南海北部陸坡淺水流評(píng)估及深水鉆井防治措施

任韶然, 宮智武, 張 亮, 李?？? 韓 波, 任建華, 章 楊

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司,河北河間 062450; 3.中國(guó)石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,江蘇南京 210011; 4.大港油田采油工藝研究院,天津 300280)

南海北部陸坡淺水流評(píng)估及深水鉆井防治措施

任韶然1, 宮智武1, 張 亮1, 李?？?, 韓 波1, 任建華3, 章 楊4

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司,河北河間 062450; 3.中國(guó)石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,江蘇南京 210011; 4.大港油田采油工藝研究院,天津 300280)

深水鉆井中淺水流噴發(fā)會(huì)對(duì)鉆井安全產(chǎn)生很大影響。基于淺水流形成條件和南海北部陸坡古地質(zhì)環(huán)境,分析目標(biāo)海域淺水流的潛在風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)水流噴出速率,量化淺水流危害等級(jí),并建立能夠模擬淺水流上噴或噴出的數(shù)值模擬模型,分析典型工況下淺水流層壓力、規(guī)模、孔滲條件及鉆速對(duì)其噴出過(guò)程的影響。結(jié)果表明:南海北部陸坡存在淺水流形成的古地質(zhì)條件,但淺水流規(guī)模較小,壓力系數(shù)較低,鉆進(jìn)中發(fā)生嚴(yán)重淺水流危害的概率較低;淺水流噴發(fā)具有“壓力-水瞬間高速釋放”的特征;采用低密度海水鉆井液鉆進(jìn),鉆遇壓力系數(shù)為1.15的淺水流層,鉆井液停止循環(huán)后水流噴出速率和噴出量可達(dá)70 m3/h和60 m3;淺水流噴發(fā)主要受其壓力和規(guī)模控制。針對(duì)目標(biāo)海域淺水流特征及控制因素,提出了控制淺水流危害的措施。

深水鉆井; 淺水流; 定量評(píng)估; 數(shù)值模擬; 災(zāi)害控制

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,在石油需求量不斷增加的當(dāng)下得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1-3]。然而海洋鉆井,尤其是深水鉆井,也面臨諸多挑戰(zhàn)。其中,淺水流嚴(yán)重影響鉆井進(jìn)程與安全,已成為深水鉆井最主要的5大危害之一[4]。據(jù)報(bào)道,墨西哥灣、北海和挪威海等深水海域鉆井過(guò)程中均遇到過(guò)較為嚴(yán)重的淺水流問(wèn)題。尤其是墨西哥灣,66%的深水井都鉆遇到了淺水流災(zāi)害,據(jù)統(tǒng)計(jì),123口井中有24%無(wú)法修復(fù),DeepStar集團(tuán)認(rèn)為淺水流是該區(qū)深水鉆井中遭遇的最嚴(yán)重危害[5]。淺水流是指覆存于水深800 m以上的深水區(qū),海底泥線以下1 000 m內(nèi)地層中的高壓水流砂體,大多為未固結(jié)的疏松砂巖體,常被低滲透蓋層覆蓋,壓實(shí)作用較弱,孔隙度為38%～45%,滲透率也很高,水體和砂體易流動(dòng),其圍壓和有效應(yīng)力分別為5～45 MPa和0～7 MPa[4]。鉆遇后砂體與水體在壓差作用下涌入井眼,沿環(huán)空上涌,甚至造成嚴(yán)重的井涌井噴事故。淺水流涌入井筒后不斷沖刷侵蝕井筒和地層,導(dǎo)致井眼變形擴(kuò)大,破壞井壁穩(wěn)定;淺水流噴出后也會(huì)使地層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,破壞地層穩(wěn)定,甚至引起嚴(yán)重的海底滑坡;水流與鉆井液混合,將嚴(yán)重影響鉆井液密度、黏度等性能。墨西哥灣GB515#1井鉆井經(jīng)驗(yàn)表明,某些條件下,淺水流上涌使地層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,低應(yīng)力下微小應(yīng)變循環(huán)可能導(dǎo)致地層孔隙度降低,使孔隙壓力更高,加重淺水流危害[5]。深水鉆井淺水流危害已得到了越來(lái)越廣泛的重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已基于墨西哥灣、北海等深水海域的眾多淺水流案例,描述了淺水流對(duì)深水鉆井安全的影響,并從地球物理手段預(yù)測(cè)、動(dòng)力壓井以及固井作業(yè)優(yōu)化等方面總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)控制淺水流危害的措施[4-20]。對(duì)于新開(kāi)發(fā)的中國(guó)南海海域,淺水流潛在風(fēng)險(xiǎn)尚不明確,且目前淺水流的研究主要集中于定性描述,缺乏定量評(píng)估,對(duì)其危害機(jī)制及主要影響因素也尚不明確。筆者針對(duì)南海深水目標(biāo)海域地質(zhì)環(huán)境,分析其淺水流潛在風(fēng)險(xiǎn),并建立模型模擬鉆井過(guò)程中淺水流上噴或噴出過(guò)程,對(duì)其影響與控制因素進(jìn)行定量分析,為深入認(rèn)識(shí)和控制南海目標(biāo)海域淺水流危害提供基礎(chǔ)。

