減小硬關(guān)井水擊問題探討

蔡金亮(重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331)

溢流硬關(guān)井時通常發(fā)生水擊現(xiàn)象，這是由于井內(nèi)鉆井液具有慣性及壓縮性等特點。當(dāng)選擇硬關(guān)井時，閘板防噴器瞬間關(guān)閉，鉆井液依舊維持原有的運動狀態(tài)，導(dǎo)致井筒內(nèi)壓力急劇改變，產(chǎn)生水擊。如果水擊壓力過大，不僅能夠損毀井口設(shè)備，壓力向下傳播也有可能壓漏地層，給溢流壓井帶來更嚴(yán)重問題。因此，鉆井中尤其重視井口及地層薄弱處的受水擊影響情況。目前，還未見到較好的處理硬關(guān)井中水擊壓力的措施，大多采用軟關(guān)井來減緩水擊壓力的破壞，但軟關(guān)井作業(yè)時間較長，井內(nèi)將侵入更多的流體。而硬關(guān)井具有關(guān)井時間短，操作簡便。通過采用其他技術(shù)手段減少硬關(guān)井時的水擊壓力，將會極大降低井控風(fēng)險，有利于后續(xù)的壓井施工。

1 影響水擊壓力大小的因素

探討水擊壓力大小首先要先研究水擊波速。常規(guī)水擊波速公式考慮了固體顆粒、液體及氣體含量，管道彈性尺寸、模量和撓度等因素。水擊波速計算公式[1]為:

式中：E1、Es、Eg分別為液體、固體和氣體的彈性模量；Cs、Cg分別為固體和氣體的百分含量；D為管道內(nèi)徑；δ為管壁厚度；am為水擊波速。

由水擊波速公式可知，不同性質(zhì)的泥漿在井內(nèi)傳播速度不同，井內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越大波速越??；固相體積分?jǐn)?shù)越大波速也越大；套管彈性模量越大波速越小。

直接水擊壓力的計算公式：

式中：vm0為初始出口流速；ρ為泥漿密度。

由水擊壓力計算公式可以看出，水擊壓力的大小與泥漿密度、井口流速和水擊波速直接相關(guān)。井口初始流速越大，關(guān)井時水擊壓力越大，水擊波速越大水擊壓力越大。該水擊壓力計算式反映的只是井口處最大水擊壓力，與時間參數(shù)無關(guān)。

2 減小水擊壓力的方法

由于硬關(guān)井能在在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的水擊壓力，對井控產(chǎn)生不利影響。因此采取必要措施減小水擊壓力產(chǎn)生的危害，才能保證后續(xù)井控作業(yè)的順利進行。

2.1 延長閥門的關(guān)閉時間

適當(dāng)延長井口閥門的關(guān)閉時間可以有效減小水擊壓力[3]，這在油氣運輸管道中廣泛采用。石油鉆井中采用的軟關(guān)井方式其實就是延長閥門關(guān)閉時間較小水擊壓力的一種方法。軟關(guān)井時，節(jié)流閥由半開到全關(guān)再到關(guān)閉平板閥，井口流量逐漸減小，水擊壓力大為降低，關(guān)井相對安全。

2.2 溢流氣體早發(fā)現(xiàn)

及早發(fā)現(xiàn)溢流，尤其是氣體溢流，可以減少關(guān)井時井口的流速，降低水擊壓力。我國目前溢流監(jiān)測大多采用泥漿液面觀測，其精度不高，發(fā)現(xiàn)溢流較遲。當(dāng)關(guān)井操作時噴勢往往較大，這時如果采用硬關(guān)井，井口將承受較大的水擊壓力，對井控安全不利。如果能夠做到溢流的早發(fā)現(xiàn)，一旦溢流發(fā)生立即關(guān)井，這時井口流速不大，即使采用硬關(guān)井也不會產(chǎn)生較大水擊壓力。

2.3 適當(dāng)增大鉆井液粘度

通過分析水擊壓力控制方程，增加泥漿粘度可以減小水擊壓力。但泥漿粘度的增加要根據(jù)實際情況做適當(dāng)調(diào)節(jié)，如果粘度過高會導(dǎo)致泥漿井筒內(nèi)摩阻升高井內(nèi)壓力增加，同樣給井控安全帶來隱患。

2.4 空氣罐減小水擊壓力

在井口裝置上加裝空氣罐是目前研究較多的減小水擊壓力的方法?？諝夤轠2]的原理類似于泥漿泵上面的空氣包。空氣罐內(nèi)裝有一層較高壓力的壓縮空氣，下層與鉆井泥漿接觸。當(dāng)采用硬關(guān)井時，井口壓力激增，泥漿進入空氣罐壓縮里面的帶壓空氣，同時消耗一部分水擊能量，當(dāng)負(fù)壓波至空氣罐內(nèi)時，壓縮空氣向外做工，抵消這部分水擊壓力，如此反復(fù)達到減小硬關(guān)井水擊壓力的效果。但這種方法尚未見到應(yīng)用試驗，其適用性有待后續(xù)研究。

圖1 帶空氣罐的井口裝置圖

3 結(jié)論與建議

3.1 硬關(guān)井水擊壓力的大小受井口流量和水擊波速的影響較大，減小水擊壓力應(yīng)從降低這兩個參數(shù)入手。

3.2 延長閥門關(guān)閉時間和增大泥漿粘度都有其局限性。延長閥門關(guān)閉時間有可能導(dǎo)致氣體進一步侵入井內(nèi)，增加泥漿粘度會導(dǎo)致井內(nèi)摩阻阻力增加，這些都不利于井下安全。

3.3 溢流的早發(fā)現(xiàn)有待溢流監(jiān)測技術(shù)手段的提高，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下應(yīng)當(dāng)加強人員的管理和關(guān)井操作的熟練程度，避免過大溢流量和井口操作導(dǎo)致的壓力劇烈波動。

3.4 空氣罐可以較好的解決硬關(guān)井水擊問題，但現(xiàn)實生產(chǎn)中并未廣泛得到應(yīng)用。應(yīng)繼續(xù)加強和完善相關(guān)方面的研究，盡早在全國推廣。

[1]駱發(fā)前,何世明等.硬關(guān)井水擊問題及減小水擊措施的探討[J].石油鉆采工藝.2006,28（3）:68-70.

[2]李欽華.水擊現(xiàn)象與水擊消除器[J].石油庫與加油站.2005,14（4）:34-36.

[3]李榮,何世明.溢流關(guān)井水擊壓力的計算及結(jié)果討論[J].西南石油學(xué)院學(xué)報.2005,27（2）:37-40.