引言

随着勘探开发向深层、复杂地层的不断发展，窄安全密度窗口、喷漏同存等问题越来越突出，对钻井工艺和井控挑战更大^[1]。精细控压钻井是解决涌漏同存的窄密度窗口、易侵、易涌等复杂钻井问题的有效手段之一。精细控压钻井在井口施加一定的回压，可以实现井底过平衡、近平衡、欠平衡钻井。由于常规钻井的一、二、三级井控不适用于精细控压钻井，因此不能依据常规钻井的井控实施细则应用于精细控压钻井。同时精细控压钻井溢流检测和处理方法不同于常规钻井，有必要开展对精细控压钻井溢流检测的研究。本文分析了常规钻井溢流检测方法的优缺点，提出了适用于精细控压钻井的溢流检测方法，根据气液两相流理论建立适用于精细控压钻井气侵计算模型，分析了在不同井口回压下井筒含气率、出口流量和泥浆池增量的变化。通过比较分析，模拟结果和精细控压钻井实测结果相吻合，表明检测方法和计算模型能够为精细控压钻井发现和控制溢流提供理论支持。

1 常规钻井溢流检测方法 1.1 泥浆池液面检测法

泥浆池液面检测法主要检测泥浆池体积的变化，通过在泥浆池内安装液面检测仪，计算泥浆池体积的变化。由于泥浆液面气泡、泥浆池内液体的波动等影响，检测结果误差较大。泥浆工定期检测泥浆池液面的变化来监测溢流。图 1为气侵时，井筒气体运移到井口过程中，泥浆池液面检测法测得泥浆池总量的体积变化。井口测得总烃含量升高，但泥浆池总池体积变化无规律，波动较大。

1.2 返出钻井液流量检测法

当井底发生溢流，会导致环空循环体积增大，井口返出流量增加。常规钻井返出流量检测主要是在返出管线安装流量计，如质量流量计、体积流量计及累积流量计，来实现对井口返出流量的检测判断井筒溢流。但井口返出管线为不满管流动，流量计很难精确测量返出流量的变化，难以发现微量溢流^[2]。

1.3 立压观察法

井底发生气侵后，井筒环空钻井液混合密度降低，钻井液的性能及流变性发生改变，从而使井底压力下降，立压降低。

1.4 套压分析法

当井底气体以稳定的气侵量进入井筒时，井口套压基本稳定，但如果井底气体进气量大或在井口位置膨胀形成气柱时，井筒静液柱压力降低，从而井口套压升高。

1.5 综合录井参数分析法

综合录井测量的参数主要有：钻井液排量、立压、泵冲、迟到时间、电导率、钻井液出入口密度、钻井液总池体积、烃值、大钩载荷等。钻井中通过观察立压、钻井液总池体积、电导率、烃值、钻井液出入口密度等参数来综合判断井底是否发生溢流、地层进入井筒的流体性质等。

1.6 声波气侵早期检测

当井底气体侵入到井筒，气体在井筒环空中的分布为气液两相流。由声波传播理论可知，声波信号在液体中的传播速度高于气液两相流中的传播速度。根据声波在纯液体和气侵后气液两相流中的传播速度不同，来检测井筒进气大小^{[3, 4]}。声波气侵检测对压力波测量与谱分析技术复杂，且压力波受钻杆旋转影响较大。

1.7 井口装置改造

通过对井口装置进行加工，井口导管处旁边引出一个L型的支管将声纳测深装置安装在支管上面，只需要测量支管中的液面高度就能反映出导管中的液面高度从而实现深井、超深井溢流早期检测^[5]。

1.8 环空压力测量检测技术

环空压力测量技术包括随钻测井(LWD)和随钻压力测量(PWD)。LWD检测电阻率变化，及时发现地层出水情况。PWD能够实时监测井底压力变化，结合井筒水力学计算来实现对气侵的早期检测^[6]。但当井底进气后，随钻数据难以实时准确传输到地面，且PWD数据的传输受钻井参数影响较大。

