南海深水海域避臺風期間井控安全作業(yè)周期研究

王金波， 王志遠， 張偉國， 謝 華， 孫寶江

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067)

?深水鉆井完井專題?

南海深水海域避臺風期間井控安全作業(yè)周期研究

王金波1， 王志遠1， 張偉國2， 謝 華2， 孫寶江1

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067)

我國南海深水海域夏季臺風活動頻繁，在撤離平臺避臺風期間，井筒中流體長時間處于靜止狀態(tài)，如果氣體侵入井筒并上升至風暴閥處，給解封、開井作業(yè)帶來較高的井控風險。為此，針對南海避臺期間井控作業(yè)的特點，根據(jù)鉆井液黏度、密度、表面張力、氣泡直徑以及壁面效應等因素對氣體上升速度的影響，對拖曳力系數(shù)模型進行了修正，建立了避臺風期間井筒內(nèi)氣體上升速度的計算模型，并對所建模型進行了驗證，驗證結(jié)果表明，模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合較好。利用所建氣體上升速度模型對避臺風期間影響氣體上升速度的因素進行了分析，結(jié)果表明，氣體上升速度隨井深的減小而增大，隨鉆井液密度增大而增大，隨鉆井液黏度增大而減小，隨地層孔隙度增大而增大。結(jié)合我國南海實際情況，繪制了不同井眼條件下的安全作業(yè)周期圖版，現(xiàn)場工作人員可通過該圖版判斷風暴閥下是否圈閉有高壓氣體，從而有針對性地采取井控措施。

深水鉆井 臺風 鉆井液性能 地層參數(shù) 安全作業(yè)周期 數(shù)學模型

我國南海深水海域已成為繼墨西哥、巴西和西非海岸深水油氣勘探開發(fā)“金三角”之后，世界上第四大深水油氣資源勘探海域。加強我國南海深水海域的油氣勘探開發(fā)，不但拓展了我國石油工業(yè)發(fā)展的空間，也將為保障我國能源安全、推進海洋強國戰(zhàn)略做出貢獻[1-2]。我國南海海域為熱帶和亞熱帶氣候，每年夏季臺風活動頻繁，大大增加了油氣勘探開發(fā)的難度。每次撤離平臺避臺風前，除了關(guān)閉防噴器之外，還要在井筒內(nèi)海床泥線以下100 m處放置一個可回收的風暴閥，風暴閥通過機械坐封后封閉鉆具和環(huán)空間隙，方可安全撤離平臺。避臺風期間，尤其是在已經(jīng)揭開了目的層的條件下，地層流體會侵入井筒，發(fā)生氣侵、溢流的概率較高。這是因為，即使在井底壓力大于地層壓力的條件下，如果鉆遇高滲透率、高產(chǎn)能的儲層，且產(chǎn)層與井眼接觸面積較大、靜止時間較長，地層中的氣體會通過氣液兩相的擴散與置換[3]進入井筒。進入井筒的氣體在一定條件下上升并在風暴閥處聚集，避臺風回來后進行解封、開井作業(yè)時井口壓力較高，存在安全風險，對井控作業(yè)安全有較大的影響。從避臺風開始至井筒內(nèi)氣體上升至風暴閥之前的時間，稱之為安全作業(yè)周期。準確掌握避臺風期間井控安全作業(yè)周期，是判斷井下壓力是否正常、能否進行解封開井作業(yè)的重要參考依據(jù)[4]。目前國內(nèi)外尚未有關(guān)于避臺風安全作業(yè)周期的研究報道，因此深入研究避臺風期間井筒內(nèi)氣體上升速度，得到避臺風期間安全作業(yè)周期，可為提前做好井控工作、降低井控風險，提供理論依據(jù)。

1 氣體上升速度模型

氣體上升速度是計算安全作業(yè)周期的核心參數(shù)之一。氣體的上升速度會受到鉆井流體性能參數(shù)(如密度、黏度、表面張力及氣泡直徑等)的影響，在建立氣體上升速度模型時需要綜合考慮這些因素。