1 南海北部陸坡淺水流形成條件分析及評(píng)估

深水海域淺水流的形成須3個(gè)主要條件[21]:①疏松未固結(jié)且具有較大孔隙度和滲透率的砂質(zhì)沉積物,為水體提供聚集場(chǎng)所;②低滲透率且可形成有效封閉層的泥質(zhì)沉積物,為水體提供蓋層;③形成異常超壓,在鉆遇時(shí)水體和砂體由于壓差的存在迅速噴出。淺水流層的形成通常與深水水道等的發(fā)育有關(guān),南海北部陸坡深水盆地中早期廣泛發(fā)育水道侵蝕作用,隨著區(qū)域構(gòu)造沉降和海平面變化的影響,濁積水道開(kāi)始充填濁積砂體,這些巨厚的砂體后來(lái)被低滲透率泥巖或頁(yè)巖地層所覆蓋,隨著埋深的增加,地層載荷也不斷增加,層間孔隙流體不能有效排出,同時(shí)下伏地層中排除的流體不斷積累,形成局部異常超壓環(huán)境,即淺水流層。當(dāng)該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或人為的破壞作用時(shí),其中的流體在超壓作用下便可能沿?cái)嗔褬?gòu)造或套管向上移動(dòng),形成淺水流災(zāi)害[21],如圖1所示。該過(guò)程中最顯著的特點(diǎn)是地層沉積速率較快,一般高于1 mm/a,水體來(lái)不及釋放而形成異常高壓。

圖1 淺水流形成過(guò)程Fig.1 Formation process of shallow water flow

孫運(yùn)寶[21]對(duì)南海目標(biāo)海域的古地質(zhì)條件的分析研究表明,南海北部古陸坡總體水動(dòng)力條件較強(qiáng),古珠江發(fā)育多期大型峽谷水道,向白云凹陷運(yùn)移大量粗粒碎屑物,同時(shí)發(fā)育大型高孔高滲深水扇沉積,作為潛在的超壓水體包裹體,為淺水流的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ);該地區(qū)上新世以來(lái)的海相細(xì)粒沉積物具有良好的封閉作用,可為超壓淺水流層提供良好的蓋層。同時(shí),該地區(qū)自中新世以來(lái),沉積速率較高,特別是更新世,沉積速率為54～450 cm/a,具有形成淺水流的條件。此外,南海北部陸坡淺層存在大量天然氣水合物,可分解產(chǎn)生大量的水,束縛在砂體中不易向外排放,可能產(chǎn)生超壓水體。此外,殼牌公司在南海Gumusut-1F井鉆井時(shí)曾鉆遇淺層流,屬輕微超壓,比靜液壓力高0.7 MPa,也證明了南海深水海域可能存在淺水流層[6]。因此南海深水區(qū)存在形成淺水流的古地質(zhì)條件,但至今未見(jiàn)大型淺水流災(zāi)害的報(bào)道?？梢酝茰y(cè),南海目標(biāo)海域存在潛在的淺水流風(fēng)險(xiǎn),但淺水流層規(guī)模較小,壓力系數(shù)(<1.2)較低,鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重的淺水流噴出危害的概率較低。

2 淺水流噴出數(shù)值模擬模型及量化分級(jí)

2.1 淺水流噴出數(shù)值模擬模型

2.1.1 模型假設(shè)

