深水井氣侵在不同類型鉆井液中運(yùn)動(dòng)特征

張玉山 趙維青 張星星 李雙

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司

深水井氣侵在不同類型鉆井液中運(yùn)動(dòng)特征

張玉山 趙維青 張星星 李雙

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司

深水井鉆井液密度窗口一般小于0.06 g/cm3，壓井過(guò)程中容易壓漏地層，研究氣體在不同鉆井液類型中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有利于正確及時(shí)處理井控。通過(guò)對(duì)多相流的理論研究和計(jì)算，采用2口井的鉆井液和實(shí)鉆數(shù)據(jù)，結(jié)合Drillbench軟件進(jìn)行校核，得出了氣體在不同鉆井液類型中的運(yùn)動(dòng)特性；通過(guò)研究得出，天然氣在水基鉆井液中內(nèi)部表現(xiàn)為氣體滑脫和膨脹，長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)井會(huì)導(dǎo)致壓破上層套管鞋；而在油基或者合成基鉆井液中，則表現(xiàn)為氣體溶解進(jìn)其中，氣體達(dá)到泡點(diǎn)壓力后再次脫出；而在溢流發(fā)現(xiàn)難度上，水基鉆井液相對(duì)容易發(fā)現(xiàn)，而油基鉆井液由于氣體溶解到鉆井液內(nèi)，溢流不易被發(fā)現(xiàn)。研究結(jié)果為深水井設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安全處理井控事件奠定理論基礎(chǔ)。

深水鉆井；天然氣侵；氣體滑脫；溶解氣；鉆井液類型

隨著深水油氣田勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域及數(shù)量的增加，井控事件在最近10年內(nèi)頻繁出現(xiàn)，造成的災(zāi)難影響深遠(yuǎn)，其中較為嚴(yán)重的是墨西哥灣深水地平線井噴事故；事故后，各個(gè)石油作業(yè)者積極修改完善各自的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更有甚者加強(qiáng)國(guó)家的立法來(lái)確保鉆井的安全；為什么作為國(guó)際高技術(shù)及管理水平的BP

1　氣體在鉆井液中的狀態(tài)

State of gas in drilling fluid

1.1在水基鉆井液中的狀態(tài)

State of gas in water-base drilling fluid

（1）氣體膨脹。氣體進(jìn)入井筒后體積膨脹變化規(guī)律直接影響井內(nèi)壓力分布［4］，導(dǎo)致井底壓力減少，致使更多的溢流流體進(jìn)入井筒，增加后續(xù)壓井難度。

氣體膨脹規(guī)律模型

式中，Vzi為求解點(diǎn)氣體體積，m3；pzi為求解點(diǎn)壓力，Pa；Tzi為求解點(diǎn)溫度，K；pz0為已知點(diǎn)壓力（井底），Pa；Tz0為已知點(diǎn)溫度（井底），K；Vz0為已知?dú)怏w體積（井底），m3；Zz0為已知點(diǎn)偏差因子（井底）；Tzi為求解點(diǎn)溫度，K。

氣體的膨脹與壓力、溫度和偏差因子息息相關(guān)，其中偏差因子受鉆井液密度影響較大，鉆井液密度越小，氣體上升時(shí)體積膨脹越大［5］。

（2）氣體滑脫。氣體在水基鉆井液體系中除有膨脹現(xiàn)象外，也存在氣體的滑脫［6］，增加了井控的難度；①發(fā)現(xiàn)井涌關(guān)井后，關(guān)井立壓和套壓穩(wěn)定后，由于氣體滑脫，關(guān)井套壓升高，與此同時(shí)，關(guān)井立壓在“U”型管的作用下也在增加，對(duì)判斷真實(shí)關(guān)井立壓帶來(lái)了困擾；②在等待關(guān)井立壓穩(wěn)定的過(guò)程中，逐漸升高的關(guān)井套管將壓破上層套管鞋。

氣體滑脫速度

其中

式中，Vm是氣體滑脫速度，m/s；σ是氣相與液相之間的界面張力，Pa；ρ1是液相密度，kg/m3；ρz氣體密度，kg/m3；Eo，Em，Ew，Ec，Eh分別是產(chǎn)出油、水合物、鉆井液、巖屑、產(chǎn)出水的體積分?jǐn)?shù)，%；Bo是原油的體積系數(shù)。

影響氣體滑脫的因素包括氣相密度、液相密度、鉆井液的黏度以及液相的組分；油藏氣體密度決定于其組成組分，一般油藏氣體組分較為復(fù)雜，文中假設(shè)為甲烷氣體，鉆井液黏度表現(xiàn)為抗剪切力，阻礙了氣體的上移速度；液相組成包括鉆井液、巖屑、溶解氣、水等。

