深水鉆井井涌余量計(jì)算方法及壓井方法選擇

金業(yè)權(quán) 李　成 吳　謙

中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

深水鉆井井涌余量計(jì)算方法及壓井方法選擇

金業(yè)權(quán) 李成 吳謙

中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

金業(yè)權(quán)等.深水鉆井井涌余量計(jì)算方法及壓井方法選擇. 天然氣工業(yè)，2016，36（7）：68-73.

井涌余量是鉆井過(guò)程中正確判斷能否安全關(guān)井，以及采用何種方法壓井的重要參數(shù)，目前對(duì)于深水鉆井中井涌余量的計(jì)算仍存在諸多不足。為此，采用理論推導(dǎo)和實(shí)例驗(yàn)證的方法開(kāi)展了深井鉆井體積井涌余量計(jì)算方法的研究。以套管鞋處地層、套管抗內(nèi)壓、防噴器和節(jié)流裝置4個(gè)對(duì)象的承壓能力為約束條件，在考慮深水井筒溫度剖面、節(jié)流管匯和環(huán)空循環(huán)壓耗的基礎(chǔ)上，建立了體積井涌余量的計(jì)算模型，并以南海某深水實(shí)例井的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了模型的可靠性，最后得出該井可以安全關(guān)井且應(yīng)用工程師法壓井更為安全的結(jié)論。這與現(xiàn)場(chǎng)所采取的措施相符合。在此基礎(chǔ)上與文獻(xiàn)中所建立的未考慮溫度和壓耗的計(jì)算模型進(jìn)行比較，分析了節(jié)流管匯、環(huán)空壓耗以及井筒內(nèi)溫度對(duì)井涌余量大小的影響：如果不考慮壓耗和溫度的影響，會(huì)導(dǎo)致體積井涌余量變小，使得壓井條件更苛刻。此外還研究了泥漿池增量與溢流發(fā)生深度對(duì)井涌余量的影響規(guī)律，提出了相應(yīng)的提高井涌余量的技術(shù)措施。

深水鉆井 體積井涌余量 最大關(guān)井套壓 壓耗 井控 溢流

井涌余量是發(fā)生溢流后能否關(guān)井和使用何種方法壓井的判斷依據(jù)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者［1-9］針對(duì)陸地鉆井井涌余量進(jìn)行了大量研究，郝希寧［10］、中海油企標(biāo)［11］分別對(duì)深水鉆井體積井涌余量進(jìn)行了研究和規(guī)定，但均未考慮壓耗和深水鉆井井筒特殊溫度剖面這兩個(gè)重要因素的影響；最大關(guān)井套壓的約束條件單一；關(guān)井和壓井狀態(tài)下的井底壓力都等于地層孔隙壓力也是不恰當(dāng)?shù)?。鑒于此，將針對(duì)上述不足開(kāi)展深水鉆井體積井涌余量的研究。

1　基本理論

體積井涌余量是能夠安全關(guān)井和壓井的最大允許溢流侵入體積與泥漿池增量之差。若余量大于零則可以關(guān)井或壓井，且值越大關(guān)井和壓井越安全；若小于零則需采用特殊方法關(guān)井或壓井。

筆者在計(jì)算關(guān)井的最大允許溢流侵入體積時(shí)將井底壓力等于地層孔隙壓力［10-11］，如果等于壓井液液柱壓力則會(huì)導(dǎo)致關(guān)井井涌余量偏小，使得能關(guān)的井沒(méi)有及時(shí)關(guān)上，影響后期壓井作業(yè)。而壓井時(shí)，由于壓耗的存在，井底壓力應(yīng)等于壓井液靜液柱壓力。

2　基本假設(shè)

1）溢流流體為均勻、連續(xù)的氣柱，且發(fā)現(xiàn)溢流時(shí)侵入流體剛進(jìn)入井筒底部。

2）研究對(duì)象為直井，忽略鉆柱內(nèi)外徑及井筒內(nèi)徑變化。井控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　井控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3）忽略氣體溶解度和氣體產(chǎn)生的壓力，考慮溫度對(duì)氣體體積變化的影響，深水鉆井井筒環(huán)境溫度分布如圖2所示。氣體體積變化滿足氣體狀態(tài)方程［2］。

圖2　深水鉆井井筒環(huán)境溫度分布示意圖

3　深水鉆井體積井涌余量理論推導(dǎo)

