太长距离，防止井口油气显示间断对于测量计算的影响。2、循环排量问题开泵后应保持排量稳定，不能过多调节。若井下情况需要变化排量，应根据实际情况对时间进行相应的修正（如采用 1/3 排量时，显示时间是全排量的 3 倍） 。3、两个时间的测量问题开泵到见到油气显示的时间 、 、 和从见到油气显示到显示2tt段结束的时间 ，应根据油气侵混浆段实际显示确定，准确记录。一1t般情况下应以是否对井控安全造成影响来确定，取混浆段显示
20、时间25的中间点。4、井眼容积与环空容积问题对单一直径井眼，因钻具（管柱）处在同一井眼、同一次下钻开泵过程，容积变化对时间的影响具有较好的一致性，可不考虑扩大问题；复合井眼用到的井眼容积，中、上部在套管中，不考虑扩大问题。油气侵段在井眼最下部，井径有一定的影响，应考虑扩大率问题；井下作业施工不存在该类问题。5、现场应用问题实际应用中，应根据井眼情况首先确定各项常数，预先代入公式计算出来。在循环时测量完两个显示时间后，与总静止时间一起代入公式，可方便求出油气上窜速度。四、结论及认识1、用相对时间法计算油气上窜速度，是一种新的思路。通过一次下钻就能将油气上窜速度计算出来，解决了迟到时间测量误差和开
21、发井一般不测量迟到时间的问题，具有更广泛的适用性，是钻井和井下作业现场一种方便、准确的计算方法。2、相对时间法计算油气上窜速度，采用了时间的相对量，不涉及循环排量的具体数值，有利于现场应用。对于具体的井眼，公式中只有三项时间未知量通过测量得到，其余都为常数，特别适用于现场计算。3、将钻具（管柱）底部下至油气层顶部进行测量计算，计算公式相对简单，应优先考虑采用。264、公式推导中未考虑开泵后油气滑脱上升、气体膨胀等因素，实际显示时间反映的井段长度应大于井底实际油气侵井段长度，计算油气上窜速度数值偏大。这种计算对井控安全更为有利。5、井下作业试油气中，射孔后油管内关闭而环空敞井口观察、反循环排除溢
22、流等具体工况，可采用该原理进行具体计算，具有更高的计算准确性。6、钻井和井下作业施工中，应提高对油气上窜速度计算重要性的认识，对计算方法进行认真分析并正确应用，提高计算准确性，保证井控安全。附一：迟到时间法与容积法公式1、迟到时间法 Htv钻 头油 迟静2、容积法 cQHtv油 静式中：v油气上窜速度，m/h；H 油 油气层深度，m；H 钻头 循环钻井液时钻头所在深度，m ；t 迟 钻头所在深度迟到时间， h；27t从开泵循环到见到油气显示的时间，h；t 静 从停泵起钻至本次开泵的总静止时间，h。Q钻井泵排量，L/h；Vc井眼环空容积， L/m。附二：迟到时间计算方法1、实测法T 迟 =T 循环 T 下行 ，T 下行 = QV21T 迟 迟到时间，min；T 循环 循环周时间，min；T 下行 钻井液在钻具内下行时间，min；V1钻杆内容积，m 3；V2钻铤内容积，m 3；Q循环排量，m 3/min。2、理论法 HQdDVt 42）（迟 V井内环形空间容积， m3；28Q循环排量，m 3/min；D井眼直径，m；d钻杆外径，m；H井深，m。