氣體在上移過(guò)程中，部分氣體滯留在鉆井液內(nèi)，氣體以氣泡形式存在于鉆井液中［7］，使得溢流氣體體積逐漸減小，同時(shí)增加了鉆井液的可壓縮性，關(guān)井套壓達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間增加；Ashley Johnson 和 Ian Rezmer-Cooper等人在斯倫貝謝劍橋研究中心進(jìn)行了鉆井液性能和井控過(guò)程中滯留氣關(guān)系的實(shí)驗(yàn)［8］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉆井液屈服值1.5～7.48 Pa，滯留氣在鉆井液的體積分?jǐn)?shù)為0.5%～5%。

1.2氣體在油基鉆井液中的狀態(tài)

State of gas in oil-base drilling fluid

世界范圍內(nèi)深水海域所進(jìn)行的鉆井作業(yè)中，90%以上采用的鉆井液為油基或者合成基，這是深水鉆探環(huán)境特點(diǎn)以及油基鉆井液特性決定的，但對(duì)于井控事件來(lái)說(shuō)，如果是溢流流體為氣體時(shí)，氣體進(jìn)入井筒內(nèi)后溶解進(jìn)油基鉆井液中，地面很難檢測(cè)到溢流，當(dāng)溢流氣體隨著鉆井液循環(huán)時(shí)，達(dá)到其泡點(diǎn)后，會(huì)再次脫出，此時(shí)氣體的位置相對(duì)較淺，給井控處理帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，惡劣的情況會(huì)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)和人員的損失。

Patrick L.O’Bryan等人針對(duì)油基鉆井液中氣體溶解的研究［10］，并完成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明油基鉆井液溶解氣體量由鉆井液內(nèi)成分的組成決定的。

氣體在油基鉆井液溶解方程

式中，Rgm、Rgo、Rgbr、Rge為氣體在鉆井液、基油、鹽水、乳化劑中的溶解系數(shù)，m3/m3；fo、fbr、fe為基油、鹽水、乳化劑在鉆井液中的體積分?jǐn)?shù)，%。

鉆井液類型確定后，各組分比例基本穩(wěn)定，因此決定了其溶解氣體的能力，另外，外部壓力和溫度也影響著氣體的融入程度。

氣體在基油、乳化劑中溶解方程

式中，Rgo，e為氣體在基油和乳化劑中的溶解系數(shù)；a、b、n為常數(shù)；p為壓力，Pa；T為溫度，℃。

氣體溶解量與壓力、氣體密度、基油含量成正比，與溫度、鉆井液固體含量、鹽水和乳化劑含量成反比。

2　深水井控設(shè)計(jì)案例

Case of deepwater well control design

2.1井基本數(shù)據(jù)（采用水基鉆井液）

Basic well data （water-base drilling fluid）

以南中國(guó)海一口探井為例，基本參數(shù)如下：水深 607 m，井深 2 276 m，鉆井液密度（水基） 1.174 g/cm3，鉆井液屈服值 14 Pa，鉆頭直徑 311.15 mm，BHA直徑209.55 mm（250 m），鉆桿直徑139.7 mm，上層套管直徑339.725 mm，阻流管線直徑76.2 mm，地層壓力 20.7 MPa，地層孔隙度 13%，地層滲透率5.2 mD，油藏為甲烷；地面溫度 30℃，海底溫度 7℃，地溫梯度 4 ℃ /100 m。

鉆井工況：鉆進(jìn)至1 700 m后發(fā)生井涌，井涌強(qiáng)度0.06 g/cm3， ROP 30 m/h，鉆井排量4.55 m3/min，溢流檢測(cè)顯示溢流量為4.77 m3。

發(fā)現(xiàn)溢流關(guān)井后，鉆井液池增量為6.36 m3，開(kāi)始循環(huán)壓井，保持井底壓力不變，保證油藏流體不再繼續(xù)進(jìn)入井筒，隨著氣體上移，受到的靜液柱壓力減少，氣開(kāi)始膨脹，25 min后鉆井液量增加，直至氣體循環(huán)出井口，鉆井液池液面供增加了1.59 m3，36 min后氣體循環(huán)出井口，完成排氣作業(yè)（見(jiàn)圖1）。