1.1 拖曳力系數(shù)模型

拖曳力系數(shù)模型是描述氣體在非牛頓流體中上升速度的重要方法。該模型的思路為，首先對氣泡所受浮力和上升阻力進行受力分析，得到拖曳力系數(shù)與氣體上升速度的函數(shù)式；然后結(jié)合試驗或理論推導得到拖曳系數(shù)與雷諾數(shù)等準數(shù)的表達式；最后將兩式聯(lián)立，迭代求解得到氣體的上升速度。

可通過氣泡的受力分析推導得到氣泡上升過程中拖曳力系數(shù)的表達式[5]：

(1)

式中：CD為拖曳力系數(shù)；ρl，ρg分別為液體和氣體的密度，kg/m3；de為氣泡的當量直徑(與氣泡具有相同體積的等效球體直徑)，m；dh為氣泡在水平投影上的直徑，m；E為氣泡變形率，E=de/dh；uB為氣泡上升速度，m/s。

在以下計算中，假設氣泡變形率E為1，即氣泡當量直徑de等于氣泡在水平投影上的直徑dh。

建立拖曳力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式的方法主要有Tzounakos法、Margaritis法、Rodrigue法和Rodrigue小雷諾數(shù)法[5-6]。

通過數(shù)值模擬計算結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，根據(jù)Margaritis法建立的拖曳力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式經(jīng)過修正后，在計算不同黏度液體、不同直徑氣泡及不同密度液體條件下的氣泡上升速度時，具有較高的精度。根據(jù)Margaritis法建立的拖曳力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式為：

(3)

式中：Re為雷諾數(shù)；μ為液體黏度，Pa·s。

式(2)與式(1)聯(lián)立求解，即可得到無修正的氣泡上升速度。

1.2 拖曳力系數(shù)模型的修正

(4)

1.3 氣泡直徑的確定

從式(1)及式(2)可以看出，氣泡的上升速度與氣泡直徑有關(guān)。若忽略氣泡在上升過程中的聚并和破碎，在已知進入井筒的初始氣泡直徑的基礎(chǔ)上，可通過氣體狀態(tài)方程計算得到井筒中任一位置處的氣泡直徑。

氣泡的初始直徑與地層的孔隙直徑有關(guān)[8]，其計算式為：

(5)

式中：dei為氣泡的初始直徑，m；σ為表面張力，N/m；D0為孔隙直徑，m；ρg為氣體密度，kg/m3。

經(jīng)過統(tǒng)計大量砂巖巖心的孔隙直徑與孔隙度，得到兩者的關(guān)系式為：

D0=(17.396φ2+0.927 3φ-0.019)×103

(6)

式中：φ為地層孔隙度。

將式(6)代入式(5)，得到地層孔隙度與氣泡初始直徑的關(guān)系為：

(7)

結(jié)合氣體的狀態(tài)方程，可得到任一位置處的氣泡直徑為：

(8)

式中：deh為井筒任一位置處的氣泡直徑，m；Zh為井筒任一位置處的氣體壓縮因子；Th為井筒任一位置處的溫度，K；ph為井筒任一位置處的壓力，Pa；Z0為井底處的氣體壓縮因子；T0為井底溫度，K；p0為井底處的壓力，Pa。

2 模型的驗證

南海海域某高溫高壓氣井實鉆井深2 615 m，井眼直徑212.7 mm，鉆井液密度2.0 kg/L，鉆井液黏度27 mPa·s，通過測后效測得氣體上竄速度115.0 m/h。根據(jù)地質(zhì)設計報告，該井地層孔隙度20.4％～23.4％。利用上述模型計算氣體上升速度，并與現(xiàn)場實測的氣體上升速度進行對比，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，當孔隙度取該井地層孔隙度范圍中的2個極端值時誤差偏大，但取中間值時誤差僅為5.4％，說明模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合較好。

