关于起钻时安全油气上窜速度中后效取值的探讨
摘 要：分析了天然气气泡在井筒中的受力情况和运动规律，当气体在井筒中的体积分数较小时，井筒内流体不会形成搅动流和环状流，气体不会形成气团和气柱，不会造成井控风险；计算了分散气泡在清水中的最大容量，并以此为依据确定了起钻时计算油气上窜速度的合理后效取值，为实际钻井施工提供了理论依据。
关键词：后效；天然气运动规律；油气上窜速度；井控
0 前言
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/T6426-2016、石油天然气安全规程AQ2012-2007中并未在起钻前有如此规定，且所有规范中未对什么条件达到影响井控安全的油气后效进行说明。近几年的生产管理统计结果表明，这些规定并未有效起到防止出现井涌溢流等复杂情况及事故，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。因此有必要对起钻前油气上窜速度中后效合理取值进行探讨。
1 天然气在井筒中的运动规律[1-4]
天然气在储层中根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），如图1所示。
因此，天然气气泡受力情况可表示为：
（1）
式中：
F窜-气泡所受上窜力，N；
F浮-气泡所受浮力，N；
G-气泡所受重力，N；
N界面-气泡所受界面张力，N。
其中，F浮应遵循阿基米德定律，即：
（2）
式中：
ρm-钻井液密度，kg/m3；
g-重力加速度，g/m·s-2；
r-气泡半径，m。
气泡所受重力为：
（3）
式中：
ρG-天然气密度，kg/m3。
界面张力与钻井液结构强度及气泡表面积有关：
（4）
式中：
K-钻井液结构强度，N/m2。
由式（1）可知，当两相密度差产生的上浮力大于界面张力时，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。
对直井而言，在井底发生较小量的气侵时，溢流气体会以氣泡形式存在于井底，在此情况下，一般形成泡状流，当发生大量气侵时，气泡会向上运移形成段塞流，当侵入量更大时，便会在环空中形成环状流。在往上运移过程中，气泡之间也会相互融合，膨胀，形成不同的流态，如图2所示。
当气相含量较低时，液相为连续相，气体以微气泡形式分布在连续的液相中，随着侵入井筒的气体增多，气体上移速度增加，井筒内气泡浓度增大，小气泡逐渐聚集变为大气泡气体，从而转变为段塞流。研究表明，当气体体积分数大于或等于0.25，分散的气泡将聚合成大的泰勒气泡并转化为段塞流。因此将气体体积分数0.25作为泡状流向段塞流转变的临界点。
在液体段塞中，当处于气泡之间的连续流体被相对浓度较高气相所破坏时，段塞中的液体就向下滑落、聚集，形成一个临时的连续相，紧接着液相又被气相托举上升，这种液相的运动方向交替变化的流动就是典型的搅动流。Hasan等人认为当气相体积分数大于0.55时，将不会出现段塞流，不可能观察到气泡，流动处于搅动流状态。
当井筒中两相流型处于段塞流时，就表明已经开始形成连续的气团和气柱，即可能造成液面上涨和井控风险。
2 分散气泡在清水中的最大容量计算
表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。由于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此空气中的小液滴往往呈圆球形状。在1个大气压下，设天然气在水中的最大气泡半径为r，根据25℃理论纯净水的（下转第238页）（上接第236页）表面张力系数为 72 mN/m及在0℃及1个大气压条件下天然气的密度为0.7174kg/m3，计算天然气泡在水中的最大体积为：
（5）
计算得出：r≤0.2854×10-2 m。
即每个气泡的半径小于0.2854×10-2 m时，气泡将因水的表面张力被束缚在气泡内而不会聚集。
天然气井钻井过程中录井仪器取样标准面为200mm的圆，按照整个圆面含有最多气泡，每个气泡是一个边长为气泡直径的立方体内切球，计算近似最大体积百分比为：
4×π/3×（0.2854×10-2）3/（0.2854×2×10-2）3× 100%=52.33%
据此得出结论：在25度、一个大气压下，清水中含有天然气体积百分比小于52.33%时，无外力作用下天然气将以分散气泡的形式存在于清水中，不会形成气团、气柱，与Hasan等人的研究结果相符。
3 起钻前的油气上窜速度求取时后效合理取值的确定
钻井施工中一般采用钻井液为循环介质，钻井液是一个液体和固相颗粒组成的混合流体，其表面张力大于清水，也即是说天然气在钻井液中形成气柱的体积百分比小于清水；取钻井过程中安全系数为4.2，计算得天然气在钻井液中不形成气团、气柱的安全值为12.46%，即全烃值小于12.46%时，气体在井筒中以分散气泡的形式存在，不会构成井控风险，以全烃值12.46%来计算油气上窜速度即能满足起下钻要求，又能保障井控安全。
而实际钻井施工中，满足安全起下钻作业，通过短程起下钻求取出的后效高峰值最大达到99%，但无液面上涨完全符合。
4 结论
①天然气气泡在井筒中不断上移，当其体积分数达到一定程度后才会聚集成气团和气柱，造成井控风险；②当全烃值小于12.46%时，气体在井筒中以分散气泡的形式存在，全烃值12.46%来计算起钻时的油气上窜速度比较合理；③钻井施工中，应提高对后效的认识，准确分析，保证井控安全。
参考文献：
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[4]潘前林.油气上窜速度计算方法的探讨[J].录井技术，1999，10（4）：37-38.
作者简介：
程观华（1975- ），2000年毕业于西南石油大学，现主要从事钻井技术管理工作，工程师。