實(shí)際壓井過(guò)程中，檢測(cè)鉆井液池液面來(lái)判斷是否有新的溢流進(jìn)入井筒或者是發(fā)生井漏，但若氣體發(fā)生膨脹后，鉆井液池液面增長(zhǎng)，此時(shí)并不是溢流進(jìn)行進(jìn)入井筒，因此不需要調(diào)節(jié)井口壓力，只需按照計(jì)算的壓力來(lái)操作井口壓力。

氣體進(jìn)入井筒，關(guān)井后氣體繼續(xù)侵入，達(dá)到壓力平衡后開(kāi)始上行滑脫，導(dǎo)致套壓一直增加，立壓也在上升，見(jiàn)圖2，管鞋處受到的壓力隨著升高，當(dāng)關(guān)井立壓到達(dá)2.8 MPa時(shí)，管鞋處受到的壓力達(dá)到管鞋破裂壓力（18.1 MPa），地層破裂，見(jiàn)圖3。

圖1　井控期間鉆井液池液面變化及氣體排出曲線Fig. 1 Liquid level in drilling fluid pit and gas discharge curve during well control

圖2　關(guān)井立壓和套壓變化Fig. 2 Variation of standpipe pressure and casing pressure during shut in

圖3　管鞋處壓力Fig. 3 Pressure at casing shoe

因此，關(guān)井后及時(shí)準(zhǔn)確讀取關(guān)井立壓至關(guān)重要；一方面準(zhǔn)確讀取立壓時(shí)間，保證盡可能地求得地層壓力，為后續(xù)制定壓井液密度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保壓井作業(yè)順利完成；另一方面保證盡快進(jìn)行司鉆法壓井，開(kāi)始循環(huán)防止地層破裂。

實(shí)際作業(yè)中，及時(shí)準(zhǔn)確讀取關(guān)井立壓是保障壓井作業(yè)安全順利完成的關(guān)鍵，根據(jù)溢流氣體滑脫的內(nèi)因以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)際條件，可采取如下措施：關(guān)井后，使用秒表記錄單位時(shí)間內(nèi)壓力上升值，同時(shí)記錄關(guān)井立壓和關(guān)井套壓，初始在達(dá)到壓力平衡前，套壓上升速度較立壓快，到達(dá)平衡后，2個(gè)壓力值以相同的速度增加，此點(diǎn)即為氣體開(kāi)始滑脫點(diǎn)，記錄原始關(guān)井立壓和套壓。

2.2井基本數(shù)據(jù)（采用油基鉆井液）

Basic well data （oil-base drilling fluid）

以西非一口探井為例，基本參數(shù)如下：水深 902 m，井深 3 832 m，鉆井液密度（油基） 1.126 g/cm3，鉆井液屈服值 10 Pa，鉆頭直徑311.15 mm，BHA直徑209.55 mm（長(zhǎng)度250 m），鉆桿直徑 139.7 mm，上層套管直徑339.725 mm，阻流管線直徑 76.2 mm，地層壓力 34 MPa，地層孔隙度 14%，地層滲透率 6 mD，油藏為甲烷；地面溫度 30 ℃，海底溫度 4 ℃，地溫梯度 4 ℃ /100 m。

鉆井工況：鉆井過(guò)程中出現(xiàn)放空現(xiàn)象，溢流檢測(cè)顯示溢流量為4.77 m3，關(guān)井，井涌強(qiáng)度0.06 g/cm3，ROP30 m/h，鉆井排量4.55 m3/min。溢流發(fā)生后，氣體進(jìn)入井筒，并大部分溶解進(jìn)鉆井液中，鉆井液達(dá)到飽和后，留有部分自由氣體在井底，如圖4和圖5。

圖4　井涌初期溶解氣分布Fig. 4 Distribution of dissolved gas at early well kick

圖5　井涌初期自由氣分布Fig. 5 Distribution of free gas at early well kick

以0.91 m3/min的泵速開(kāi)始?jí)壕h(huán)，自由氣隨著鉆井液上行，并逐漸溶解其中，繼續(xù)循環(huán)，溶解氣上移至273 m時(shí)自由氣脫出，此時(shí)自由氣氣全量為1.5%，深度1 074 m；隨著壓井循環(huán)的進(jìn)行，溶解氣繼續(xù)脫出，直至氣體全部循環(huán)出井，通過(guò)軟件模擬，自由氣最大氣全量為30%。