(1)流砂為密度和黏度較大的流體組分。淺水流噴發(fā)過(guò)程中砂體可能隨水運(yùn)移。由于分析推測(cè)南海目標(biāo)區(qū)域淺水流層規(guī)模較小、超壓系數(shù)較低,淺水流噴發(fā)過(guò)程中砂體運(yùn)移量較少,對(duì)水的流動(dòng)的影響也相對(duì)較小。此時(shí),砂體可以認(rèn)為是可流動(dòng)的密度和黏度較高的固體組分。

(2)砂水兩相流動(dòng)符合達(dá)西定律。

(3)忽略毛管力的影響。

2.1.2 質(zhì)量守恒方程

水相質(zhì)量守恒方程為

(1)

砂相質(zhì)量守恒方程為

(2)

式中,k為淺水流層絕對(duì)滲透率,10-3μm2;Krw為水的相對(duì)滲透率;Krs為流砂的相對(duì)滲透率;ρw為水密度,g/cm3;ρs為流砂密度,g/cm3;μw為水黏度,mPa·s;μs為流砂黏度,mPa·s;p為淺水流層壓力,MPa;g為重力加速度系數(shù);z為相對(duì)高度,m;t為自鉆遇淺水流層起記錄的時(shí)間,s;φ為淺水流層孔隙度;Sw為含水飽和度;Ss為流砂飽和度。

2.1.3 考慮壓縮系數(shù)的孔滲條件和水-砂密度

φ=φi(1+Cs(p-pi)),

(3)

(4)

ρw=ρwi(1+Cw(p-pi)),

(5)

ρs=ρsi(1+Cs(p-pi)).

(6)

式中,φi為淺水流層初始孔隙度;Cs為砂的壓縮系數(shù),MPa-1;pi為淺水流層初始?jí)毫?MPa;ki為淺水流層初始絕對(duì)滲透率,10-3μm2;n為指數(shù)系數(shù),n=3;ρwi為初始?jí)毫ο滤拿芏?g/cm3;Cw為水的壓縮系數(shù),MPa-1;ρsi為初始?jí)毫ο铝魃暗拿芏?g/cm3。

2.2 淺水流危害量化分級(jí)

BP公司首先基于流體上噴高度,對(duì)淺水危害進(jìn)行了分級(jí),如圖2所示。

圖2 淺水流危害分級(jí)Fig.2 Classification of shallow water flow hazards

結(jié)合高永海等[22-23]建立的深水油氣鉆探井筒多相流動(dòng)模型,將流體噴出速度與上噴高度對(duì)應(yīng),得到基于水流噴出速度的淺水流危害定量分級(jí):輕微流動(dòng)(<16 m3/h)、低速流(16～40 m3/h)、中等流動(dòng)(40～95 m3/h)、高速流(95～180 m3/h)以及超高速流(>180 m3/h)。如果在鉆井過(guò)程中遇到中等以上的淺水流危害,極有可能產(chǎn)生井涌井噴事故,將嚴(yán)重威脅鉆井安全。

3 南海目標(biāo)海域淺水流危害定量評(píng)估

3.1 南海典型淺水流地質(zhì)模型

根據(jù)南海淺水流規(guī)模較小、壓力系數(shù)較低的特點(diǎn),建立目標(biāo)海域典型淺水流概念地質(zhì)模型,其基本參數(shù):水深1 800 m,淺水流層位置為泥線下600～700 m,滲透率3 μm2,流砂飽和度0.10,水密度1.035 g/cm3,淺水流層規(guī)模400 m×100 m×100 m,孔隙度0.40,水飽和度0.90,地層平均壓力28 MPa(壓力系數(shù)1.15),水壓縮系數(shù)4.557×10-4MPa-1,砂體密度2.600 g/cm3。

該淺水流層位置處?kù)o水壓力約為25 MPa,對(duì)于壓力為28 MPa(壓力系數(shù)為1.15)的淺水流層,鉆井液循壞狀態(tài)下,氣井有效井底壓力高于靜液柱壓力(25 MPa)3.0～5.0 MPa,即鉆進(jìn)過(guò)程中有效井底壓力與淺水流層壓力基本平衡,鉆進(jìn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生淺水流上噴災(zāi)害。這也可以在一定程度上解釋南海深水鉆井鉆進(jìn)過(guò)程中至今未見(jiàn)嚴(yán)重淺水流危害的報(bào)道。然而,鉆井液停止循環(huán)后,由于鉆井液靜柱壓力低于地層壓力,將發(fā)生淺水流噴出事件。當(dāng)淺水流層壓力超過(guò)28 MPa,即壓力系數(shù)超過(guò)1.15時(shí),鉆進(jìn)過(guò)程中即可能發(fā)生淺水流上噴危害。

