一種地層壓力計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于油氣開(kāi)發(fā)地層壓力檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或 井噴無(wú)法關(guān)井情況下的地層壓力計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉆井過(guò)程中，由于井下情況復(fù)雜、對(duì)地質(zhì)情況掌握不夠等因素，致使鉆井過(guò)程中地 層及地層流體具有不可預(yù)見(jiàn)性，鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井涌甚至井噴。發(fā)生井噴后需及時(shí)進(jìn) 行壓井處理，壓井過(guò)程中，地層壓力是進(jìn)行壓井的關(guān)鍵參數(shù)，一旦確定地層壓力，才能優(yōu)化 設(shè)計(jì)壓井液密度、壓井排量等相關(guān)壓井參數(shù)。氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú)法關(guān)井情況 下都存在統(tǒng)一特點(diǎn)，即：地層流體高速產(chǎn)出，若強(qiáng)行關(guān)井，由于氣體循環(huán)介質(zhì)難以形成較高 的靜液壓力，井口套壓會(huì)在短時(shí)間內(nèi)增加到非常高的值，甚至超過(guò)井口設(shè)備的承壓能力，使 用常規(guī)的壓井方法也很難建立有效的液柱壓力來(lái)平衡地層壓力，一旦控制不當(dāng)，將會(huì)造成 不可挽回的損失，因此通過(guò)常規(guī)讀取立壓和套壓的方法計(jì)算地層壓力，無(wú)法在氣體鉆井鉆 遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú)法關(guān)井情況下使用，一種新的地層壓力計(jì)算方法成為必然。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的為克服現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，提供一種氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú) 法關(guān)井情況下的地層壓力計(jì)算方法；該方法可以解決現(xiàn)有方法無(wú)法解決的難題，為隨后的 壓井方案設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0005] (1)在節(jié)流管匯的節(jié)流閥上加裝位移傳感器，在節(jié)流閥兩側(cè)加裝差壓傳感器；
[0006] (2)確定氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú)法關(guān)井情況下地層壓力計(jì)算所需的參 數(shù)；
[0007] (3)調(diào)整節(jié)流閥閥門(mén)開(kāi)度，開(kāi)度至少為三種不同開(kāi)度，且滿(mǎn)足100%彡開(kāi)度>0 ;
[0008] (4)讀取每種開(kāi)度時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)；
[0009] (5)根據(jù)每種開(kāi)度時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)，計(jì)算該開(kāi)度時(shí)的氣體 質(zhì)量流量和體積流量；
[0010] (6)根據(jù)每種開(kāi)度時(shí)的氣體質(zhì)量流量及其他相關(guān)參數(shù)計(jì)算該開(kāi)度時(shí)的井底壓力；
[0011] (7)根據(jù)不同開(kāi)度時(shí)的氣體體積流量與對(duì)應(yīng)開(kāi)度時(shí)的井底壓力，計(jì)算井底地層壓 力。
[0012] 上述方案還包括步驟（2)所需參數(shù)是指根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工井資料確定所需計(jì)算參數(shù)， 包括：井眼尺寸，鉆具組合，井身結(jié)構(gòu)、井深、套管壓力、地面溫度、地溫梯度、產(chǎn)出氣體相對(duì) 密度、產(chǎn)出氣體相對(duì)分子量、節(jié)流閥開(kāi)度100 %時(shí)的過(guò)流直徑、放噴管線內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度。
[0013] 上述方案進(jìn)一步包括：
[0014] 計(jì)算不同開(kāi)度時(shí)的氣體質(zhì)量流量和體積流量按下式
[0015]

[0016]
[0017]
[0018] 其中，QgS放噴管線內(nèi)的氣體體積流量;w g為放噴管線內(nèi)氣體的質(zhì)量流量；C為孔 口的形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定的系數(shù)；ε為可膨脹系數(shù)；Ad為節(jié)流件開(kāi)孔直徑，即節(jié)流 閥位移傳感器讀數(shù)；β為直徑比；D為節(jié)流閥開(kāi)度為100%時(shí)的過(guò)流直徑；P g為氣體的相對(duì) 密度；Ap為孔口兩端的壓降。
[0019] 計(jì)算不同開(kāi)度時(shí)的氣體在井筒內(nèi)流動(dòng)時(shí)的井底壓力計(jì)算公式如下：

