墨西哥深水鹽下井呼吸效應(yīng)識別及處理實(shí)踐

林志強(qiáng)，項(xiàng)明，張向華，張星星 (中國海洋石油國際有限公司，北京 100028)

0 引言

墨西哥區(qū)塊位于美國墨西哥邊境地區(qū)，地層復(fù)雜，如圖1所示。這是該公司首次在該地區(qū)進(jìn)行深水鉆井作業(yè)。區(qū)域鹽層以次生鹽為主。層序變化大，厚度大，最大厚度可達(dá)3 100 m。由于鹽層向淺層的遷移，在鹽層中可能存在高壓鹽裂縫和裂縫帶的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于鹽層本身的特點(diǎn)，難以準(zhǔn)確預(yù)測，鹽下地層的深度也具有很大的不確定性。窄壓力窗引起的呼吸效應(yīng)和溢流特性復(fù)雜，容易產(chǎn)生井控安全問題。所謂呼吸效應(yīng)，是指在正常鉆井作業(yè)的過程中，部分鉆井液被壓入到地層之中。而在停止循環(huán)后，之前被壓入到地層中的鉆井液會返回到井筒，從而在井口處表現(xiàn)出鉆井液外溢的現(xiàn)象[1]。

圖1 墨西哥灣深水鹽下井典型地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

1 深水鹽下井作業(yè)難點(diǎn)

(1)深水地層承壓能力弱。在相同井深下，深井壓裂壓力梯度減小，地層承壓能力變?nèi)酢?/p>

(2)深水井溢流監(jiān)測困難。侵入井筒的油氣很容易溶解在使用油基或合成基鉆井液中。侵入的流體在這種情況下流入循環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)并不會發(fā)生明顯的變化，使得要觀察溢流的發(fā)生需要很長時(shí)間。

(3)深水壓井窗口非常窄。相較于陸地情況，地層破裂壓力會隨水深的增加而降低，鉆井過程中由于安全窗口(破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之差)的變窄，從而導(dǎo)致井涌余量減少。

(4)深水呼吸效應(yīng)初期作用的效果類似于溢流現(xiàn)象，但不同的是，鉆井液在呼吸作用下的溢出會逐漸停止，而溢流則溢出會變得越來越嚴(yán)重。

2 深水鹽下井呼吸效應(yīng)形成機(jī)理

由于世界范圍內(nèi)人們對呼吸效應(yīng)的了解和研究有限，呼吸效應(yīng)在國外被稱為Borehole Ballooning，但大多側(cè)重于陸地鉆井。呼吸效應(yīng)即當(dāng)循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，呼吸效應(yīng)在深水鉆井中循環(huán)當(dāng)量鉆井液密度(ECD)達(dá)到或超過安全密度窗口的上限的情況下更容易發(fā)生。同理，呼吸效應(yīng)由于地層的安全密度窗隨著水深增加的減小，導(dǎo)致其更容易發(fā)生。

目前對地層呼吸效應(yīng)的廣泛認(rèn)可的主流解釋是由于開泵循環(huán)條件和停泵靜態(tài)條件過程中產(chǎn)生的井下壓力波動(dòng)從而導(dǎo)致裂縫的打開和閉合。

因此，為了研究呼吸效應(yīng)的機(jī)理并采取預(yù)防措施，井內(nèi)循環(huán)壓力的變化必須要首先做到確定和控制，主要包括環(huán)空循環(huán)壓力損失和鉆井液靜水壓力。

鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度(ECD)一般用來在工程實(shí)際中表示，即：

式中：ESD為靜態(tài)當(dāng)量鉆井液密度(g/cm3)；ΔρLa為環(huán)空循環(huán)壓耗當(dāng)量密度(g/cm3)。

其中深水鉆井井中溫度對鉆井液密度的影響不容忽視。深水溫壓場下鉆井液靜態(tài)密度預(yù)測計(jì)算模型國內(nèi)外目前主要有兩種，一種是復(fù)合模型，該模型將鉆井液按照各組分分別在對應(yīng)溫壓下鉆井液密度，但該方法較為復(fù)雜故實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)。另一種方法就是通過對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合得出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停恍鑼λ鶓?yīng)用鉆井液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定系數(shù)，即可算出ESD。

若要計(jì)算整個(gè)循環(huán)過程中，鉆井液造成的壓力損耗，則需要確定不同鉆井液的流變模式，進(jìn)而描述鉆井液在鉆柱內(nèi)和環(huán)空中的流動(dòng)，從而得到ECD所需的環(huán)空循環(huán)壓耗。

而針對地層呼吸效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，則需要考慮裂縫的變形定律，即裂縫開度和流體壓力之間的關(guān)系：

式中：w是指定點(diǎn)的裂縫孔徑(m)；w0是線性化參數(shù)(m)；P是裂縫內(nèi)部該點(diǎn)處的壓力(Pa)；Kn是裂縫開度增量與流體壓力增量的比例系數(shù)，稱為裂縫的法向剛度(MPa/m)。