3.2 鉆井液停止循環(huán)后水流噴出動(dòng)態(tài)

運(yùn)用淺水流上噴或噴出模型模擬鉆遇典型淺水流層,鉆井液停止循環(huán)后水流噴出動(dòng)態(tài),包括噴出速率、噴出量和地層壓力變化,如圖3所示。

從圖3中可以看出,在壓力系數(shù)為1.15的條件下,鉆井液停止循環(huán)后,由于地層壓力高于井底壓力,淺水流迅速涌向井筒,水流噴出速率迅速升高。在0.5 h時(shí),水流噴出速率達(dá)到峰值70 m3/h,達(dá)到“中等流動(dòng)”,同時(shí)該過(guò)程中地層壓力快速釋放衰減,之后水流噴出速率迅速降低。在2.5 h時(shí),累積噴水量達(dá)到60 m3,如果未采取有效措施,可能造成比較嚴(yán)重的井涌事故?？梢钥闯?淺水流噴發(fā)具有“壓力-水瞬間高速釋放”的特征。噴出后地層壓力迅速降低。

3.3 淺水流噴出影響因素

當(dāng)淺水流層壓力超過(guò)28 MPa,即壓力系數(shù)超過(guò)1.15時(shí),地層壓力將高于井底有效壓力,鉆進(jìn)過(guò)程中即可能發(fā)生淺水流危害。鉆井過(guò)程中淺水流噴出受多種因素影響,以下研究淺水流層壓力系數(shù)、規(guī)模、孔滲條件以及鉆進(jìn)速度對(duì)鉆穿淺水流層過(guò)程中水流噴出的影響,為進(jìn)一步評(píng)估淺水流危害提供依據(jù),如圖4所示。

圖3 鉆井液停止循環(huán)后淺水流噴出過(guò)程中噴出 速率、噴出量和地層壓力的變化Fig.3 Variation of water blowout rate, cumulative water blowout and formation pressure with time after circulation stop

由圖4可以看出:淺水流層壓力越高,噴水量越大。在壓力系數(shù)達(dá)到1.5的條件下,淺水流噴出速率峰值可達(dá)200 m3/h,達(dá)到“超高速流動(dòng)”,鉆穿淺水流層時(shí)噴水量可達(dá)120 m3,將引起嚴(yán)重的井涌事故。壓力系數(shù)對(duì)淺水流噴出影響非常大,壓力系數(shù)升高10%會(huì)使噴水量增加近200%;淺水流層厚度越大,水體儲(chǔ)量越大,噴水量越高。淺水流層厚度增加10%,會(huì)使水流噴出速度峰值提高15%,噴水量升高30%;噴水量隨著孔隙度和滲透率的增加而升高,但其影響相對(duì)較小,淺水流層孔滲升高10%,水流噴出速度峰值升高10%,噴水量升高15%;針對(duì)南海典型淺水流層,提高鉆進(jìn)速度會(huì)使水流噴出速度峰值有一定程度的提前,這是因?yàn)樘岣咩@進(jìn)速度,一定時(shí)間內(nèi)會(huì)鉆開(kāi)更厚的淺水流層,使水流噴出速度峰值提前,同時(shí)一定范圍內(nèi)提高鉆速也可能使水流噴出速度峰值有一定程度的提高,這是由于提高鉆速后鉆穿淺水流層所用時(shí)間減少,水流噴出速度達(dá)到峰值之前鉆開(kāi)的層位水體釋放相對(duì)較少,使水流噴出速度達(dá)到峰值時(shí)地層中存在更多的水體,峰值相對(duì)更高。但是,水流噴出速度峰值持續(xù)時(shí)間非常短,這一時(shí)間內(nèi)水流噴出量對(duì)鉆穿淺水流層的整個(gè)過(guò)程中水流噴出量的影響相對(duì)較小,而提高鉆速后鉆穿淺水流層時(shí)水流噴出量顯著降低,將鉆速?gòu)?0 m/h提高至80 m/h,噴水量從60 m3降至25 m3。提高鉆進(jìn)速度有利于控制深水鉆井中淺水流的噴發(fā)。淺水流噴發(fā)主要受地層壓力系數(shù)和規(guī)?？刂?鉆進(jìn)速度的影響相對(duì)較小,但提高鉆速是控制淺水流危害的有效措施之一。