表1 模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比

3 避臺風期間氣體上升速度的影響因素分析

3.1 基本數(shù)據(jù)

為了研究避臺風期間氣體上升速度受鉆井液流變參數(shù)、地層物性參數(shù)的影響規(guī)律，選取南海東部某氣井的基本數(shù)據(jù)：井深3 500 m，水深300 m；鉆井液密度1.1 kg/L，鉆井液黏度20 mPa·s；套管外徑244.5 mm，內(nèi)徑222.4 mm，下入深度3 000 m；鉆桿外徑114.3 mm，內(nèi)徑97.3 mm；避臺風期間鉆具通過風暴閥懸掛于泥線以下150 m深處；鉆頭位于套管鞋處；井眼直徑215.9 mm；地溫梯度0.03 ℃/m；氣層孔隙度15％。

3.2 影響因素分析

避臺風期間，井口封閉，鉆井液長時間處于靜止狀態(tài)，假設氣體從井底3 500 m處侵入井筒，利用上述模型計算不同井筒深度處氣體上升速度隨鉆井液密度、黏度和地層孔隙度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖1—3所示。

圖1 不同鉆井液黏度下氣體上升速度隨井深的變化曲線Fig.1 Curve of gas rising speed at different mud viscosity

圖2 不同鉆井液密度下氣體上升速度隨井深的變化曲線Fig.2 Curve of gas rising speed at different mud density

圖3 不同地層孔隙度下氣體上升速度隨井深的變化曲線Fig.3 Curve of gas rising speed at different formation porosity

從圖1和圖2可以看出：在其他條件不變時，氣體上升速度隨井深的減小而略有增大，因為井深變淺環(huán)空壓力變低，氣泡直徑變大，因此速度增大；但由于避臺風期間井口是封閉狀態(tài)，氣體的膨脹受到抑制，因此氣體上升速度隨著井深的變淺增加不大；在其他條件不變時，氣體上升速度隨鉆井液密度增大而增大，這是因為液體密度變大，氣泡所受浮力增大，氣體在浮力增大的作用下上升速度變大；在其他條件不變時，氣體上升速度隨鉆井液黏度增大而減小，這是因為隨著黏度的增大氣泡所受的上升阻力變大，使其上升速度變小。

從圖3可以看出，在其他條件不變時，隨著地層孔隙度的增大，氣體上升速度增大，這是因為較大的地層孔隙度往往伴隨著較大的孔隙直徑，而氣泡的初始直徑隨著地層孔隙直徑的增大而增大，氣泡所受浮力增大，因此地層孔隙度較大時，氣體上升速度也較大。

4 避臺風期間不同工況下安全作業(yè)周期圖版

利用氣體上升速度計算模型，結(jié)合在鉆井的基本參數(shù)即可計算得到氣體上升至風暴閥處的時間，即安全作業(yè)周期。根據(jù)南海東部地區(qū)常用的井身結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆井液流變參數(shù)以及地層物性參數(shù)(見表2)，繪制了不同井眼尺寸、不同井深下安全作業(yè)周期圖版(見圖4)，為現(xiàn)場提供指導。

表2 不同井眼尺寸下鉆井液流變參數(shù)和地層物性參數(shù)

圖4 不同井眼尺寸下安全作業(yè)周期圖版Fig.4 Chart of gas rising time at different hole size

以φ311.1 mm 井眼為例，說明該圖版的使用方法。若φ311.1 mm井眼鉆至井深5 000 m處時，需要下風暴閥避臺風。由圖4可知，氣體由井深5 000 m處上升至風暴閥處的時間為216 h，即安全作業(yè)周期為9 d。當避臺風時間小于9 d時，井筒內(nèi)的氣體還未上升至風暴閥處，在解除風暴閥時相對安全；當避臺風時間大于9 d時，井筒內(nèi)的氣體已經(jīng)上升至風暴閥處，使該處極有可能有高壓氣體，在解封風暴閥時應多加注意，以防止出現(xiàn)安全事故。當預計的避臺風時間大于安全作業(yè)周期，可在下風暴閥之前向井底注入一段高黏液體段塞，降低氣體的上升速度，延長安全作業(yè)周期，降低解封風暴閥時的風險。當預計的避臺時間要小于安全作業(yè)周期，氣體在此期間不會上升至井下風暴閥處，但解封開井過后，需立即關(guān)閉防噴器，進行節(jié)流循環(huán)作業(yè)，排除井筒內(nèi)的氣體，以保證井控安全。