1.9 智能钻杆检测技术

智能钻杆可以实现高速传输数据，进行大容量、实时、双向通讯，适用于常规钻井、欠平衡钻井和气体钻井。在智能钻杆上分布安装压力传感器，根据气侵模拟器模拟计算，分析判断井下发生气侵的大小，气液两相流流型等，实现气侵的早期检测^[7-9]。

2 精细控压钻井溢流检测方法

精细控压钻井通过控制策略，可以全自动精确控制井筒压力剖面，实现井底压力在设定的范围内变化。

中国石油钻井工程技术研究院研制的PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统，可实现自适应、快速响应、精确控制，已在塔里木、华北、川渝、冀东、大港、印尼等地区开展现场试验与应用18口井，已开始在国外推广应用。PCDSS-Ⅰ精细控压钻井系统实现了碳酸盐岩地层、窄密度窗口地层、深井高温高压复杂地层的安全高效钻井作业。

PCDSS-Ⅰ精细控压钻井系统安装了质量流量计，可以对井筒出入口流量进行实时监测。该系统可以实现井底恒压式和微流量两种控制方式，能够实现井底过平衡、近平衡和欠平衡钻井作业。

PCDSS-Ⅰ精细控压钻井溢流检测方法为：通过质量流量计实时测量井筒返出流量，与泵入量实时对比，从而确定井下事故类型。流入质量流量>流出质量流量时，井下发生漏失；流入质量流量 < 流出质量流量时，井下发生溢流。

当井底发生气侵时，出口流量大于入口流量，气体返出井口，通过节流阀后迅速泄压，流体以大段的气塞和液塞通过质量流量计，流量计示数会出现大幅度波动。

气体未返出地面流量计前，溢流累积量为

$\Delta {V} = \mathop \smallint \nolimits \left[{{Q_{{\rm{out}}}}\left( t \right)-{Q_{{\rm{in}}}}} \right]{\rm{d}}t $

(1)

式中：$Q_{\rm{in}}$——流入质量流量，kg/s；$Q_{\rm{out}}$——流出质量流量，kg/s；t——时间，s。

气体返出地面流量计后，溢流累计量根据泥浆池液面变化来计算累计溢流量。

3 精细控压钻井溢流模拟 3.1 数学模型

地层气体进入井筒后，井筒流动为气液两相流动^[10-12]，井筒流动遵循气液两相流动的连续性方程、动量方程和气体状态方程。

液体连续性方程

$\dfrac{\partial }{{\partial t}}\left[{{\rho _{\rm{m}}}\left( {1-\lambda } \right)} \right] + \dfrac{\partial }{{\partial z}}\left[{{\rho _{\rm{m}}}{v_{\rm{m}}}\left( {1-\lambda } \right)} \right] = 0 $

(2)

对于非产气层段，气体连续性方程为

$\dfrac{\partial }{{\partial t}}\left( {{\rho _{\rm{g}}}\lambda } \right) + \dfrac{\partial }{{\partial z}}\left( {{\rho _{\rm{g}}}{v_{\rm{g}}}\lambda } \right) = 0 $

(3)

对于产气层段，气体的连续方程为

$\dfrac{\partial }{{\partial t}}\left( {{\rho _{\rm{g}}}\lambda } \right) + \dfrac{\partial }{{\partial z}}\left( {{\rho _{\rm{g}}}{v_{\rm{g}}}\lambda } \right) = Q_{\rm{g}} $

(4)

气液两相的动量方程

$\dfrac{\partial }{{\partial t}}\left[{{\rho _{\rm{m}}}{v_{\rm{m}}}\left( {1-\lambda } \right) + {\rho _{\rm{g}}}{v_{\rm{g}}}\lambda } \right] + \\[8pt]{\kern 41pt}\dfrac{\partial }{{\partial z}}\left[{{\rho _{\rm{m}}}v_{\rm{m}}^2\left( {1-\lambda } \right) + {\rho _{\rm{g}}}v_{\rm{g}}^2\lambda } \right] + \\[8pt]{\kern 41pt}\dfrac{{\partial p}}{{\partial z}} + %\dfrac{{{\tau _0}p}}{A} {\left( {\dfrac{{\Delta p}}{{\Delta z}}} \right)_{\rm{f}}}+ \left[{{\rho _{\rm{m}}}\left( {1-\lambda } \right) + {\rho _{\rm{g}}}\lambda } \right]{\rm{g}} = 0 $

