基于事件樹的深水鉆井呼吸效應(yīng)識別研究

李成，吳謙，苑曉榮

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院（山東青島266580）2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院（河南濮陽457000）

■質(zhì)量安全論壇

基于事件樹的深水鉆井呼吸效應(yīng)識別研究

李成1，吳謙1，苑曉榮2

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院（山東青島266580）
2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院（河南濮陽457000）

為識別深水鉆井過程中發(fā)生的呼吸效應(yīng)，對其發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，分析呼吸效應(yīng)的過程特征。從鉆井液密度、鉆速、關(guān)井立壓套壓、外溢速度和外溢量等5個參數(shù)出發(fā)，將其與溢流進(jìn)行對比。應(yīng)用事件樹分析方法，以外溢量和關(guān)井立壓套壓作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于事件樹的深水鉆井呼吸效應(yīng)識別方法。該方法將深水鉆井過程中可能引起井口處發(fā)生外溢的5種情況的原因甄別為4種，其中兩種確定是發(fā)生呼吸效應(yīng)，一種確定是發(fā)生溢流，一種疑似呼吸效應(yīng)，一種疑似地層流體侵入，分別按照繼續(xù)鉆進(jìn)、關(guān)井壓井和用原鉆井液循環(huán)這三種方法進(jìn)行處理。該研究有助于深水鉆井現(xiàn)場作業(yè)時更加快捷識別呼吸效應(yīng)，并能夠及時采取相應(yīng)措施，避免深水井控事故的發(fā)生。

呼吸效應(yīng)；溢流；事件樹；深水鉆井；壓井

呼吸效應(yīng)是深水鉆井過程中發(fā)生的一種極易與溢流相混淆的現(xiàn)象，處理不當(dāng)會造成時間和資金的損失[1]。自20世紀(jì)80年代末以來，Gill[2]、Ram Ba?bu[3]、Lavrov和Tronvoll[4]、Ozdemirtas[5]、Shahri[6]等人針對陸地天然裂縫性地層，開展了呼吸效應(yīng)機(jī)理和影響因素的研究。林雍森[1]應(yīng)用決策樹分析法建立深水鉆井過程中呼吸效應(yīng)的識別方法，但部分分支有待商榷。鑒于此，筆者在對呼吸效應(yīng)與溢流進(jìn)行對比定性分析的基礎(chǔ)上，采用事件樹分析法，建立了深水鉆井呼吸效應(yīng)與溢流的甄別方法。

1 深水鉆井呼吸效應(yīng)發(fā)生機(jī)理與危害

1.1呼吸效應(yīng)的機(jī)理及特征

所謂的呼吸效應(yīng)就是在正常鉆進(jìn)循環(huán)時，部分鉆井液漏失進(jìn)地層中，在循環(huán)停止后，之前漏失進(jìn)地層中的鉆井液回吐到井筒內(nèi)，從而在井口觀察到鉆井液外溢的現(xiàn)象[1，5]。深水淺部地層壓實程度低，壓力窗口窄，致使井內(nèi)鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度易達(dá)到地層破裂壓力當(dāng)量密度而產(chǎn)生新的裂縫，再加上天然裂縫重新張開，鉆井液產(chǎn)生漏失。循環(huán)停止后，井內(nèi)壓力減小，裂縫閉合，之前漏失的鉆井液回吐進(jìn)井筒內(nèi)，進(jìn)而觀察到外溢的現(xiàn)象[7]。

呼吸效應(yīng)的特征可以概括為，當(dāng)鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度超過地層破裂壓力當(dāng)量密度時發(fā)生漏失，并在鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度低于地層破裂壓力時會有鉆井液回吐；另外，由于裂縫存儲空間有限，及地層與井筒內(nèi)壓差值有限，所以漏失和回吐量均是有限的，且漏失和回吐量幾乎相等。

1.2呼吸效應(yīng)的危害

呼吸效應(yīng)的危害主要表現(xiàn)在它和溢流的誤判。如果將呼吸效應(yīng)誤判為溢流，則會直接關(guān)井、壓井。這一過程耗時很長，對于深水鉆井來說，由于其平臺作業(yè)費(fèi)相當(dāng)高，如果誤判的話就會帶來高昂的資金損失。此外，由于深水淺部地層較為脆弱，如果發(fā)生的是呼吸效應(yīng)而又加重鉆井液循環(huán)的話，無疑會對地層造成一定的破壞，甚至?xí)?dǎo)致井漏事故發(fā)生[7]。相反，如果發(fā)生的是溢流，且沒有按照規(guī)定進(jìn)行關(guān)井、壓井，那將會發(fā)生井涌甚至是井噴。

