一种计算油气上窜速度的新方法及应用

刘 鹏

（大庆钻探工程公司地质录井二公司录井分公司，黑龙江 大庆 138000）

1 概述

目前现场采用的方法是根据经验来获取迟到时间的大小，然后通过迟到时间法来计算油气上窜速度，这种经验法缺乏理论依据，而且每个人对于这种经验的理解不同，直接导致计算结果偏差很大，最重要的是无法保证后续施工的安全，尤其是在短程提下钻后计算油气上窜时，因为静止时间短，导致计算结果偏大，从而开始怀疑计算结果的正确性。

对此，本文提出了累计泵冲差值法，这种方法不必考虑泥浆泵的排量，也不必考虑迟到时间的大小，能够准确计算油气上窜的速度。

2 传统计算油气上窜速度的方法

目前已知的两种计算油气上窜速度的方法分别是迟到时间法和和容积法。

2.1 迟到时间法

迟到时间法计算公式为：

式中：v——油气上窜速度，m/h；

H油——推测油气层顶界深度，m；

H钻——钻头位置所在深度，m；

t见——见到油气显示的时间，min；

t开——开始循环的时间，min；

t迟——钻头所在位置的迟到时间，min；

t静——从上次起钻停止循环到本次开泵之间的静止时间，h。

这个公式使用的前提是在理想状态下，以前钻井技术不够发达，井一般比较浅，井下环境没有现在复杂，泥浆泵能够快速提升到指定的排量，这样根据见到显示花费的时间和迟到时间相比对就可以计算出油气所在的深度，然后根据已知油气层的深度即可算出油气上窜的速度。这种方法要求泥浆泵排量一定，钻头所在位置的迟到时间一定，显然不适用于现在的井下环境。

2.2 容积法

容积法的计算公式：

式中：v——油气上窜速度，m/h；

H油——推测油气层顶界深度，m；

t见——见到油气显示的时间，min；

t开——开始循环的时间，min；

t静——从上次起钻停止循环到本次开泵之间的静止时间，h；

Q排——泥浆泵排量，m3/min；

V环——单位长度环空体积，m3/m。

这个公式应用的前提一样是在理想化条件下，泥浆泵以一定的排量循环，然后代入公式即可，但是显然在当前的施工作业中，泥浆泵的排量首先就是不能固定的，所以这个公式也不适用于现在的井下环境。

不管哪种方法，都需要泥浆泵的排量一定，尤其是迟到时间法，如果以小排量循环持续很长时间，那么必然使计算结果偏大，所以无论采用传统的哪种方法都不能准确计算出油气上窜速度。

3 累计泵冲差值法计算油气上窜速度

3.1 累计泵冲差值法的原理和应用条件

3.1.1 原理

累计泵冲差值法的原理是：根据泥浆泵单冲排量不受循环总排量大小的影响，环空容积大小与泥浆泵单冲排量、循环累计泵冲数有一一对应的关系，通过累计泵冲来计算出相对应的环空体积，再根据单位长度环空体积计算出油气上窜的高度（受污染的环空长度），进而得出油气上窜的速度。当前的录井条件已经有了很大改善，基本上所有的综合录井仪都能随时准确计算出累计泵冲数，然后用累计泵冲数乘以泥浆泵的单冲排量就可以得出对应的环空体积。

3.1.2 应用条件

应用该方法的第一个前提是我们清楚井下的情况，也就是裸眼段井眼的扩大系数，这个扩大系数是可以实测出来的，每次实测迟到时间时把实测结果与理论结果相比对就可以计算出井眼扩大系数。

第二个前提是我们要确定泥浆泵上水效率的大小，因为泵效直接决定泥浆泵的单冲排量大小，并且这个参数可能会发生变化，不过我们只要在测油气上窜之前确定其准确性即可。

3.2 累计泵冲差值法的计算方法和好处

3.2.1 计算方法

累计泵冲差值法公式：

式中：v——油气上窜速度，m/h；

S油——油气层顶界循环到井口所需要的累计泵冲数，冲；

S见——见到油气显示时的累计泵冲数，冲；

Q单——泥浆泵的单冲排量，m3/冲；

V环——单位长度环空体积，m3/m；

t静——从上次起钻停止循环到本次开泵之间的静止时间，h；

D裸——裸眼直径（经过扩大系数校正后的直径）；

d具——钻具外径。

具体的方法是：首先我们确定油气层顶界的深度，然后根据油气层顶界深度计算出该深度循环到井口所需要的总泵冲数S油；

之后在循环时观察见到油气显示时的累计泵冲数S见，二者之差即为受油气上窜污染的环空在循环时所需要的总冲数；

然后用这个总冲数乘以泥浆泵的单冲排量Q单即可得出受油气上窜污染的环空体积；

再除以单位长度环空体积V环计算出油气上窜的高度；

最后除以静止时间t静得出油气上窜速度。

3.3 累计泵冲差值法的关键参数及注意事项

3.3.1 计算单位长度环空体积

首先是单位长度环空体积的计算：公式（3）中V环的计算在不同的情况下需要具体分析，但都是可以实际计算出来的，一般情况下只需要根据裸眼直径（使用准确的井径扩大率校正后的直径）和钻杆外径计算即可，只有在特殊情况下需要考虑钻铤直径和上层套管的内径，比如油层离钻头位置较近或者油气上窜到上层套管内部。如果油气层顶界距离钻头位置小于钻铤的长度，则计算时可以先计算从油气层顶界到钻铤顶界之间的环空对应的泵冲数，然后将这部分泵冲数减去之后在按照钻杆的外径来计算V环，最后再把油气层顶界到钻铤顶界之间的长度加到油气上窜高度中即可。

