郝希寧　蘇　峰　蔣世全　田　崢　寇貝貝（.中海油研究總院，北京　0008；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水鉆井井涌余量主控因素分析

郝希寧1蘇峰2蔣世全1田崢2寇貝貝2
（1.中海油研究總院，北京100028；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

深水鉆井中，由于深水段的影響，上覆巖層壓力低，鉆井液密度窗口窄，對井涌余量的預(yù)測精度提出了更高的要求。井涌余量受井涌強度、套管鞋承壓能力、侵入流體性質(zhì)等多種因素影響，其應(yīng)滿足在最危險工況下能進(jìn)行安全壓井的要求。針對南海深水井進(jìn)行計算分析，得到不同因素對井涌余量的影響規(guī)律，提出深水鉆井井涌余量分析應(yīng)注意的問題，為深水鉆井設(shè)計和現(xiàn)場作業(yè)提供了參考依據(jù)。研究結(jié)果表明，深水鉆井中，需充分考慮不同因素對井涌余量的影響，尤其是窄密度窗口下，其計算精度將影響井身結(jié)構(gòu)和套管下深。

深水鉆井；井涌余量；井控；井涌強度；安全余量

井涌余量是能安全關(guān)井且循環(huán)壓井時不至于壓漏地層所允許進(jìn)入井筒的最大溢流量［1］，是深水鉆井設(shè)計和作業(yè)中的關(guān)鍵參數(shù)之一。鉆井設(shè)計過程中，不僅要控制正常鉆井時ECD在安全密度窗口之內(nèi)，而且井身結(jié)構(gòu)（套管下深）需滿足井涌余量的要求。井涌余量過小會導(dǎo)致壓漏套管鞋等薄弱地層，導(dǎo)致地下井噴等事故；而過高則需要更多的套管層次，更復(fù)雜的井身結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致無法鉆至目標(biāo)井深或井眼尺寸太小而不能滿足地質(zhì)和油藏的要求。鉆井作業(yè)過程中，需根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)的變化計算井涌余量是否滿足常規(guī)壓井作業(yè)的要求。如每天日報中需更新井涌余量數(shù)據(jù)，為下部井段作業(yè)決策提供參考；發(fā)生井涌時，根據(jù)泥漿池增量、關(guān)井立壓等，通過井涌余量分析判斷是通過常規(guī)壓井或非常規(guī)壓井來將溢流安全循環(huán)出井筒。

深水鉆井過程中面臨著種種挑戰(zhàn)［2-8］，深水低溫、鉆井液密度窗口窄、節(jié)流壓井管線摩阻大等對井涌余量需要進(jìn)行更精確的計算。井涌余量與井涌強度（地層壓力與鉆井液密度差值）、薄弱地層承壓能力、井眼和鉆柱尺寸和安全余量等多種因素有關(guān)。且實際發(fā)生的溢流量與溢流監(jiān)測、關(guān)井時間、鉆穿儲層長度及物性等有關(guān)。相同井涌余量的2口井并不能表示其井控風(fēng)險相同。

目前，中海油作為作業(yè)者已在南海和西非等地區(qū)完成了十多口深水探井作業(yè)，取得了階段性的成果。已有一些學(xué)者對深水鉆井井控和井涌余量等進(jìn)行了相關(guān)研究［9-14］，但對于井涌余量的認(rèn)識還不足。行業(yè)內(nèi)沒有關(guān)于井涌余量統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有必要對井涌余量進(jìn)行分析。筆者以南海實鉆深水井為例，基于深水井的特點和井涌余量的常用計算方法，針對不同因素對井涌余量的影響進(jìn)行分析，揭示深水鉆井井涌余量分析應(yīng)注意的問題，為深水鉆井設(shè)計和現(xiàn)場作業(yè)提供理論依據(jù)。

1　井涌余量計算方法

假設(shè)條件：（1）給定井涌強度（地層壓力與鉆井液密度差值），套管鞋處為地層薄弱點；（2）侵入氣體以單相連續(xù)氣柱形成存在；（3）忽略溫度、氣體壓縮因子、氣體溶解度和滑脫等影響；（4）目標(biāo)井為直井，采用司鉆法壓井。

首先根據(jù)鉆井液密度和套管鞋承壓能力確定最大允許關(guān)井壓力和最大允許溢流高度；結(jié)合鉆具和環(huán)空尺寸得到井底時溢流體積V1，以及上升至薄弱點時溢流體積V2，并等效至井底工況體積V2'；取體積V1和體積V2'的較小值即為井涌余量。