3.1關(guān)井井涌余量的確定

深水鉆井中，最大關(guān)井套壓pamax以套管鞋地層、套管抗內(nèi)壓、井口防噴器和節(jié)流閥4個(gè)對(duì)象的承壓能力為約束條件［12］，如式（1）所示：

當(dāng)泥漿池液量發(fā)現(xiàn)增加時(shí)說(shuō)明井底有氣體溢出，此時(shí)井內(nèi)同時(shí)存在原鉆井液和氣體，且氣體在井底。井內(nèi)液體及侵入氣體分布如圖3所示，則關(guān)井所允許的最大井底壓力等于井底地層孔隙壓力：

最大允許侵入量為：

則關(guān)井井涌余量為：

圖3　溢流關(guān)井時(shí)環(huán)空及節(jié)流管線中流體分布示意圖

3.2 司鉆法壓井井涌余量的測(cè)定

壓井過(guò)程中，應(yīng)保持井底壓力等于當(dāng)井筒內(nèi)充滿壓井液時(shí)的靜液柱壓力［13-14］，當(dāng)氣柱頂端到達(dá)套管鞋時(shí)，如圖4-a所示，以套管鞋處地層破裂壓力為約束條件，壓力平衡式為：

井底條件下最大允許侵入體積為：

同理可得以套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%為約束條件（如圖4-a所示）、氣柱頂端到達(dá)井口時(shí)以防噴器工作壓力為約束條件（如圖4-b所示），以及到達(dá)節(jié)流閥處時(shí)以節(jié)流閥工作壓力為約束條件（如圖4-c所示）的壓力平衡式。則其他3種情況分別得出在井底壓力條件下的最大允許侵入體積為：

根據(jù)體積井涌余量的定義，司鉆法壓井井涌余量計(jì)算如式（10）所示：

3.3工程師法壓井井涌余量的測(cè)定

相比司鉆法井涌余量的計(jì)算，工程師法需要考慮當(dāng)侵入氣體到達(dá)某位置時(shí)壓井液是否到達(dá)或通過(guò)鉆頭。如果沒(méi)有，則該過(guò)程等同司鉆法壓井；如果壓井液到達(dá)或通過(guò)鉆頭，當(dāng)氣侵頂端到達(dá)套管鞋處時(shí)，如圖5-a所示，以套管鞋處地層破裂壓力為約束條件，建立壓力平衡式如式（11）：

井底條件下最大允許侵入體積為：

同理可得以套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%為約束條件（如圖5-a所示）、氣柱頂端到達(dá)井口時(shí)以防噴器工作壓力為約束條件（如圖5-b所示），以及到達(dá)節(jié)流閥處時(shí)以節(jié)流閥工作壓力為約束條件（如圖5-c所示）的壓力平衡式。則其他三種情況分別得出在井底壓力條件下的最大允許侵入體積為：

圖4　司鉆法壓井中環(huán)空及節(jié)流管線中流體分布示意圖

圖5　工程師法壓井中壓井液到達(dá)或通過(guò)鉆頭時(shí)環(huán)空及節(jié)流管線中流體分布示意圖

根據(jù)體積井涌余量的定義，工程師法壓井井涌余量計(jì)算如式（16）所示：

對(duì)比司鉆法壓井井涌余量Kd和工程師法壓井井涌余量Ke，若兩者均大于零，則說(shuō)明此時(shí)侵入體積還未達(dá)到最大允許侵入的體積，仍有一定空間允許用該方法進(jìn)行壓井作業(yè)，因而選用井涌余量大的方法進(jìn)行壓井，可以保證有較大的安全空間和施工時(shí)間；若兩者均小于零，說(shuō)明司鉆法壓井和工程師法壓井均不可以應(yīng)用，此時(shí)只能用特殊壓井方法進(jìn)行壓井?，F(xiàn)場(chǎng)具體選用的壓井方法應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件決定。

4　實(shí)例計(jì)算分析

南海某井水深1 700 m，設(shè)計(jì)井深5 300 m，于2012年2月25日開(kāi)鉆。當(dāng)鉆至3 250 m時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流。上層套管（?508 mm表層套管）下深2 600 m，發(fā)生溢流之前應(yīng)用的鉆井液密度為1.14 g/cm3，黏度為0.031 Pa·s，動(dòng)切力為10.4 Pa。鉆井液增量為0.32 m3（2 bbls），其他具體參數(shù)如表1所示。