.， 12345678 式中，Pd為井底壓力；Tg井深氣體的溫度；Ts井口溫度；G為溫度梯度；氣體的 質(zhì)量流量；D h為套管內(nèi)徑；D p為鉆柱外徑；P i為計(jì)算起點(diǎn)壓力；h i為計(jì)算起點(diǎn)的井深；λ為 水力摩阻系數(shù)；e為絕對(duì)管壁粗糙度；h為井深；Μ氣體的摩爾質(zhì)量；g為重力加速度；R為氣 體常數(shù)； 2 井噴時(shí)井底流壓與地層產(chǎn)量滿(mǎn)足如下經(jīng)驗(yàn)公式： 3
[0026]

4 式中，為地層壓力；P d為井底壓力；Q為氣體體積流量；K、n為與地層性質(zhì)相關(guān)的 常數(shù)； 5 將至少三種開(kāi)度時(shí)的氣體體積流量與井底壓力帶入上式，整理得到如下方程組： 6
[0029]

7
[0030] 其中，匕、Κ、η為未知數(shù)，通過(guò)聯(lián)合求解得到地層壓力匕。 8 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下顯著效果：本發(fā)明所述方法可以確定氣體鉆井 鉆遇高產(chǎn)氣流、井噴嚴(yán)重、無(wú)法關(guān)井情況下的地層壓力，解決了常規(guī)方法無(wú)法解決的難題， 為隨后的壓井設(shè)計(jì)和壓井施工提供依據(jù)；該方法在節(jié)流管匯的節(jié)流閥上加裝兩個(gè)傳感器： 位移傳感器和差壓傳感器，工藝簡(jiǎn)單，適合現(xiàn)場(chǎng)使用。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1為本發(fā)明應(yīng)用于氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú)法關(guān)井情況下的地層壓力 計(jì)算方法流程圖；
[0033] 圖2為節(jié)流閥上位移傳感器和差壓傳感器安裝示意圖；圖中：1、井筒；2四通；3、 防噴器組；4、節(jié)流閥；5、差壓傳感器；6、位移傳感器；7、放噴管線。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖1和附圖2對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0035] 如圖1所示，氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú)法關(guān)井情況下的地層壓力的計(jì)算方 法，包括如下步驟：
[0036] 1、在節(jié)流管匯的節(jié)流閥上加裝位移傳感器，在節(jié)流閥兩側(cè)加裝差壓傳感器。
[0037] 如圖2所示，開(kāi)鉆前，在放噴管線7上的節(jié)流閥4上安裝位移傳感器6,節(jié)流閥4兩 側(cè)安裝差壓傳感器5,差壓傳感器5安裝時(shí)盡量緊挨節(jié)流閥4。
[0038] 2、確定氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú)法關(guān)井情況下地層壓力計(jì)算所需的參數(shù)。
[0039] 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工資料確定所需參數(shù)，包括：井眼尺寸，鉆具組合，井身結(jié)構(gòu)、井深、地 面溫度、地溫梯度、井口套壓（套管壓力）、產(chǎn)出氣體相對(duì)密度、產(chǎn)出氣體相對(duì)分子量、節(jié)流 閥開(kāi)度1〇〇 %時(shí)的過(guò)流直徑、放噴管線內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度。
[0040] 3、調(diào)整節(jié)流閥閥門(mén)開(kāi)度為開(kāi)度一；
[0041] 調(diào)整節(jié)流閥4的開(kāi)度為開(kāi)度一，開(kāi)度一為閥門(mén)開(kāi)度的100%，即閥門(mén)全開(kāi)。
[0042] 4、讀取開(kāi)度一時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)。
[0043] 讀取開(kāi)度一時(shí)的位移傳感器6的讀數(shù)Δ d ;其中，Δ d為節(jié)流閥位移傳感器讀數(shù)， m;讀取開(kāi)度一時(shí)差壓傳感器5的讀數(shù)，差壓傳感器的讀數(shù)Δρ即為氣體在放噴管線內(nèi)流動(dòng) 時(shí)流經(jīng)節(jié)流閥4兩端的壓降。
[0044] 5、根據(jù)開(kāi)度一時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)，計(jì)算開(kāi)度一時(shí)的氣體質(zhì)量 流量和體積流量。
[0045] 流量與壓差的關(guān)系用節(jié)流閥的流量計(jì)算公式表示：
[0046]