通過(guò)上述軟件模擬，井涌初期探測(cè)到的井涌桶數(shù)只是未溶解至鉆井液內(nèi)的自由氣的體積，實(shí)際氣侵的量要比探測(cè)到的量大，后續(xù)壓井過(guò)程中氣體逐漸排出后，大量的氣體在淺層和阻流管線形成，為了保證壓井過(guò)程中井底壓力恒定，這樣對(duì)放噴閥的操作帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)；必要的Choke 演習(xí)是需要的，通常是在鉆開(kāi)套管鞋前，通過(guò)關(guān)閉BOP，以一定排量的泵速模擬保持井底壓力恒定來(lái)操作放噴閥，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況估算鉆井液壓力傳播時(shí)間和放噴閥的開(kāi)關(guān)度；保障緊急情況下人員對(duì)設(shè)備和井下情況的掌握，避免誤操作帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)改變軟件數(shù)據(jù)輸入，將油基鉆井液變更為水基鉆井液，模擬結(jié)果顯示了司鉆法壓井第1周循環(huán)過(guò)程中鉆井液池液面的變化（見(jiàn)圖6）：①氣體全部排出井所需的時(shí)間水基鉆井液更短，說(shuō)明氣體在循環(huán)上移期間發(fā)生了滑脫；②氣體在水基鉆井液中發(fā)生膨脹；③設(shè)定相同溢流報(bào)警值時(shí)，油基鉆井液所需時(shí)間更長(zhǎng)，說(shuō)明氣體溶解到了鉆井液中。

圖6　水基和油基鉆井液對(duì)比Fig. 6 Comparison between water-base drilling fluid and oil-base drilling fluid

鉆井過(guò)程中未及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流，繼續(xù)鉆進(jìn)，井涌強(qiáng)度0.06 g/cm3， ROP 30 m/h，鉆井排量4.55 m3/min。鉆進(jìn)過(guò)程中，溢流氣體繼續(xù)進(jìn)入井筒，當(dāng)溶解氣上行至990 m時(shí)，自由氣體從鉆井液中脫出，自由氣初始出現(xiàn)在1 298 m（水下BOP位于926 m），見(jiàn)圖7和圖8，自由氣出現(xiàn)時(shí)氣全量為0.22%，隨著鉆井液繼續(xù)循環(huán)，氣全量逐漸增加至70%，氣體上升速度由1.2 m/s增加至54 m/s，按照氣體平均上升速度計(jì)算，20 min后氣體到達(dá)井口，與此同時(shí)，鉆井液也隨著氣體噴出，見(jiàn)圖9，正常鉆進(jìn)排量4.55 m3/min，伴隨氣體鉆井液噴出速度90.92 m3/min以上。

圖7　溶解氣分布Fig. 7 Distribution of dissolved gas

圖8　自由氣脫出Fig. 8 Evolution of free gas

在大量氣體和液體高速噴出的情況下，造成災(zāi)難性的井控事故是必然的，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流至關(guān)重要；但氣體在油基鉆井液中溢流監(jiān)控較為困難，影響因素很多，通過(guò)軟件模擬結(jié)果可以看出。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)溢流檢測(cè)設(shè)備敏度的提升，必要時(shí)增加額外設(shè)備，比如EKD（早期溢流監(jiān)控系統(tǒng)）等，另外，人員井控意識(shí)和井下溢流理論知識(shí)也是提高井控事件安全順利處理的保障。

圖9　鉆井液返出速度Fig. 9 Return velocity of drilling fluid

3　結(jié)論

Conclusions

（1）氣體溢流后在水基鉆井液和油基鉆井液中表現(xiàn)出的現(xiàn)象有很大不同，需要從井控設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和措施制定到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行全面考慮，以保障整個(gè)井控預(yù)防策略順利實(shí)施。

（2）氣體在水基鉆井液中發(fā)生滑脫，對(duì)關(guān)井后求取關(guān)井立壓和套壓以及后續(xù)壓井作業(yè)帶來(lái)困難，根據(jù)氣體特點(diǎn)和井控經(jīng)驗(yàn)，采取秒表記錄時(shí)間的方式來(lái)確定關(guān)井立壓和套管是一個(gè)比較可靠的方法。

（3）相對(duì)于氣體滑脫，氣體的膨脹發(fā)生在壓井循環(huán)過(guò)程中，循環(huán)池液面增加，此時(shí)并不是地面壓力控制不當(dāng)，不需進(jìn)一步調(diào)整壓力，因此準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)氣體的膨脹現(xiàn)象至關(guān)重要。