2 呼吸效應(yīng)與溢流對比分析

溢流是因地層流體侵入井內(nèi)引起井口返出的鉆井液量比泵入量大，停泵后井口鉆井液自動外溢的現(xiàn)象[8]。對比呼吸效應(yīng)與溢流可以發(fā)現(xiàn)，兩者所引起的現(xiàn)象在最初的時候都是井口外溢。但溢流是地層流體侵入導(dǎo)致環(huán)空鉆井液密度降低，環(huán)空液柱壓力下降。而呼吸效應(yīng)中回吐到井筒內(nèi)的流體是之前漏失進(jìn)地層中的鉆井液，呼吸效應(yīng)前后鉆井液密度是保持不變的[9]。

關(guān)井期間，鉆柱內(nèi)、環(huán)空以及地層這三處壓力的關(guān)系滿足下列平衡式[10]：

式中：psp為關(guān)井立管壓力，MPa；phi為鉆柱內(nèi)靜液柱壓力，MPa；po為地層壓力，MPa；psa為關(guān)井套管壓力，MPa；pha為環(huán)空內(nèi)氣液混合靜液柱壓力，MPa。

如果發(fā)生的是呼吸效應(yīng)的話，回吐的是原鉆井液，密度沒有變化，從而phi和pha必然相等，對應(yīng)的psp和psa也相等。

由于回吐的鉆井液量幾乎等于之前的漏失量，因此在壓差作用下，井口處觀察到鉆井液的外溢是會逐漸減小直至停止，而對于溢流來說，外溢會越來越嚴(yán)重，如圖1所示。呼吸效應(yīng)與溢流的區(qū)別見表1。

3 深水鉆井呼吸效應(yīng)識別方法的建立

林氏方法[1]僅將環(huán)空摩阻作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場很難進(jìn)行實測和準(zhǔn)確計算。筆者以外溢量和關(guān)井立壓、套壓作為判斷依據(jù)，應(yīng)用事件樹分析法建立甄別呼吸效應(yīng)和溢流的方法。

圖1 外溢量與時間的關(guān)系示意圖

表1 溢流與呼吸效應(yīng)各項參數(shù)對比表

3.1呼吸效應(yīng)事件樹建立

事件樹分析是一種按事件發(fā)展順序推導(dǎo)所有可能發(fā)生后果的分析方法，其中所有事件在順序上存在著因果的邏輯關(guān)系[10]。根據(jù)之前所分析的呼吸效應(yīng)的機(jī)理，以及與溢流的區(qū)別，采取4個步驟來識別呼吸效應(yīng)，繪制事件樹如圖2所示。

3.2呼吸效應(yīng)事件樹分析

如圖2所示，將井口出現(xiàn)鉆井液外溢現(xiàn)象的5種情況的原因甄別為4種，具體分述解釋如下。

A：井口觀察到有鉆井液外溢后，如果外溢在到達(dá)警戒量之前停止，則說明為呼吸效應(yīng)，此時可以繼續(xù)作業(yè)。

圖2 呼吸效應(yīng)甄別事件樹

A_BCD：如果外溢量即將達(dá)到警戒值且無停止的征兆，為了井控安全需要立即關(guān)井。關(guān)井后如果測得關(guān)井立壓為零，說明原鉆井液密度足以平衡地層壓力。此時觀察關(guān)井套壓，如果關(guān)井套壓為零則可以開井，放出少量鉆井液便無流動或者流動明顯減小，說明此時發(fā)生的是呼吸效應(yīng)，情況恢復(fù)正常后可以繼續(xù)鉆進(jìn)。

綜上所述，結(jié)合事件樹圖的分析結(jié)果，判斷為呼吸效應(yīng)的情況為A，；判斷為溢流的情況為；疑似呼吸效應(yīng)的情況為；疑似地層流體侵入的情況為?？梢岳^續(xù)鉆進(jìn)的情況為A，；需要進(jìn)行壓井作業(yè)的情況為；需要用原鉆井液循環(huán)的情況為。