然后根據(jù)質(zhì)量守恒原理，則可以通過雷諾潤滑理論方程，得到地層呼吸效應(yīng)的控制方程，即：

3 深水鹽下井呼吸效應(yīng)處理分析

石油行業(yè)對井控的要求愈發(fā)嚴(yán)格，目前各石油公司的企標(biāo)中均規(guī)定，若發(fā)現(xiàn)鉆井液外溢現(xiàn)象，立即關(guān)井處理。如果失誤將呼吸效應(yīng)判斷為溢流從而進(jìn)行關(guān)井壓井等作業(yè)，極大浪費(fèi)作業(yè)成本。反之如果失誤將溢流判斷成呼吸效應(yīng)而不壓井的話，則將會導(dǎo)致井控失事。中海油南海海上作業(yè)給出了判斷呼吸效應(yīng)的原則：前提是必須有鉆井液損失，并且在溢流過程中回流速度逐漸降低。如果是否為呼吸效應(yīng)還無法確定，則必須要遵循井控相關(guān)的程序進(jìn)行關(guān)井。

2020年10月在墨西哥區(qū)塊S井施鉆時(shí)，在12-1/4 in井段發(fā)生溢流壓井，在兩套鹽之間包裹地層遇到異常高壓砂體，僅鉆入新地層74.7 m，其中鹽層30.5 m，鹽下泥巖44.2 m，未鉆遇砂巖地層，且鉆進(jìn)期間無油氣顯示；結(jié)合鉆進(jìn)期間觀測到的地層呼吸效應(yīng)情況，初步判斷本次“溢流”為呼吸效應(yīng)導(dǎo)致。29日15:30采取環(huán)空泄壓方式判斷驗(yàn)證，如圖2所示：第一次泄壓，套壓從7.9 MPa降至6.3 MPa后升至7.8 MPa；第二次泄壓，套壓從8.2 MPa降至6.1 MPa后升至7.6 MPa；第三次泄壓，套壓從7.3 MPa降至5.2 MPa后升至6.5 MPa；第四次泄壓，套壓從6.5 MPa降至0；觀察循環(huán)池液面穩(wěn)定，無溢流。現(xiàn)場確認(rèn)本次溢流為呼吸效應(yīng)導(dǎo)致。

圖2 井下呼吸效應(yīng)驗(yàn)證

29日15:30套壓釋放至0，立壓仍顯示6.5 MPa，未泄壓；根據(jù)鉆井船方井控檢查規(guī)定進(jìn)行進(jìn)一步“井控風(fēng)險(xiǎn)”排除操作：保持上萬能防噴器關(guān)閉，上下活動(dòng)鉆具，觀察立壓無明顯變化；關(guān)閉閘板防噴器，循環(huán)檢查“BOP圈閉氣”，未發(fā)現(xiàn)圈閉氣；保持萬能防噴器關(guān)閉，計(jì)量罐觀察環(huán)空，無溢流；打開萬能防噴器，開井觀察，無溢流；循環(huán)一周檢查，未見異常。30日11:00“井控風(fēng)險(xiǎn)”排除，恢復(fù)起鉆作業(yè)。

4 深水鹽下井呼吸效應(yīng)初步研究

本井的呼吸效應(yīng)處理過程表明，亟需創(chuàng)建深水鹽下地層呼吸效應(yīng)影響下的地層-井筒耦合模型，揭示呼吸效應(yīng)導(dǎo)致井漏、溢流假象的本質(zhì)，突破深水鹽下地層鉆井井涌難以準(zhǔn)確識別的難題。在作業(yè)分析過程中，操作員使用事件樹進(jìn)行分析。它是一種分析方法，根據(jù)事件的發(fā)展順序推斷所有可能的后果，其中所有事件在序列中都有因果邏輯關(guān)系。如圖3所示，從井下工藝設(shè)備分析、地層因素、人為管理因素三方面建立深水鹽下地層呼吸效應(yīng)層次結(jié)構(gòu)模型，基于鉆井液密度、鉆井速度、關(guān)井立壓力和套管壓力、溢流速度和溢流量五個(gè)參數(shù)，將其與溢流進(jìn)行了比較。在隨后的深水鹽鉆井過程中，發(fā)生了兩次類似的井口鉆井液泄漏情況。根據(jù)建立的一種基于決策樹的深水鹽下鉆井呼吸效應(yīng)對應(yīng)識別方法，將其識別為呼吸效應(yīng)和溢流，并按照連續(xù)鉆井和關(guān)井壓井的方法進(jìn)行后續(xù)的處理。

圖3 墨西哥深水鹽下井呼吸效應(yīng)處理決策樹

5 結(jié)論與建議

(1)深水鹽下井鉆井過程中在兩套鹽之間包裹地層遇到異常高壓砂體，形成下噴上漏，造成嚴(yán)重呼吸效應(yīng)，浪費(fèi)大量處理時(shí)間。

(2)根據(jù)建立的深水鹽下鉆井呼吸效應(yīng)決策樹，確定后續(xù)深水鹽下鉆井中鉆井液溢流的原因?yàn)楹粑?yīng)和溢流，并根據(jù)繼續(xù)鉆井和關(guān)井壓井進(jìn)行處理。

(3)隨著石油勘探向深水鉆井和復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、超深井鉆井方向發(fā)展，基于決策樹的深水鹽鉆井呼吸效果識別方法的應(yīng)用前景越來越廣闊。