(5)

3.2 溢流模拟

当井底以恒定的进气速度进气时，不同的井口回压对井筒含气率、泥浆池增量和出口返出的影响不同。设井深5 500 m，钻井液排量为10 L/s，井底进气量为100 m³/d，井口不同回压时钻井参数变化如图 2、图 3和图 4所示。

图 2为井口不同回压下，井筒含气率的变化，不同的井口回压状态，1 000 m以下井段含气率基本保持不变。井口到1 000 m位置处，气体膨胀，井口回压越大，井筒含气率越低。

图 3为井口不同回压下，出口流速的变化。由图可知，气体由井底运移到井口需要65 min，气体从进入井底到55 min时，井口钻井液出口流量基本不变。在55$\sim$65 min，井口钻井液流量有明显增加，井口回压越小，出口流量越大。

图 4为井口不同回压下，泥浆池增量的变化。在55$\sim$65 min内泥浆池增量迅速增大，井口回压越小，泥浆池增量越大。

气体由井底运移到井口过程中，在井底到1 000 m位置，气体基本不膨胀，井口出口流量不变，泥浆池增量变化较小；当气体运移到井筒1 000 m以内，气体膨胀，井口出口流量增加，泥浆池增量增加。井口回压越大，出口流量和泥浆池增量变化越小。出口发现溢流到气体运移到井口只有10 min，井口回压越大，越不容易发现溢流。

4 工程应用实例

塔中某井，设计完钻井深5 355 m，设计造斜点在3 890 m，井眼采用直-增-稳-平结构，设计水平段长998 m，最大井斜角87.99°，设计二开中完井深4 248 m，三开用6 5/8″(168.3 mm)钻头钻进。4 307 m处使用精细控压钻井技术钻进。

根据井筒两相流连续性方程、动量方程和该井的实钻参数模拟井底进气后出口流速的变化，如图 5所示。井底发生气侵45 min后出口流速有明显增加，在59 min时井筒气体返到地面。

图 6为精细控压钻井实测出口和入口流量变化，在5：57分时井口出口流量增加，井口回压2.3 MPa，钻头位置4 999.88 m，入口排量为10 L/s，立压为21.5 MPa，钻井液密度1.17 g/cm³，在6：07时，井筒气体运移到井口，流量计检测到气体通过，质量流量计示数剧烈波动。该实测数据和图 5红色方框内模拟结果相吻合，说明模拟结果的正确性。

5 结论

(1) 根据精细控压钻井工艺流程，提出了精细控压钻井溢流检测方法，该方法可以快速、微流量、发现溢流并检测累积溢流量。

(2) 根据井筒气液两相流模型，建立了井筒气侵计算模型，对气侵后不同回压下井筒含气率、出口流量和泥浆池增量进行模拟分析。

(3) 通过实例试验验证，该检测方法具有可行性和可靠性。

符号说明

$Q_{\rm{in}}$——流入质量流量，kg/s；$Q_{\rm{out}}$——流出质量流量，kg/s；t——时间，s；$\rho _{\rm{m}}$——钻井液密度，kg/m³；$\lambda$——含气率，%；z——长度，m；$v _{\rm{m}}$——钻井液速度，m/s；$\rho _{\rm{g}}$——气体密度，kg/m³；$v _{\rm{g}}$——气体真实速度，m/s；$Q _{\rm{g}}$——井底进气速度，kg/(m$^3\cdot$s)；p——节点压力，Pa；%$\tau _0$——流体与管壁之间的剪切力，N/m²。${\left( {\dfrac{{\Delta p}}{{\Delta z}}} \right)_{\rm{f}}}$——气液流动在井筒中的循环压耗，Pa/m；g——重力加速度，g=9.8 m/s²。