(1 )
[0047] 對(duì)于孔板節(jié)流件：c = 0· 5961+0. 0261 β 2-0· 216 β 8 (2)
[0048] 對(duì)于孔板節(jié)流件：
[0049]

3.)
[0050] 對(duì)于噴嘴或文丘里管節(jié)流件：
[0051]

[0052]
[0053]
[0054] 其中，Qg為放噴管線內(nèi)的氣體體積流量，m3/s ;wg為放噴管線內(nèi)氣體的質(zhì)量流量， kg/s ;C為孔口的形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定的系數(shù)，其具體值由現(xiàn)場(chǎng)所用節(jié)流件決定；ε 為可膨脹系數(shù)；A d為節(jié)流件開(kāi)孔直徑，即節(jié)流閥位移傳感器讀數(shù)，m ;為β為直徑比；D為 節(jié)流閥開(kāi)度為100%時(shí)的過(guò)流直徑，m ;Pl為井口套壓，Pa ; P g為氣體的相對(duì)密度，kg/m3; ΔΡ 為孔口兩端的壓降，Pa ;k為等熵指數(shù)。
[0055] 計(jì)算時(shí)，根據(jù)公式（1) (2) (3) (4)的計(jì)算參數(shù)，然后代入公式（5)計(jì)算開(kāi)度一時(shí)的 氣體質(zhì)量流量Wg l，代入公式（6)計(jì)算開(kāi)度一時(shí)的氣體體積流量1,1<3
[0056] 6、根據(jù)開(kāi)度一時(shí)的氣體質(zhì)量流量及其他相關(guān)參數(shù)計(jì)算開(kāi)度一時(shí)的井底壓力；
[0057] 在氣體質(zhì)量流量、氣體相對(duì)密度、套管壓力、地面溫度、地溫梯度、井眼直徑、鉆柱 外徑等參數(shù)已知的情況下，氣體在井筒內(nèi)流動(dòng)時(shí)的井底壓力計(jì)算公式如下：

