林雍森

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局，上海 200120）

深水井控中地層呼吸效應(yīng)的識(shí)別與處理探討

林雍森

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局，上海 200120）

摘 要：在海洋深水海域，由于其沉積環(huán)境的特殊性而使得地層比較脆弱，表現(xiàn)為地層孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口比較窄，在實(shí)施鉆探作業(yè)過程中當(dāng)循環(huán)當(dāng)量鉆井液密度接近于地層破裂壓力而超過井周地層的閉合鉆井液密度當(dāng)量，就會(huì)形成地層呼吸效應(yīng)，即正常鉆進(jìn)保持循環(huán)時(shí)部分鉆井液進(jìn)入井眼附近地層，在接立柱停止循環(huán)時(shí)這部分鉆井液回吐而觀察到溢流，從表象上難以判斷是地層回吐還是真正發(fā)生了溢流，需要頻繁使用司鉆法循環(huán)出溢流來確認(rèn)，這給井控作業(yè)增加額外時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)。此文分析了深水地層呼吸效應(yīng)的形成機(jī)理，闡述在深水鉆井中如何識(shí)別與判斷地層呼吸，提出相應(yīng)的技術(shù)措施，為深水鉆井作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：海洋鉆井；深水；井控；井涌；地層呼吸

海洋深水的油氣勘探一般位于大陸坡及其外緣，其沉積環(huán)境與海洋淺水區(qū)有很大區(qū)別[1]，使得深水鉆井作業(yè)的實(shí)施面臨著不穩(wěn)定海床、地層破裂壓力低、淺層氣、淺水流層、海底低溫而致天然氣水合物易于形成和鉆井液性能突變等多方面的挑戰(zhàn)[2-3]。在海洋深水鉆井中一般都使用配備海底防噴器組的鉆井船或深水半潛式鉆井平臺(tái)等浮式鉆井裝置，連接海底井口防噴器組到地面間的壓井和阻流管線長(zhǎng)，相應(yīng)地當(dāng)鉆井液通過其間時(shí)，沿程的摩阻引起的壓力損耗就比較大，這部分壓耗在壓井作業(yè)就不能象在淺水區(qū)那樣忽略不計(jì)[4]；而深水沉積環(huán)境中存在著海底地層承受的上覆海水密度遠(yuǎn)小于巖石密度等特殊性，從而使得深水海底地層比較脆弱，直接的表現(xiàn)就是在深水環(huán)境下實(shí)施鉆井作業(yè)時(shí)，裸眼井段的地層孔隙壓力和破裂壓力之差值?。ㄒ嗉础按翱谡保?，允許的井涌余量小，鉆井液井眼壓力控制，確保作業(yè)安全，特別需要基于溢流的早期監(jiān)測(cè)與發(fā)現(xiàn)開展相應(yīng)研究，配套必要手段，并在發(fā)現(xiàn)溢流時(shí)選擇合適關(guān)井方法和壓井方法，同時(shí)制定好預(yù)防水合物產(chǎn)生的應(yīng)對(duì)措施等。

由于深水環(huán)境中地層孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口比較窄，地層比較脆弱，當(dāng)循環(huán)當(dāng)量鉆井液密度接近于地層破裂壓力，超過地層閉合鉆井液密度當(dāng)量，就會(huì)形成地層呼吸效應(yīng)，即出現(xiàn)正常鉆進(jìn)保持循環(huán)時(shí)部分鉆井液進(jìn)入井眼附近地層、在接立柱停止循環(huán)時(shí)這部分鉆井液回吐而觀察到溢流。這從表象上很難判斷是地層回吐還是真正的出現(xiàn)了溢流，需要頻繁使用司鉆法循環(huán)出井底的鉆井液來加以分析確認(rèn)，這增加了額外的井控作業(yè)時(shí)間，對(duì)于真正的天然氣溢流這樣做的風(fēng)險(xiǎn)也非常大。井控是鉆井安全的關(guān)鍵[5]，為了確保深水鉆井作業(yè)安全，需要對(duì)地層回吐與真正的溢流進(jìn)行甄別判斷，因此掌握識(shí)別深水地層呼吸效應(yīng)并制定出預(yù)防技術(shù)措施也就顯得非常必要。