（4）深水油藏埋藏淺、不易檢測(cè)溢流，氣體到達(dá)泡點(diǎn)壓力后脫出時(shí)，此時(shí)氣體已經(jīng)到達(dá)水下BOP附近，甚至已經(jīng)上返到了隔水管內(nèi)；怎么及時(shí)發(fā)現(xiàn)井涌是問(wèn)題的根本，一方面加強(qiáng)認(rèn)識(shí)氣體在油基鉆井液的表現(xiàn)，從根本上理解氣體的規(guī)律特征，加強(qiáng)人員對(duì)井控的理解，另外，利用外部工具協(xié)助人員識(shí)別溢流，利用井下工具及時(shí)識(shí)別進(jìn)入鉆井液中的氣體也是解決溢流檢測(cè)的一種方法，未來(lái)可以繼續(xù)關(guān)注此方向的發(fā)展。

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（修改稿收到日期 2016-03-23）

〔編輯 薛改珍〕

Movement features of gas in different types of drilling fluid during kicking in deepwater wells

ZHANG Yushan， ZHAO Weiqing， ZHANG Xingxing， LI Shuang
Engineering Technology Company of CNOOC Energy Technology & Serνices Limited， Shenzhen， Guangdong 518606， China

The drilling fluids for deepwater drilling can break down the formations easily during well killing for its density window is generally less than 0.06 g/cm3. In order to perform well control accurately in time， it is necessary to study the movement features of gas in different types of drilling fluid. After multiphase flow was theoretically analyzed and calculated， the results were checked by using the Drillbench Software based on drilling fluid and actual drilling data of two wells. In this way， the movement features of gas in different types of drilling fluid were identified. The gas in water-base drilling fluid is presented in the form of slippage and expansion， and it can break the upper casing shoe after long-term well shut in. In oil-base or synthetic-base drilling fluids， the gas is dissolved and then migrates out when the bubble point pressure is reached. It is easier to detect the kick in water-base drilling fluid than in oil-base drilling fluid， for the gas is dissolved into the latter one. This paper strengthens the understanding on the deepwater well control and provides the theoretical basis for deepwater well design and safe well control operation.

deepwater drilling； gas invasion； gas slippage； dissolved gas； type of drilling fluid

張玉山（1982-），2007年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事深水現(xiàn)場(chǎng)鉆井監(jiān)督和深水鉆井工藝技術(shù)的研究工作，工程師。通訊地址：（518606）廣東省深圳市南山區(qū)蛇口興華路海濱商業(yè)中心三樓。電話：0755-26023856。E-mail：zhangysh3@cnooc.com.cn會(huì)出現(xiàn)如此巨大的事故，深水井控有哪些難點(diǎn)？結(jié)合國(guó)外和國(guó)內(nèi)深水井控的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)［1］，總結(jié)影響深水井控因素如下，（1）浮式平臺(tái)升沉加大對(duì)井涌進(jìn)行監(jiān)控的難度；（2）深水壓力窗口窄，井涌余量較窄，不易檢測(cè)；溢流量超過(guò)設(shè)計(jì)井涌余量后，不易于循環(huán)出井筒；（3）深水井控存在低溫高壓特點(diǎn)，易形成水合物［2］，對(duì)井控作業(yè)存在影響；（4）阻流管線較長(zhǎng)，摩阻大，壓井過(guò)程中摩阻反向施加給地層，易發(fā)生井漏； （5）深水平臺(tái)井控設(shè)備配置較為先進(jìn)，但存在一定程度的功能不穩(wěn)定性。深水溢流檢測(cè)難度大，除了自然環(huán)境和平臺(tái)類型的因素外，鉆井液類型和溢流流體性質(zhì)也很大程度上影響了溢流的判斷；對(duì)于水基鉆井液，地面溢流監(jiān)控較為明顯，但溢流關(guān)井后，氣體開(kāi)始滑脫，導(dǎo)致關(guān)井套壓逐漸增加，直到壓破上層套管鞋；而在油基或者合成基鉆井液中，則表現(xiàn)為氣體溶解進(jìn)其中［3］，隨著壓井過(guò)程中鉆井液的循環(huán)而上移，靜液柱壓力的減少，達(dá)到氣體的泡點(diǎn)壓力，致使氣體再次脫出；如若未及時(shí)關(guān)井，而是進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)溢流氣體上升到其泡點(diǎn)壓力深度后，氣體脫出，此時(shí)氣體已經(jīng)到達(dá)上部井段，對(duì)平臺(tái)設(shè)備人員以及后續(xù)關(guān)井壓井作業(yè)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。筆者通過(guò)引用他人三相流推導(dǎo)的公式，從理論上說(shuō)明氣體在不同鉆井液類型井控過(guò)程中的表現(xiàn)，以2口深水井為實(shí)例，通過(guò)計(jì)算軟件模擬井控過(guò)程，給深水井設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的井控工作提供了參考。

TE28

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0310- 05

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