圖4 儲(chǔ)層及鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)淺水流噴出的影響Fig.4 Effect of reservoir and drilling parameters on water blowout

4 南海淺水流危害控制措施

雖然南海目標(biāo)海域淺水流層規(guī)模和壓力較小,形成嚴(yán)重危害的概率較低,但一旦鉆遇,也將對(duì)鉆井安全產(chǎn)生一定影響。同時(shí)作為新開(kāi)發(fā)的海域,由于海域環(huán)境和地質(zhì)條件的復(fù)雜性和未知性,淺水流層預(yù)測(cè)存在較高的不確定性。針對(duì)南海深水鉆井淺水流危害的控制措施,主要包括井控和工作液優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 井控措施

4.1.1 井流控制及壓井方法

鉆井中一旦鉆遇淺水流,應(yīng)立即調(diào)整鉆井液密度,采取常規(guī)壓井措施控制淺水流流動(dòng),然后下入套管進(jìn)行固井,以保證鉆井順利進(jìn)行。平臺(tái)上應(yīng)儲(chǔ)備足夠量的重鉆井液,采用攪拌器或渦旋混合系統(tǒng)將重鉆井液和海水混合,以便隨時(shí)調(diào)整鉆井液密度,控制淺水流進(jìn)入井筒的速度。如果淺水流層壓力較高,可注入2倍于井筒體積的壓井液進(jìn)行壓井,結(jié)合環(huán)空摩阻作用控制井底壓力,防止井涌并控制井漏與井壁坍塌。壓井時(shí)須考慮低溫對(duì)流變性的影響,根據(jù)井筒溫度、鉆井液流變參數(shù)計(jì)算環(huán)空不同部分的循環(huán)壓力損失,以確定較為精確的當(dāng)量循環(huán)密度[24],保證在不壓裂地層的情況下達(dá)到控制淺水流的目的。根據(jù)循環(huán)密度實(shí)時(shí)調(diào)整海水和重鉆井液相對(duì)排量,控制環(huán)空液柱壓力,達(dá)到控制淺水流的目的。

4.1.2 化學(xué)和機(jī)械封堵方法

對(duì)于中等流動(dòng)的淺水流,可在低于地層破裂壓力下注入化學(xué)膠結(jié)劑封隔淺水流層,然后下套管固井。固井時(shí)井筒內(nèi)流體密度必須適當(dāng),保證淺水流不會(huì)涌入井筒,頂替液須具有低漏失性以減小泥餅厚度,同時(shí)加入高固結(jié)性能物質(zhì)使固井液與地層高效固結(jié)。在墨西哥灣鉆井作業(yè)中,采用了聚合物鉆井液封堵淺水流層,降低其滲透性。利用由交聯(lián)劑和聚合物組成的膠結(jié)物質(zhì)有效地封堵了淺水流層,降低了地層滲透率,達(dá)到了固結(jié)地層的目的。施工過(guò)程中可通過(guò)調(diào)節(jié)注入流體組成、溫度和交聯(lián)劑用量控制膠結(jié)時(shí)間[25]。

對(duì)于輕微流動(dòng)和低速流,采用泡沫水泥漿是控制其危害的有效方法。泡沫水泥漿在低溫下具有較高的壓縮性和延展性、很好的隔熱性能和強(qiáng)度。在墨西哥灣Titan地區(qū)作業(yè)中,采用快速稠化的氫化泡沫水泥漿成功封堵了淺水流層[12]。在注水泥過(guò)程中以恒定速度加氫并嚴(yán)格控制加氫量,使不同深度保持不同壓力,以平衡地層壓力并且不壓裂地層。在墨西哥灣Magnolia油田的作業(yè)中,在固井前注入泡沫化段塞清洗井眼,然后注入低濾失的快速稠化的水泥漿,并加入稠化顆粒減小突進(jìn),成功控制了淺水流危害[14]。

4.2 工作液優(yōu)化設(shè)計(jì)

鉆井液、固井液和壓井液等工作液的性能是成功控制淺水流危害的關(guān)鍵,須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2.1 鉆井液體系