1　深水地層呼吸效應(yīng)的形成機(jī)理

地層呼吸效應(yīng)描述的是這樣一種現(xiàn)象，即在鉆井過程中正常循環(huán)時(shí)由于循環(huán)摩阻等因素，使得當(dāng)量循環(huán)鉆井液密度(簡(jiǎn)稱ECD)接近于地層破裂壓力而超過井周地層的閉合ECD時(shí)，鉆井液進(jìn)入井周附近地層而產(chǎn)生一定漏失量，在停止循環(huán)而ECD降低時(shí)，漏失的鉆井液回吐、重新進(jìn)入井眼而產(chǎn)生一定增量，出現(xiàn)類似溢流的現(xiàn)象。在不同的ECD作用下，地層誘導(dǎo)形成的微裂縫或原生微裂縫的開啟與關(guān)閉可以解釋這一現(xiàn)象背后的基本機(jī)理（圖1），地層誘導(dǎo)形成的微裂縫或原生微裂縫。

圖1　地層誘導(dǎo)形成的微裂縫或原生微裂縫

一般地，地層埋深越深、所承受的上覆壓力越大，其壓實(shí)程度越好，相應(yīng)地其破裂壓力也就越大；而在海洋深水環(huán)境中，由于海水密度遠(yuǎn)小于巖石密度，海底沉積巖層缺乏足夠的上覆巖層壓力，對(duì)于以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn)的相同深度的地層，其所承受的上覆壓力要低得多，而且是海水越深，地層所受到的壓力越低，相應(yīng)的其破裂壓力也就越小，導(dǎo)致深水環(huán)境下地層孔隙壓力和破裂壓力間的差值遠(yuǎn)小于同深度的淺水地層，使得所用鉆井液可調(diào)節(jié)的密度范圍非常有限，也就是說安全密度窗口比較窄。隨著水深的增加，井控操作時(shí)所允許的井涌余量、最大允許關(guān)井套壓以及隔水管鉆井液安全增量相應(yīng)減小，而且水越深，海底下的地層越疏松，上述井控操作參數(shù)的余量越小。因此，在深水環(huán)境進(jìn)行鉆井作業(yè)，地層容易產(chǎn)生地層呼吸效應(yīng)。

在鉆井過程中發(fā)生地層呼吸或裂縫開啟與關(guān)閉的基本機(jī)理是地層裂縫的產(chǎn)生與傳播，當(dāng)在井筒中鉆井液循環(huán)產(chǎn)生作用于井底的壓力（ECD）超過或等于地層裂縫傳播的壓力（FPP）時(shí)，就會(huì)形成穩(wěn)定的徑向裂縫，鉆井液同時(shí)漏入其中。

當(dāng)關(guān)閉泥漿泵停止循環(huán)ECD小于FPP時(shí)，地層水平地應(yīng)力迫使裂縫閉合，從而使得漏入裂縫中的鉆井液返回井筒。這樣只要存在穩(wěn)定的徑向裂縫，每次循環(huán)時(shí)ECD超過FPP，就會(huì)漏失一定量的鉆井液，而當(dāng)停泵ECD小于FPP時(shí)漏失的泥漿又返回，地層呼吸效應(yīng)見圖2。

如果ECD超過FPP足夠大，形成的裂縫變?yōu)椴环€(wěn)定而產(chǎn)生更大的延伸，將發(fā)生更大的鉆井液漏失。

2　地層呼吸效應(yīng)引起的問題

在深水鉆井中，發(fā)生地層呼吸現(xiàn)象時(shí)，在井底鉆井液沒有返出井口之前很難有效判斷是地層呼吸還是井涌，且很多井在鉆井過程中發(fā)生地層呼吸這一現(xiàn)象時(shí)只能采取關(guān)井，根據(jù)關(guān)井立管壓力加重鉆井液，進(jìn)而通過阻流管匯、有控制地將井底鉆井液循環(huán)出井口，檢查返出流體來判定是否出現(xiàn)了真正的井涌。

圖2　地層呼吸效應(yīng)