4 結(jié)論

1）在研究深水鉆井呼吸效應(yīng)發(fā)生機(jī)理基礎(chǔ)上，從鉆井液密度、鉆速、關(guān)井立壓套壓、外移速度和外溢總量等參數(shù)方面，開展了呼吸效應(yīng)和溢流的定性對比分析。

2）根據(jù)呼吸效應(yīng)和溢流發(fā)生的事件順序，以外溢量和關(guān)井立壓套壓作為判斷參數(shù)，建立了深水鉆井呼吸效應(yīng)和溢流甄別的事件樹。

3）根據(jù)所建立的事件樹，將深水鉆井過程中井口出現(xiàn)鉆井液外溢現(xiàn)象的原因甄別為二種呼吸效應(yīng)、一種溢流，一種疑似呼吸效應(yīng)，一種疑似地層流體侵入，并分別按照繼續(xù)鉆進(jìn)、關(guān)井壓井和用原鉆井液循環(huán)這三種方法進(jìn)行處理。

4）僅從定性方面進(jìn)行研究，未對呼吸效應(yīng)的機(jī)理和影響因素進(jìn)行定量分析。另外未針對呼吸效應(yīng)的某個機(jī)理或影響因素單獨進(jìn)行研究，這將是下一步研究的主要任務(wù)。

[1]林雍森.深水井控中地層呼吸效應(yīng)的識別與處理探討[J].海洋石油，2014,34（1）：72-76.

[2]Gill JA.How Borehole Ballooning A lters Drilling Responses [J].Oil&Gas Journal,1989,87(11):43-52.

[3]Ram Babu.Effect of P-ρ-T behavior ofmuds on loss/gain during high-temperature deep-well drilling[J].Journal of Pe?troleum Scienceand Engineering,1998,20(1):49-62.

[4]Lavrov A,Tronvoll J.Mechanicsofborehole ballooning in nat?urally-fractured formations[C]//SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference.Society of Petroleum Engineers, 2005.

[5]Ozdem irtas M,Babadagli T,Kuru E.Numerical Modelling of Borehole Ballooning/Breathing-Effectof Fracture Roughness [C]//Canadian International Petroleum Conference.Petro?leum Society of Canada,2007.

[6]Shahri M P,ZeyghamiM,Majidi R.Investigation of fracture ballooning and breathing in naturally fractured reservoirs:ef?fect of fracture deformation law[C]//Nigeria Annual Interna?tional Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engi?neers,2011.

[7]Majidi R,Miska SZ,Yu M,et al.Fracture ballooning in natu?rally fractured formations:mechanism and controlling factors [C]//SPEAnnual Technical Conference and Exhibition.Soci?ety ofPetroleum Engineers,2008.

[8]劉剛，金業(yè)權(quán).鉆井井控風(fēng)險分析與控制[M].北京：石油工業(yè)出版社,2011：3,12-13.

[9]陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)[M].東營：中國石油大學(xué)出版社,2000：232-237.

[10]陳國華.風(fēng)險工程學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2007：124-126.

Themechanism and the characteristics of the breath effect in deepwater drillingare studied in order to effectively identify it. Five parameters of drilling fluid density,drilling speed,shut-in casing pressure and riser pressure,overflow rate and overflow quantity when breath effecthappens are compared with thosewhen overflow happens.Takingoverflow quantity and shut-in casing pressure and riser pressure as judging standard,the identificationmethod of the deepwater drilling breath effectwas established based on the event treeanalysis.The causes leading to the leakageat thewellhead in the deepwater drilling processare classified 5 types,among them,two types are caused by breath effect,one type is caused by overflow,one type is doubted tobebreath effect,and one type is doubted to be formation fluid invasion.And they are dealtwith separately according to continuing drilling,shuttingand killingwell and circulatingus?ingoriginaldrilling fluid.Thisstudy ishelpful to themore rapid identification ofbreath effect in deepwater drillingand to take appropri?atemeasures in time to avoid the occurrence of deepwaterwell controlaccidents.

breath effect;overflow;event tree;deepwater drilling；wellkilling

王梅

2016-01-15

李成（1991-），男，主要從事井控風(fēng)險評價方面的研究。