海洋平臺(tái)上儲(chǔ)備的高密度鉆井液須保證被稀釋后能保持性能穩(wěn)定。經(jīng)驗(yàn)表明,CaCl2鉆井液是很好的淺水流層控制液,使用時(shí)應(yīng)在CaCl2鉆井液中加入纖維提高其懸浮能力,也可以加入玉米淀粉和小顆粒的CaCO3粉控制濾失,封堵高滲砂層,該方法在墨西哥灣Mars盆地取得了良好的控制淺水流危害的效果[13]。推薦的鉆井液配方還包括加入重晶石、石灰石及微粉等加重劑提高鉆井液密度以控制孔隙壓力,加入液體羥乙基纖維素(HEC)抑制脫水收縮作用,提高鉆井液黏度以提高清洗能力,保證后續(xù)固井質(zhì)量。

4.2.2 膠結(jié)體系

原位聚合單體體系和水分散性樹(shù)脂體系具有均勻注入膠結(jié)地層、耐壓注入深部地層、足夠的強(qiáng)度和黏滯性保持地層的有效封堵以及低溫下注入速度和時(shí)間可控等特點(diǎn),可用于膠結(jié)淺水流層[16]。原位聚合單體體系在注入過(guò)程中黏度很低并能快速原位聚合形成高強(qiáng)度水凝膠,現(xiàn)廣泛應(yīng)用的是丙烯酸酯單體溶液,并可在其中加入活化劑使其在深水井低溫下發(fā)揮作用。用于控制淺水流的樹(shù)脂體系為脂肪環(huán)氧樹(shù)脂,可加入活化劑使其在低溫下以預(yù)設(shè)的時(shí)間和速度注入,測(cè)試表明脂肪環(huán)氧樹(shù)脂能使砂巖的強(qiáng)度增加2倍以上。同時(shí),膠結(jié)劑須與基液黏度相近,以調(diào)節(jié)流體注入時(shí)間防止壓裂地層,并應(yīng)適當(dāng)提高膠結(jié)物的密度,減少膠結(jié)物體系中固相含量以降低其黏度,使其以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和注入壓力注入地層中。

4.2.3 固井水泥漿體系

控制淺水流危害的水泥漿性能標(biāo)準(zhǔn)包括:流體濾失量低于100 cm3/h,無(wú)自由水,臨界凝膠時(shí)間低于30 min[19]。其設(shè)計(jì)須綜合考慮水泥凝結(jié)時(shí)間、低溫環(huán)境、地層低破裂壓力梯度以及高速鉆進(jìn)導(dǎo)致的井眼擴(kuò)大等因素。水泥漿中可加入空心玻璃球或高強(qiáng)度陶粒球適當(dāng)調(diào)節(jié)其密度以控制壓力。同時(shí)為使水泥漿在低溫下具有更高性能,可加入深水低溫緩凝劑、防竄增強(qiáng)劑和固井用減輕劑等,加快其在深水低溫環(huán)境下膠凝強(qiáng)度發(fā)展速度,縮短其稠化過(guò)渡時(shí)間,防止淺層流體的竄流。在墨西哥灣深水鉆井過(guò)程中,使用了新型輕質(zhì)泡沫水泥漿體系,在硅酸鹽水泥中加入起泡劑等液體添加劑,18 ℃下稠化時(shí)間3～5 h,7～13 ℃下24 h后壓縮強(qiáng)度超過(guò)4 MPa,可以有效控制淺水流危害[18]。在緬甸海域淺水流區(qū)作業(yè)過(guò)程中,選取常規(guī)G型水泥設(shè)計(jì)高密度水泥漿領(lǐng)漿,并加入纖維熱固性樹(shù)脂控制濾失,結(jié)果顯示水泥漿返排良好,固井后未出現(xiàn)淺水流危害[19]。在北海Frame East地區(qū),應(yīng)用了由C型水泥、消泡劑、分散劑、濾失添加劑、硅粉和緩凝劑組成的水泥漿體系,并基于鉆井參數(shù)和水力模擬,得到水泥漿最優(yōu)密度為1.65 g/cm3。該體系稠度40 Bc時(shí)注入時(shí)間4 h,試驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用都取得了良好的控制淺水流危害的效果[20]。此外,為減少對(duì)環(huán)境的傷害,可在磺化鋁酸鈣鹽和G型水泥中加入可生物降解分散劑、濾失控制劑和催化劑等環(huán)境友好型添加劑。