這種通過關(guān)井分析關(guān)井壓力，把井底循環(huán)出井口以檢查是不是真正的地層流體侵入，從而判定是地層呼吸還是井涌的做法，是很浪費(fèi)時(shí)間的。即使不考慮處理地層呼吸浪費(fèi)的時(shí)間，但總是把這一現(xiàn)象當(dāng)作井涌處理將產(chǎn)生惡性循環(huán)，因?yàn)樵僭黾鱼@井液密度將引起更嚴(yán)重的地層呼吸效應(yīng)，而且當(dāng)鉆井液密度增加超過地層的破裂壓力極限將壓漏地層，引發(fā)更嚴(yán)重的后果。

3　地層呼吸效應(yīng)的識(shí)別

由于深水地層的特殊性，在鉆井過程中循環(huán)時(shí)發(fā)生鉆井液漏失，停泵后漏失的鉆井液又回吐返回井筒，即所謂地層呼吸現(xiàn)象。地層呼吸現(xiàn)象中地層返出量與時(shí)間關(guān)系是有規(guī)律可循的，地層返出量達(dá)到一定量后就不會(huì)繼續(xù)增加，返出量與時(shí)間關(guān)系見圖3。

在鉆井作業(yè)過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溢流時(shí)將不得不決定如何處理溢流。首先必須考慮侵入量的大小、關(guān)井立壓、裸眼的破裂壓力、天氣等幾個(gè)因素，具體要明確以下幾方面事項(xiàng)，以判斷是地層呼吸還是真正的溢流：

（1）之前，地層一定發(fā)生漏失；

（2）每次接立柱時(shí)從地層返回的量都差不多；

（3）返出量逐漸減少；

（4）關(guān)井立壓值與套壓值大致相等；

（5）關(guān)井立壓值不超過循環(huán)時(shí)環(huán)空摩阻損失；

（6）只要放出很少體積的泥漿，關(guān)井壓力就隨之減小。

圖3　返出量與時(shí)間關(guān)系

在深水鉆井作業(yè)中，許多情況下都是使用司鉆法壓井，以便邊開始準(zhǔn)備加重鉆井液時(shí)邊開始循環(huán)，得到更好的處理壓力范圍。這里，第一個(gè)要做的決定就是評(píng)估溢流是真的井涌還是地層呼吸效應(yīng)引起的。決策樹（圖4）可以用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)。

4　預(yù)防地層呼吸效應(yīng)的技術(shù)措施

在海洋深水鉆井中，由于深水沉積環(huán)境的特殊性，使得海底地層孔隙壓力和破裂壓力間的差值比較小，使用的鉆井液可調(diào)節(jié)安全窗口比較窄，因此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地層孔隙壓力、破裂壓力、復(fù)雜地層及目的層位，以確定合理的井身結(jié)構(gòu)，保證能夠鉆到設(shè)計(jì)深度。而在實(shí)施鉆井過程中，可采用以下技術(shù)措施，以防呼吸效應(yīng)的產(chǎn)生：

（1）一般而言，每一開次裸眼井段中的上層套管鞋處的地層破裂壓力是最低的，而在各開次中表層套管鞋處的地層破裂壓力又是最低，因此，鉆完套管鞋及水泥塞，進(jìn)入新地層3 m，做地層漏失試驗(yàn)后開始鉆入新地層前，可以采取替入一定量（如15 m3）質(zhì)量濃度為114 kg/m3超細(xì)碳酸鈣粉末的鉆井液至井底，以提高地層的承載能力；在正常鉆進(jìn)期間，在鉆井液循環(huán)池中補(bǔ)充一定量的碳酸鈣粉末與G-Seal石墨粉，可對(duì)滲透性好的砂巖層形成暫堵，同時(shí)增加鉆井液的潤(rùn)滑性并改善泥餅質(zhì)量、減少摩阻進(jìn)而減少發(fā)生壓差卡鉆的可能。