3.3.2 读准“见到油气显示时刻”

其次是要注意“见到油气显示时刻”的读取，笔者查阅了有关论文，大家对于“见到油气显示时刻”并没有明确的定义，有的说在全烃曲线偏离基值的拐点处，有的说在基值的2～3 倍处，有的说在高峰处，说法不一，这直接造成计算结果出现严重偏差，对于全烃峰窄的情况下影响稍小一些，但是对于起峰慢、甚至出现平峰与多峰的情况就会出现混乱状态，因为这个时间的读取对于计算结果有着非常大的影响。

3.3.3 严格执行实测迟到时间的要求

使用该方法的最重要的一个前提就是要清楚井下的情况，所以在钻进过程中严格按照要求实测迟到时间非常重要，不仅要实测，还要在每次实测时对比理论迟到时间，以此来确定井眼的状况，最终确定下来井眼的扩大系数。

4 累计泵冲差值法的实际应用

XX1 井是一口风险探井，二开完钻后需要进行下套管作业，由于下套管作业时间较长，为了保证施工安全，需要预留足够的安全时间，所以在通井后进行短起下钻测油气上窜速度。本节分别讲述应用传统方法和累计泵冲差值法的计算过程和结果，来检验累计泵冲差值法的适用性。

4.1 基本数据

XX1 井二开完钻井深4910m，短提下钻到底，钻头位置：4905m，12:37 开始循环，泥浆泵单冲排量Q单为0.013522m3/冲，初始泵冲为23冲/min，之后缓慢提升泵冲，在16:45达到300冲/min，全烃基值为750ppm，16:40全烃值达到1300ppm，有明显提升，17:08全烃达到峰值1899ppm，此时累计泵冲为51634 冲，17:52 后效结束。由于缓慢提升泵冲导致迟到时间无法确定，所以根据经验法——后效峰值与后效结束点之间取半幅点位置（C 点位置，对应时间为17:26）距离开泵的时间为迟到时间，确定迟到时间为289min，自从提钻到本次循环之间的静止时间为7.4h，预测油气层深度为4734m。

4.2 根据迟到时间法计算油气上窜速度

计算过程：由基本数据可知油气层顶界深度H油为4734m，钻头位置H钻为4905m，开泵时间t开为12:37，见到油气显示时间t见为16:40，所以t见-t开=243min，迟到时间t迟为289min，静止时间t静为7.4h。

将上述参数代入公式（1）中：

从计算结果上看82.4m/h 的上窜速度显然是不合理的，完全错误。全烃最高值为0.1899%（1899ppm），由全烃峰值可以看出地层中没有什么能量，气值很低，不可能有如此之高的油气上窜速度，这种计算结果会给施工带来严重的错误指导。

4.3 根据累计泵冲差值法计算油气上窜

4.3.1 计算过程

由基本数据可知油气层顶界深度H油为4734m，根据井身结构和钻具组合，结合正常钻进过程中实测迟到时间的结果，确定在当前钻具组合下4734m 处泥浆循环至井口所需要的总泵冲数S油为54150 冲，泥浆泵单冲排量Q单为0.013522m3/冲，静止时间t静为7.4h，经过对比钻进时实测迟到时间和理论迟到时间得出本井井眼扩大系数为5，根据裸眼直径和钻具外径计算出单位长度环空V环为0.154m3/m，最后剩下一个最关键的参数S见，根据之前所述，应该将见显示时刻选在全烃曲线峰值的拐点位置，也就是B点位置（时间为17:08），所以S见应为51643冲，将S油、S见、Q单、V环、t静代入到公式中：

4.3.2 效果

本井通过累计泵冲差值法完美地解决了这种气值特别低、油气上窜计算结果还特别高的问题，29.7m/h的油气上窜是符合后续工况的要求的，避免了二次短提测后效的麻烦，节省了施工时间，为后续下套管提供了理论保障。

5 结论

（1）随着勘探程度的提高，对深井、超深井的需求越来越大，裸眼段越来越长，井下的情况也越来越复杂，这势必会出现频繁的起下钻工序，为了后续施工的安全，要求油气上窜的计算必须准确，传统的迟到时间法和容积法已经无法适应当前的井下环境。

（2）累计泵冲差值法计算油气上窜速度需要的关键参数少，并且可以有依据地确定下来，现场人员在运用这个方法的时候不容易受到人为因素的干扰，出现差错的几率小，计算结果的误差也较小，完全能胜任当前钻井技术下的复杂井况，具有在全国油气田推广的价值。