具體計算步驟如下：

（1）最大允許關(guān)井套壓

（2）最大允許溢流高度

（3）井底最大允許溢流體積

（4）氣體運移至套管鞋時最大允許溢流體積

（5）等效至井底工況條件下的最大允許溢流體積

取兩者之間較小值即為井涌余量。

2　井涌余量主控因素

2.1基本參數(shù)

以南海某口實鉆井為例進(jìn)行分析，其井身結(jié)構(gòu)和各井段基本數(shù)據(jù)如圖1和表1所示。

圖1　井身結(jié)構(gòu)示意圖

表1　各井段基本數(shù)據(jù)

2.2主控因素

2.2.1井涌強度井涌強度主要有2種分析方法，分別是“鉆井液密度—井涌強度”和“地層孔隙壓力—井涌強度”。第1種方法井涌強度為發(fā)生井涌時地層孔隙壓力與鉆井液密度的差值，一般取0.06g/cm3。第2種方法井涌強度為發(fā)生井涌時地層孔隙壓力與其預(yù)測值的差值，一般取0.12 g/cm3。以“鉆井液密度+井涌強度”的方法為例，對?311 mm井段進(jìn)行分析， 結(jié)果表明，井涌強度是影響井涌余量最主要的因素，井涌強度越大，井涌余量就相應(yīng)減小。由于深水鉆井安全密度窗口窄，鉆井液安全密度附加值和井涌強度的取值需綜合考慮一次井控和二次井控的風(fēng)險?？紫秹毫︻A(yù)測的準(zhǔn)確性是基礎(chǔ)，需盡可能提高其預(yù)測精度。另外，增加上層套管下深，提高上層套管鞋承壓能力也有利于控制作業(yè)風(fēng)險，并根據(jù)地漏試驗的結(jié)果及時更新井涌余量，判斷是否滿足下個井段的作業(yè)要求。

2.2.2井眼和鉆柱尺寸在井涌和壓井過程中，控制井筒壓力在安全密度窗口之內(nèi)，其根本是要通過井口回壓來補償欠壓值和溢流高度對靜液柱壓力的減小值。由于井眼和鉆柱尺寸的不同，相同井涌余量所對應(yīng)的最大允許溢流高度存在差異，如表2所示。

表2　各井段最大允許溢流高度 　　　　　　　 m

由表2可知，井眼尺寸越小，允許侵入的溢流高度越大。對于上部大尺寸井段，由于井涌余量小于鉆鋌段環(huán)空容積，所以鉆柱尺寸對最大允許侵入溢流高度沒有影響，但對于下部井段（如?216 mm井段），最大允許溢流高度受鉆柱尺寸影響明顯。

2.2.3安全余量在深水壓井過程中，為不壓漏上層套管鞋，在分析MAASP（最大允許環(huán)空關(guān)井壓力）時需考慮安全余量。安全余量包括節(jié)流閥操作誤差、環(huán)空壓耗和節(jié)流管匯摩阻，由于其壓力將作用于井筒，受薄弱地層（假設(shè)為上層套管鞋）承壓能力的限制，MAASP應(yīng)相應(yīng)降低。

當(dāng)井眼尺寸較大時，環(huán)空壓耗較小，可以忽略。井口回壓受節(jié)流閥操作的影響，一般需考慮345~690kPa 誤差。

在深水壓井作業(yè)過程中，由于壓井阻流管線較長，泥線附近溫度較低，對鉆井液的黏度等有較大影響，壓井阻流管匯摩阻明顯增加。在鉆井液性能變化后做低泵速試驗時必須同時做節(jié)流管匯摩阻試驗，以供壓井作業(yè)參考，如表3所示為南海實鉆井試驗數(shù)據(jù)。

表3　節(jié)流管匯摩阻試驗實測摩阻值

由表3可知，節(jié)流管線摩阻與水深、節(jié)流管匯直徑、壓井排量、鉆井液密度和黏度有關(guān)，因此，深水井應(yīng)盡可能采用大尺寸的節(jié)流和壓井管線，隨著水深的增加應(yīng)適當(dāng)降低壓井排量以降低節(jié)流管線摩阻。

在井控設(shè)計和壓井過程中，應(yīng)充分考慮安全余量的影響，且其取值大小對井涌余量的影響較大，以?311 mm井段為例，計算結(jié)果如表4所示。

表4　不同安全余量下的井涌余量及相對誤差

2.2.4溢流監(jiān)測和關(guān)井響應(yīng)時間平臺設(shè)備監(jiān)測能力決定了發(fā)現(xiàn)溢流時侵入井筒內(nèi)的體積，而關(guān)井的響應(yīng)過程中地層流體繼續(xù)侵入井筒，其體積量與平臺人員的操作水平和設(shè)備的響應(yīng)時間有關(guān)。如圖2所示，假設(shè)?311 mm段發(fā)現(xiàn)溢流時侵入流體體積為1 m3，關(guān)井過程中還會侵入流體約2.2 m3。