表1　南海某深水井井控參數(shù)表

由表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，本次溢流發(fā)現(xiàn)及時(shí)總溢流量較小。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)按照前文內(nèi)容所述計(jì)算方法，計(jì)算得出：Ks= 36.64 m3，Kd= 3.77 m3，Ke= 11.03 m3，表明此時(shí)可以關(guān)井并應(yīng)用司鉆法和工程師法進(jìn)行壓井。由于Kd＜Ke，所以應(yīng)用工程師法壓井更安全。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際記錄資料顯示，該井最終采用的壓井方法為工程師法。

5　深水鉆井體積井涌余量影響因素分析

影響因素分析計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仍然采用第4章中的數(shù)據(jù)。

5.1壓耗和溫度對(duì)井涌余量的影響

本文建立的模型與文獻(xiàn)［10-11］中模型的最大區(qū)別是是否考慮節(jié)流管匯和環(huán)空循環(huán)壓耗［15-17］及井筒內(nèi)溫度變化的影響，若同時(shí)不考慮兩種因素及分別不考慮兩種因素的影響，所得結(jié)果如表2中所示。

表2　本文模型與文獻(xiàn)中模型結(jié)果對(duì)比表

由表2可知，壓耗和井筒內(nèi)溫度變化對(duì)Ks無(wú)影響，Kd/Ke（均不考慮）＜ Kd/Ke（不考慮壓耗）＜ Kd/Ke（不考慮溫度）＜ Kd/Ke（均考慮）。由此可知，如果不考慮壓耗和溫度的影響會(huì)使得井涌余量偏小，導(dǎo)致本可以應(yīng)用普通壓井方法的井應(yīng)用了特殊壓井方法，增加井控工作的復(fù)雜性。

5.2其他因素的影響

1）泥漿池增量對(duì)井涌余量的影響。如圖6所示，隨著侵入氣體量增多井涌余量均呈近似直線減小，且Ks＞Ke＞Kd，在侵入量為4.08 m3時(shí)司鉆法壓井井涌余量為零，此時(shí)不能應(yīng)用司鉆法壓井，只能應(yīng)用工程師法壓井。因此可以看出，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流可以獲得較大的關(guān)井和壓井井涌余量，為后續(xù)的關(guān)井和壓井施工提供足夠的時(shí)間保障。

圖6　泥漿池增量對(duì)井涌余量的影響圖

2）溢流發(fā)生深度的影響。如圖7所示，在2 800 m之前由于壓井液未到達(dá)鉆頭，Kd= Ke；隨著溢流發(fā)生深度增加，井涌余量逐漸減小，進(jìn)行關(guān)井和壓井作業(yè)越發(fā)困難，且Kd減小速度更快，當(dāng)深度為3 484 m時(shí)Kd= 0，只能應(yīng)用工程師法壓井。對(duì)于深部地層的氣體溢流來(lái)說(shuō)，由于上升過(guò)程中的膨脹，會(huì)導(dǎo)致更小的關(guān)井和壓井井涌余量，因此更應(yīng)該加強(qiáng)深部地層溢流的檢測(cè)和及時(shí)反應(yīng)采取應(yīng)對(duì)措施的工作。

圖7　溢流發(fā)生井深對(duì)井涌余量的影響圖

6　結(jié)論

1）在考慮深水井筒溫度分布、節(jié)流管匯和環(huán)空循環(huán)壓耗等影響因素的基礎(chǔ)上，以節(jié)流閥、防噴器、套管鞋地層和套管抗內(nèi)壓4個(gè)對(duì)象的承壓能力為約束條件建立了深水鉆井體積井涌余量計(jì)算模型。

2）應(yīng)用南海某深水實(shí)鉆井發(fā)生溢流時(shí)具體資料驗(yàn)證了模型的正確性。

3）將所得模型與文獻(xiàn)中模型進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，若不考慮節(jié)流管匯及環(huán)空循環(huán)壓耗的影響，對(duì)關(guān)井井涌余量無(wú)影響，壓井井涌余量減小，導(dǎo)致本可以應(yīng)用普通壓井方法的井應(yīng)用了特殊壓井方法，增加了井控工作的復(fù)雜性。