5 結(jié) 論

1)針對南海避臺風期間井控安全作業(yè)的工藝特點，綜合考慮鉆井液黏度、密度、表面張力、氣泡直徑以及壁面效應對氣體上升速度的影響，對拖曳力系數(shù)模型進行了修正，建立了避臺風期間的井筒內(nèi)氣體上升速度的計算模型，該模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合較好。

2)氣體上升速度隨井深的減小而增大，隨鉆井液密度增大而增大，隨鉆井液黏度增大而減小，隨地層孔隙度增大而增大。在撤離平臺避臺風之前，可以采取在井底注入高黏液體段塞的方法來降低氣體的上升速度，從而延長氣體上升時間，增大井控安全作業(yè)周期。

3)根據(jù)我國南海的實際情況，繪制了不同井眼條件下的安全作業(yè)周期圖版，現(xiàn)場工作人員可通過圖版查得安全作業(yè)周期，結(jié)合避臺風時間，可判斷井下風暴閥處是否圈閉氣體，能否進行解封開井作業(yè)，以及是否需要進行節(jié)流循環(huán)排出井筒內(nèi)氣體等井控作業(yè)。

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WellControlSafetyOperationCycleduringTyphoonatDeepWatersofSouthChinaSea

WangJinbo1，WangZhiyuan1，ZhangWeiguo2，XieHua2，SunBaojiang1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong，266580,China；2.ShenzhenBranchCompany,CNOOC,Shenzhen,Guangdong，518067,China)

Typhoons frequent deep waters of South China Sea in summer.Drilling fluid in the well will stay for a long time when evacuating from platform during typhoon landing,and gas channeling into wellbore and rising up to the storm valve can bring high risk to well control during well unseal and open operations.Therefore,in view of the characteristics of well control operations during typhoon in the South China Sea,a variety of factors that affect the rising speed of the gas were considered,including drilling fluid viscosity,density,surface tension,bubble diameter and wall effect,etc.The drag coefficient model was modified to calculate the rising speed of the gas in the wellbore during typhoon.The model that calculates the rising speed of the gas was verified and the results showed a good agreement with field data.Factors that affect the rising speed of gas were analysed by applying the model,the results showed that gas rise velocity would go up with depth decrease and the drilling fluid density increase,and would go down with the increase of drilling fluid viscosity,but increase with formation porosity increase.According to the actual situation in the South China Sea,plots of safe operating cycle under different borehole conditions were drawn so that field staff could determine from these plots whether storm valve traps high-pressure gas,and take pertinent measures of well control.

deepwater drilling；typhoon;drilling fluid property；formation parameter；safety operation cycle；mathematical model

2013-03-01；改回日期2013-05-02。

王金波(1981—)，男，山東惠民人，2004年畢業(yè)于石油大學(華東)過程裝備與控制工程專業(yè)，2007年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學位，在讀博士研究生，主要從事深水溢流早期監(jiān)測方面的研究。

聯(lián)系方式：(0532)86981927，wbob516@126.com。

教育部“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”項目“海洋油氣井鉆完井理論與工程”(編號：IRT1086)、國家自然科學基金項目“頁巖氣儲層超臨界二氧化碳壓裂裂縫中支撐劑輸送機理研究”(編號：51104172)和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目“海洋油氣鉆探中的安全保障基礎(chǔ)問題研究”(編號：13CX05006A)聯(lián)合資助。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.010

TE21

A

1001-0890(2013)03-0051-05

[編輯 劉文臣]