圖2　發(fā)現(xiàn)溢流和關(guān)井過程中侵入體積量

井涌余量應(yīng)大于發(fā)現(xiàn)溢流和關(guān)井過程中侵入流體體積之和，才能保障井控作業(yè)的安全進(jìn)行。因此，應(yīng)盡可能提高平臺溢流監(jiān)測和人員及設(shè)備的響應(yīng)能力；另外，關(guān)井期間侵入流體體積與井涌強度、油氣層暴露面積及物性等有關(guān)，進(jìn)入儲層段應(yīng)控制機械鉆速，密切關(guān)注溢流征兆。

3　結(jié)論及建議

（1）針對南海深水探井井涌余量進(jìn)行了計算分析，得到了不同因素對井涌余量的影響規(guī)律，提出了深水井井涌余量計算應(yīng)注意的問題。

（2）地層壓力窗口是決定井涌余量的根本因素，不同計算方法下計算結(jié)果存在差異，對于鉆井液密度附加井涌強度的方法，井涌強度的選取需考慮鉆井液密度附加值。

（3）井涌余量與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及地層條件、設(shè)備和人員等多方面因素相關(guān)，井涌余量相等不能說明井控風(fēng)險相同。

（4）深水鉆井井涌余量分析中，安全余量不僅需要考慮節(jié)流閥的操作誤差，還需考慮節(jié)流壓井管匯摩阻，其隨水深和壓井排量的增大而增大，最大允許關(guān)井套壓和井涌余量相應(yīng)減小。

（5）深水地層壓力窗口窄等特點對鉆前設(shè)計和現(xiàn)場作業(yè)都提出了更高的要求，需進(jìn)一步完善井涌余量分析方法，并針對深水高溫高壓井、深水水平井，以及油基鉆井液等進(jìn)行研究，形成井涌余量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

符號說明：

A為截面積，m2；Hc為套管鞋深度，m；Hw為井深，m；Hmax為允許侵入最大氣體高度，m；pamax為環(huán)空最大允許壓力，MPa；plot為套管鞋破裂壓力，MPa；psm為操作誤差，MPa；T為溫度，k；ρf為鉆井液密度，g/cm3；ρp為地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρg為侵入氣體密度，g/cm3。

［1］Q/HS 14007—2011，深水探井鉆井工程設(shè)計指南［S］.

［2］周守為.南中國海深水開發(fā)的挑戰(zhàn)與機遇［J］.高科技與產(chǎn)業(yè)化，2008（12）：20-23.

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［4］路保平，李國華.西非深水鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2013，41（3）：1-6.

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［12］DAAN Veeningen. Identify safe drilling margin, detect and distinguish kicks from ballooning and better well control for deepwater, through independent downhole measurements［R］. SPE 157220, 2012.

［13］HELIO Santos, ErdEN Catak, SANDEEP Valluri.Kick tolerance misconceptions and consequences to well design ［R］. SPE 140113, 2011.

［14］HELIO Santos, PAUL Sonnemann.Transitional kick tolerance［R］. SPE 159175, 2012.

（修改稿收到日期2014-12-27）

〔編輯胡志強〕

Main control factors of kick tolerance of deepwater exploration and drilling in
the South China Sea

HAO Xining1, SU Feng2, JIANG Shiquan1, TIAN Zheng2, KOU Beibei2
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

In the deepwater drilling, affected by the deepwater section, the overburden pressure is low and the drilling fluid density window is narrow, so higher requirements are raised for the prediction precision of kick tolerance. The kick tolerance is affected by multiple factors, such as kick strength, casing shoe bearing capacity, and intrusive fluid property, and should meet the requirement of safe well killing under the most dangerous working conditions. After the calculation and analysis of deepwater wells in the South China Sea, the effects law of different factors on kick tolerance is figured out, and the notices in kick tolerance analysis of deepwater drilling are raised, so as to provide a reference basis for the deepwater drilling design and site operation. According to the research results, in the deepwater drilling, the different factors effects on the kick tolerance should be fully considered. In particular, in the narrow density window, the calculation precision will affect the wellbore structure and casing lowering depth.

deepwater drilling; kick tolerance; well control; kick strength; safety margin

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0060 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.015

國家科技重大專項“深水鉆完井工程技術(shù)”（編號ZX201105026-001）；國家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號：51434009）資助。

郝希寧，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），博士，目前主要從事水力學(xué)和井控等深水鉆井井筒流動方面的研究，鉆井工程師。電話：010-84526701，13811556740。E-mail： haoxn@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：郝希寧，蘇峰，蔣世全，等.深水鉆井井涌余量主控因素分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：60-63.