4）隨著侵入氣體體積的增加，3個(gè)井涌余量均呈近似線性下降。隨著溢流發(fā)生深度的增加，井涌余量也呈下降的趨勢(shì)，因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)深部地層的溢流，可以為安全井控贏得較為充裕的響應(yīng)時(shí)間。

符 號(hào) 說(shuō) 明

pamax表示最大關(guān)井套壓，kPa；pcv表示節(jié)流閥的最大工作壓力，kPa；pBOP表示防噴器最大工作壓力，kPa；pfshoe表示套管鞋處地層破裂壓力，kPa；pi表示套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，kPa；Gm表示原鉆井液壓力梯度，g/cm3；hc表示節(jié)流管匯長(zhǎng)度，m；hshoe表示套管鞋深度，m；H表示井深，m；Vmax表示井底壓力狀態(tài)下最大允許侵入體積，m3；Aa表示井筒環(huán)空截面積，m2；pp表示井底地層壓力，kPa；Vm表示泥漿池增量，m3；Tshoe表示套管鞋處溫度，K；Tp表示井底熱力學(xué)溫度K；Δpa表示套管鞋以下環(huán)空壓耗，kPa；pk表示壓井液靜液柱壓力，kPa；Δpa表示套管內(nèi)環(huán)空壓耗，kPa；TBOP表示井口防噴器處溫度，K；Δpc表示節(jié)流管匯壓耗，kPa；Tcv表示節(jié)流閥處溫度，K；Ac表示節(jié)流管截面積，m2；Vd表示從平臺(tái)到井底鉆柱內(nèi)容積，m3。Ks、Kd、Ke分別表示關(guān)井法、司鉆法、工程師法計(jì)算井涌余量；m3。

［1］ Pilkington PE， Niehaus HA. Exploding myths about kick tolerance［J］. World Oil， 1975， 180（7）： 59-62.

［2］ 郝俊芳. 平衡鉆井與井控［M］. 北京： 石油工業(yè)出版社， 1992：111-115.

Hao Junfang. Balanced drilling and well control［M］. Beijing：Petroleum Industry Press， 1992： 111-115.

［3］ 郝俊芳. 如何計(jì)算井涌余量［J］. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)， 1983， 5（3）：45-50.

Hao Junfang. How to calculate kick tolerance［J］. Journal of Southwest Petroleum Institute， 1983， 5（3）： 45-50.

［4］ 劉凱. 如何認(rèn)識(shí)和計(jì)算井涌余量［J］. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)， 1990，12（1）： 37-45.

Liu Kai. How to recognize and calculate kick tolerance［J］. Journal of Southwest Petroleum Institute， 1990， 12（1）： 37-45.

［5］ Redmann JP. Understanding kick tolerance and its significance in drilling planning and execution［J］. SPE Drilling Engineering，1991， 6（4）： 245-249.

［6］ Santos O， Adasani I， Azar JJ， Escorihuela F. Determination of casing setting depth using kick tolerance concept［C］//Petroleum Computer Conference， 11-14 June 1995，Houston，Texas， USA. DOI： http：//dx.doi.org/10.2118/30220-MS.

［7］ Dedenuola AD， Iyamu IE， Adeleye OA. Stochastic approach to kick tolerance determination in risk based designs［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition， 5-8 October 2003，Denver，Colorado， USA.DOI：http：//dx.doi.org/10.2118/84174-MS.

［8］ Santos HM， Catak E. Kick tolerance misconceptions and consequences to well design［C］//SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition， 1-3 March 2011，Amsterdam，The Netherlands. DOI：http：//dx.doi.org/10.2118/140113-MS.

［9］ Sonnemann P， Santos HM. Transitional kick tolerance［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition， 8-10 October 2012，San Antonio，Texas，USA.http：//dx.doi.org/10.2118/159175-MS.

［10］ 郝希寧， 蘇峰， 蔣世全， 田崢， 寇貝貝. 南海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.

Hao Xining， Su Feng， Jiang Shiquan， Tian Zheng， Kou Beibei. Main control factors of kick tolerance for deepwater drilling in South China Sea［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2015，37（1）： 60-63.

［11］ 中國(guó)海洋石油總公司. Q/HS 14007-2011 深水探井鉆井工程設(shè)計(jì)指南［S］. 北京：石油工業(yè)出版社，2012.