綜上所述,對(duì)于南海這一新開(kāi)發(fā)海域來(lái)說(shuō),由于地質(zhì)資料和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的匱乏,淺水流層預(yù)測(cè)難度較大,不可靠性增加,須采用嚴(yán)格的井控方法控制鉆遇的淺水流危害,包括壓井與井流控制、堵和封的結(jié)合。同時(shí),須根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化鉆井、固井和壓井等工作液配方與注入工藝,提高淺水流控制效果,并針對(duì)不同危害等級(jí)的淺水流,選取相應(yīng)的工作液和井控措施。

5 結(jié) 論

(1)中國(guó)南海北部陸坡存在形成淺水流的古地質(zhì)條件,但淺水流超壓系數(shù)較低,規(guī)模較小,鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重的淺水流危害的概率較低。

(2)建立的深水鉆井中淺水流上噴或噴出數(shù)值模擬模型,可以定量計(jì)算不同鉆井工況下淺水流噴出速率和噴出量。典型工況下,采用低密度海水鉆井液鉆進(jìn),壓力系數(shù)(<1.15)較低的淺水流在鉆井液正常循環(huán)時(shí)不會(huì)發(fā)生上涌,但在鉆井液停止循環(huán)后有可能侵入井筒;壓力系數(shù)高于1.15的淺水流在鉆進(jìn)過(guò)程中可發(fā)生流體上涌。

(3)淺水流噴發(fā)具有“壓力-水體瞬間高速釋放”的特點(diǎn),該過(guò)程主要受淺水流層壓力和規(guī)?？刂啤ａ槍?duì)南海典型淺水流層,提高鉆進(jìn)速度有利于控制水流噴出量,是深水鉆井中控制淺水流危害的有效措施之一。鑒于南海目標(biāo)海域淺水流規(guī)模較小、壓力較低以及預(yù)測(cè)不可靠性大的特征,應(yīng)主要從井流控制和壓井、化學(xué)和機(jī)械封堵以及工作液設(shè)計(jì)優(yōu)化3個(gè)方面控制淺水流危害。

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(編輯 李志芬)

Shallow water flow hazard assessment in the northern slope of the South China Sea and control measures during deepwater drilling

REN Shaoran1, GONG Zhiwu1, ZHANG Liang1, LI Haikui2, HAN Bo1, REN Jianhua3, ZHANG Yang4

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.TheFifthDrillingCompanyofBohaiDrillingEngineeringCompanyLimited,Hejian062450,China;3.ResearchInstituteofExploration&Development,EastChinaCompany,SINOPEC,Nanjing210011,China；4.OilProductionTechnologyInstitute,DagangOilfield,Tianjin300280,China)

Shallow water flow (SWF) can greatly influence the safety of deepwater drilling. In this study, the occurance and its potential risk of SWF on drilling safety in the northern slope of the South China Sea was analyzed based on SWF formation conditions and paleogeological characteristics. A numerical simulation model of SWF blowout was established, and the effects of the over-pressure, geologic parameters and the size of SWF formation, and penetration rate on water blowout were investigated. SWF hazards were then classified quantitatively according to water blowout rates. The results show that there are paleogeological conditions for the formation of SWF in the target area. However, the scale and pressure of SWF formations would be low so that there are low probabilities for serious SWF hazards to be confronted. SWF blowout is characterized with spontaneous release of water and pressure, and the water blowout rate and volume can be up to 70 m3/h and 60 m3during drilling through a typical SWF formation with a formation pressure coefficient of 1.15 using sea water as drilling fluid. SWF blowout is mainly controlled by its over-pressure and the size of the SWF formation.

deepwater drilling; shallow water flow (SWF); quantitative evaluation; numerical simulation; hazard control

2016-10-19

國(guó)家“973”計(jì)劃(2015CB251201)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(15CX05036A)

任韶然(1960-)，男，泰山學(xué)者特聘教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹Ｑ笥蜌忾_(kāi)發(fā)新技術(shù)、CO2地質(zhì)埋存、注氣提高采收率、水合物抑制和開(kāi)采。E-mail：rensr@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)04-0099-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.013

TE 21

A

任韶然,宮智武,張亮,等.南海北部陸坡淺水流評(píng)估及深水鉆井防治措施[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(4):99-106.

REN Shaoran, GONG Zhiwu, ZHANG Liang, et al. Shallow water flow hazard assessment in the northern slope of the South China Sea and control measures during deepwater drilling[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(4):99-106.