圖4　可以用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)的決策樹

（2）選用合適的鉆井液體系。選用的鉆井液應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制水合物形成的性能；盡可能低的高溫高壓濾失量 (最好小于5 mL/30 min)，造壁性能強(qiáng)，所形成的濾餅薄且韌性與潤(rùn)滑性良好，以減少泥頁(yè)巖的水化膨脹、并起到維護(hù)壁穩(wěn)定井壁的作用；同時(shí)所用的鉆井液應(yīng)具有較強(qiáng)的懸浮能力，以確保其攜巖性能，確保井眼清潔；在作業(yè)過程，切實(shí)做好鉆井液的維護(hù)，確保其具有良好的流變性，且在滿足平衡地層壓力的情況下，應(yīng)維持盡可能低的鉆井液密度，以降低地層的呼吸效應(yīng)，同時(shí)也可以減少了壓差卡鉆的幾率。

（3）使用隨鉆壓力監(jiān)測(cè)工具。在下部鉆具組合中應(yīng)帶有隨鉆壓力監(jiān)測(cè)工具以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過APWD密切監(jiān)視環(huán)空的ECD（循環(huán)泥漿當(dāng)量），并有效控制機(jī)械鉆速，如ECD接近地層破裂壓力值 (簡(jiǎn)稱“LOT值”)時(shí)，應(yīng)采取停止鉆進(jìn)，循環(huán)泥漿排除巖屑，并開啟隔水管提升管線，以降低ECD。

（4）配備連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（圖5）。該系統(tǒng)可以保證在接立柱時(shí)保持循環(huán)，消除因停止循環(huán)造成ECD變化而出現(xiàn)呼吸效應(yīng)的影響。

（5）在裸眼段起鉆時(shí)應(yīng)采用濕起鉆，即邊開泵循環(huán)邊起鉆，并控制起鉆速度，以防止起鉆過快而產(chǎn)生抽汲作用，導(dǎo)致ECD降低而使井壁失穩(wěn)；在下鉆時(shí)，同樣需要嚴(yán)格控制下鉆速度，以免造成壓力激動(dòng)使ECD增大，造成地層破裂與漏失，從而誘導(dǎo)地層呼吸效應(yīng)的產(chǎn)生。

圖5　連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)示意圖

5　結(jié)束語(yǔ)

在深水海洋環(huán)境，由于其沉積環(huán)境的特殊性，使得海底地層的壓實(shí)作用遠(yuǎn)不如淺海環(huán)境，進(jìn)而使得海底地層比較脆弱，地層孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口比較窄；在這樣的深水環(huán)境中進(jìn)行鉆探作業(yè)時(shí)，極易形成地層呼吸效應(yīng)而給鉆井井控帶來新的挑戰(zhàn)；采用本文推薦的決策樹能有效判斷是地層回吐還是真正的溢流，同時(shí)通過采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施可以減小地層呼吸效應(yīng)的影響，確保深水鉆井的安全高效。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TE52；TE21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2014.01.072

收稿日期：2013-09-30；改回日期：2013-12-20

作者簡(jiǎn)介：林雍森，男，1967年生，1990年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）鉆井工程專業(yè)，1994年獲中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事海洋油氣鉆井技術(shù)與項(xiàng)目管理工作。E-mail：linys.shhy@sinopec.com。

文章編號(hào)：1008-2336（2014）01-0072-05

Discussion on Identifying and Handling of Formation Ballooning in Deep Water Well Control

LIN Yongsen
（SINOPEC Shanghai Offshore Petroleum Bureau, Shanghai 200120, China）

Abstract:Ballooning is a term often used to describe the physical phenomena where drilling fl uid is lost while circulating and then regained when the pumps are shut down. In deep water drilling, due to the narrow window between pore pressure and fracture pressure of formation, and weakness, when equivalent circulating mud density is close to the formation fracture pressure, more than equivalent mud density of closing induced or in-situ micro fractures, formation ballooning can be observed. It is diff i cult to determine formation ballooning, or real kick, should circulate out the bottoms to conf i rm it by the driller's method, which adds additional time and risk in well control operation. In this paper, the mechanism of formation ballooning has been analyzed, and the methods to identify a formation ballooning has been discussed, and the measures for dealing with this problem have been put forward, which can provide reference for deep water drilling.

Key words:offshore drilling; deep water; well control; well kick; formation ballooning