China National Offshore Oil Corporation. Q/HS 14007-2011 Guideline for drilling design of deepwater exploration wells［S］. Beijing： Petroleum Industry Press， 2012.

［12］ 陳庭根， 管志川. 鉆井工程理論與技術(shù)［M］. 東營(yíng)： 石油大學(xué)出版社， 2000： 238.

Chen Tinggen， Guan Zhichuan. Theory and technology of drilling engineering［M］. Dongying： Petroleum University Press， 2000：238.

［13］ 陳啟軍. 深水鉆井環(huán)空ECD計(jì)算［J］. 科技信息， 2009（29）：458.

Chen Qijun. Calculation of annular ECD in deepwater drilling［J］. Science & Technology Information， 2009（29）： 458.

［14］ 趙勝英， 鄢捷年， 李懷科， 耿嬌嬌， 王利國(guó)， 楊虎. 高溫深井鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度預(yù)測(cè)模型［J］. 鉆井液與完井液， 2009，26（2）： 30-34.

Zhao Shengying， Yan Jienian， Li Huaike， Geng Jiaojiao， Wang Liguo， Yang Hu. A prediction model for drilling fluid ECO in high temperature deep wells［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2009， 26（2）： 30-34.

［15］ 張曙輝， 劉瑞文， 王介玉， 楊海英. 深水井控中節(jié)流管線摩阻分析及壓井方法［J］. 石油鉆探技術(shù)， 2006， 34（5）： 28-29.

Zhang Shuhui， Liu Ruiwen， Wang Jieyu， Yang Haiying. A method of killing well and analysis on choke-line friction losses for deepwater-well control［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2006，34（5）： 28-29.

［16］ 劉瑞文， 張曙輝， 于鐵軍. 深水井控司鉆法壓井模擬［J］. 鉆采工藝， 2007， 30（3）： 23-26.

Liu Ruiwen， Zhang Shuhui， Yu Tiejun. Killing simulation of driller's method in deep water well control［J］. Drilling & Production Technology， 2007， 30（3）： 23-26.

［17］ 王志遠(yuǎn)， 孫寶江. 深水司鉆壓井法安全壓力余量及循環(huán)流量計(jì)算［J］. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2008， 32（3）： 71-74.

Wang Zhiyuan， Sun Baojiang. Calculation of safety pressure margins and circulation rate of well killing by deep water driller's method［J］. Journal of China University of Petroleum： Edition of Natural Science， 2008， 32（3）： 71-74.

（修改回稿日期 2016-05-11 編 輯 凌 忠）

Methodology for kick tolerance calculation and well killing in deepwater drilling

Jin Yequan， Li Cheng， Wu Qian
（College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.68-73， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

Kick tolerance is a key parameter to indicate whether shut-in operation can be carried out safely and a proper well killing method should be chosen in well drilling. At present， however， the calculation of kick tolerance in deepwater drilling is not efficient enough. In this paper， a calculation method for volume kick tolerance of deepwater drilling was developed by means of theoretical derivation and example verification. Based on deepwater borehole temperature profile， choke manifold and annulus circulating pressure loss，the calculation model of volume kick tolerance was established under the constraint of the pressure-bearing capacity of the formation at the casing shoe， resistance to internal pressure of casing， blowout preventer （BOP） and choke control. Then， its reliability was verified by using the calculation results of a deepwater well in the South China Sea. It is indicated that the well can be shut in safely and the well killing will be safer if the Engineer's Method is used. The result is in agreement with the measures that were adopted on site. Finally， the newly developed calculation model was compared with those which don't take temperature and pressure loss into account， and the effect of choke manifold， annulus pressure loss and temperature inside wellbore on kick tolerance was analyzed. It is shown that the volume kick tolerance will get smaller if the effect of pressure loss and temperature is not taken into account， and the well killing conditions will be more rigorous. In addition， the technical measures to increase kick tolerance were proposed after the influential laws of pit gain and overflow depth on kick tolerance were analyzed.

Deepwater drilling； Volume kick tolerance； Maximum shut-in casing pressure； Pressure loss； Well control； Overflow

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.010

金業(yè)權(quán)，1968年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士；主要從事油氣井力學(xué)、信息與控制以及井控風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的研究工作。地址：（266580）山東省青島市黃島區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院。電話：15063018525。ORCID：0000-0002-3741-8297。E-mail：jinyequan156@126.com