[0065] 式中，Pd為井底壓力，Pa ;T g某一井深氣體的溫度，K ;T s井口溫度，K ;G為溫度梯 度，K/m ;wg為氣體的質(zhì)量流量，kg/s ;D h為套管內(nèi)徑，m ;D p為鉆柱外徑，m ;P i為計(jì)算起點(diǎn)壓 力，Pa九為計(jì)算起點(diǎn)的井深，m ; λ為水力摩阻系數(shù)，e為絕對(duì)管壁粗糙度，m ;h為井深；Μ 氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol ;g為重力加速度，9. 8m/s2 ; ;R為氣體常數(shù)，J/ (mol · k)。
[0066] 計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)開(kāi)度一時(shí)的質(zhì)量流量wg>1，應(yīng)用公式（7)、（8)、（9)、（10)、（11)、 (12)計(jì)算參數(shù)λ、參數(shù)α、參數(shù)β、參數(shù)A、參數(shù)B和參數(shù)Tg，然后代入公式（13)計(jì)算開(kāi)度 一時(shí)的井底壓力Pd, 1。
[0067] 7、調(diào)整節(jié)流閥閥門(mén)開(kāi)度為開(kāi)度二。
[0068] 調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥門(mén)開(kāi)度為開(kāi)度二，開(kāi)度二可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，小于閥門(mén)全開(kāi)的 100%即可。
[0069] 8、讀取開(kāi)度二時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)。
[0070] 9、根據(jù)開(kāi)度二時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)，計(jì)算開(kāi)度二時(shí)的氣體質(zhì)量 流量和體積流量。
[0071] 根據(jù)開(kāi)度二時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)，應(yīng)用公式（1) (2) (3) (4)的 計(jì)算參數(shù)，然后代入公式（5)計(jì)算開(kāi)度二時(shí)的氣體質(zhì)量流量wg,2，代入公式（6)計(jì)算開(kāi)度二 時(shí)的氣體體積流量Q g,2。
[0072] 10、根據(jù)開(kāi)度二時(shí)的氣體質(zhì)量流量及其他相關(guān)參數(shù)計(jì)算開(kāi)度二時(shí)的井底壓力。
[0073] 根據(jù)開(kāi)度二時(shí)的質(zhì)量流量wg,2，應(yīng)用公式（7)、（8)、（9)、（10)、（11)、（12)計(jì)算參數(shù) λ、參數(shù)α、參數(shù)β、參數(shù)A、參數(shù)B和參數(shù)Tg，然后代入公式（13)計(jì)算開(kāi)度二時(shí)的井底壓 力 Pd，2。
[0074] 11、調(diào)整節(jié)流閥閥門(mén)開(kāi)度為開(kāi)度三；
[0075] 調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥門(mén)開(kāi)度為開(kāi)度三，開(kāi)度三可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，其值小于開(kāi)度二 時(shí)閥門(mén)的開(kāi)度。
[0076] 12、讀取開(kāi)度三時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)。
[0077] 13、根據(jù)開(kāi)度三時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)，計(jì)算開(kāi)度三時(shí)的氣體質(zhì) 量流量和體積流量。
[0078] 根據(jù)開(kāi)度三時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)，應(yīng)用公式（1) (2) (3) (4)的 計(jì)算參數(shù)，然后代入公式（5)計(jì)算開(kāi)度三時(shí)的氣體質(zhì)量流量wg,3，代入公式（6)計(jì)算開(kāi)度三 時(shí)的氣體體積流量Q g,3。
[0079] 14、根據(jù)開(kāi)度三時(shí)的氣體質(zhì)量流量及其他相關(guān)參數(shù)計(jì)算開(kāi)度三時(shí)的井底壓力pd, 3。
[0080] 根據(jù)開(kāi)度三時(shí)的質(zhì)量流量wg,3，應(yīng)用公式（7)、（8)、（9)、（10)、（11)、（12)計(jì)算參數(shù) λ、參數(shù)α、參數(shù)β、參數(shù)A、參數(shù)B和參數(shù)Tg，然后代入公式（13)計(jì)算開(kāi)度三時(shí)的井底壓 力 Pd，3°
[0081] 15、根據(jù)開(kāi)度一、開(kāi)度二、開(kāi)度三時(shí)的氣體流量與開(kāi)度一、開(kāi)度二、開(kāi)度三時(shí)的井底 壓力，計(jì)算井底地層壓力；
[0082] 井噴時(shí)井底流壓與地層產(chǎn)量滿(mǎn)足如下經(jīng)驗(yàn)公式：
[0083] Q = Kifi - pj)n ( H )
[0084] 式中，Pe為地層壓力，MPa ;P d為井底壓力，MPa ;Q為氣體體積流量，m3/s ;K、n為與 地層性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)；
[0085] 將開(kāi)度一、開(kāi)度二、開(kāi)度三時(shí)的氣體流量與井底壓力帶入公式（14)，整理得到如下 方程組：
[0086]

(15)
[0087] 其中，Pe、Κ、η為未知數(shù)，該方程組有三個(gè)方程三個(gè)未知量，通過(guò)聯(lián)合求解可以得到 地層壓力的平方^ 2的值，對(duì)其開(kāi)平方后可得地層壓力匕。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種地層壓力計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 在節(jié)流管匯的節(jié)流閥上加裝位移傳感器，在節(jié)流閥兩側(cè)加裝差壓傳感器； (2) 計(jì)算氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú)法關(guān)井情況下地層壓力計(jì)算所需的參數(shù)； (3) 調(diào)整節(jié)流閥閥門(mén)開(kāi)度，開(kāi)度至少為三種不同開(kāi)度，且滿(mǎn)足100%彡開(kāi)度>0 ; (4) 讀取每種開(kāi)度時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)； (5) 根據(jù)每種開(kāi)度時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)，計(jì)算該開(kāi)度時(shí)的氣體質(zhì)量 流量和體積流量； (6) 根據(jù)每種開(kāi)度時(shí)的氣體質(zhì)量流量及其他相關(guān)參數(shù)計(jì)算該開(kāi)度時(shí)的井底壓力； (7) 根據(jù)至少三種不同開(kāi)度時(shí)的氣體體積流量與對(duì)應(yīng)開(kāi)度時(shí)的井底壓力，計(jì)算井底地 層壓力。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層壓力計(jì)算方法，其特征在于：步驟（2)所需參數(shù)是指根 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工井資料計(jì)算所需參數(shù)，包括：井眼尺寸，鉆具組合，井身結(jié)構(gòu)、井深、套管壓力、地 面溫度、地溫梯度、產(chǎn)出氣體相對(duì)密度、產(chǎn)出氣體相對(duì)分子量、節(jié)流閥開(kāi)度100 %時(shí)的過(guò)流直 徑、放噴管線內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的地層壓力計(jì)算方法，其特征在于計(jì)算每種開(kāi)度時(shí)的氣體質(zhì)量 流量和體積流量按下式 質(zhì)量流量計(jì)算公〕 體積流量計(jì)算公式流量與壓差的關(guān)系公式其中，QgS放噴管線內(nèi)的氣體體積流量;wg為放噴管線內(nèi)氣體的質(zhì)量流量；C為孔口的 形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定的系數(shù)；ε為可膨脹系數(shù)；A d為節(jié)流件開(kāi)孔直徑，即節(jié)流閥位 移傳感器讀數(shù)；β為直徑比；D為節(jié)流閥開(kāi)度為100%時(shí)的過(guò)流直徑；P 氣體的相對(duì)密 度；Ap為孔口兩端的壓降。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的地層壓力計(jì)算方法，其特征在于：氣體在井筒內(nèi)流動(dòng)時(shí)的井 底壓力計(jì)算公式如下：式中，Pd為井底壓力；Tg井深氣體的溫度；Ts井口溫度；G為溫度梯度；w g為氣體的質(zhì)量 流量；Dh為套管內(nèi)徑；D p為鉆柱外徑；P i為計(jì)算起點(diǎn)壓力；h i為計(jì)算起點(diǎn)的井深；λ為水力 摩阻系數(shù)；e為絕對(duì)管壁粗糙度；h為井深；Μ氣體的摩爾質(zhì)量；g為重力加速度；R為氣體常 數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的地層壓力計(jì)算方法，其特征在于：井噴時(shí)井底流壓與地層產(chǎn) 量滿(mǎn)足如下經(jīng)驗(yàn)公式：式中，匕為地層壓力；P d為井底壓力；Q為氣體體積流量；Κ、η為與地層性質(zhì)相關(guān)的常 數(shù)； 將至少三種不同開(kāi)度時(shí)的氣體體積流量與井底壓力帶入上式，整理得到如下方程組：其中，匕、Κ、η為未知數(shù)，通過(guò)聯(lián)合求解得到地層壓力匕。
【專(zhuān)利摘要】一種地層壓力計(jì)算方法，主要包括如下步驟：在節(jié)流管匯的節(jié)流閥上加裝位移傳感器，在其兩側(cè)加裝差壓傳感器；計(jì)算地層壓力計(jì)算所需的參數(shù)；調(diào)整節(jié)流閥閥門(mén)開(kāi)度至少為三種不同開(kāi)度；讀取每種開(kāi)度時(shí)的位移傳感器讀數(shù)和差壓傳感器讀數(shù)；計(jì)算該開(kāi)度時(shí)的氣體質(zhì)量流量和體積流量；計(jì)算每種開(kāi)度時(shí)的井底壓力；根據(jù)至少三種不同開(kāi)度時(shí)的氣體體積流量與對(duì)應(yīng)開(kāi)度時(shí)的井底壓力，計(jì)算井底地層壓力。本發(fā)明可確定氣體鉆井鉆遇高產(chǎn)氣流或井噴無(wú)法關(guān)井情況下的地層壓力，為隨后的施工方案的制定、壓井方法的選擇提供依據(jù)，適合現(xiàn)場(chǎng)使用。
【IPC分類(lèi)】G06F19/00, E21B47/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105715252
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410722542
【發(fā)明人】宋榮榮, 陳永明, 曹強(qiáng), 李曉, 燕修良, 王樹(shù)江, 朱煥剛, 公培斌, 趙鵬, 許強(qiáng), 許萍
【申請(qǐng)人】中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院