深水鉆井中控壓響應(yīng)時(shí)間及其影響因素分析

田野 王成龍 柳亞亞 李志剛 黃宏強(qiáng)

摘要：為了保障控壓鉆井技術(shù)在深水鉆井應(yīng)用中的安全和效率，研究了深水鉆井環(huán)境下控壓鉆井響應(yīng)時(shí)間的特征和影響因素。在將井筒環(huán)空流體視為三相均勻混合流體的基礎(chǔ)上，分別建立了回壓在隔水管段和地層井段傳播速度的計(jì)算模型，研究了隔水管長度、深水低溫和井眼尺寸對回壓傳播速度的影響規(guī)律，以及同樣井深、不同水深和不同井眼尺寸情況下，回壓從井口至井底的傳播時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)：隔水管長度的增加會(huì)導(dǎo)致回壓傳播速度增大，但在1 000 m長度之后逐漸穩(wěn)定；與陸地鉆井的地溫環(huán)境相比，海水所導(dǎo)致的低溫，使得回壓傳播速度在隔水管段總體增大，在地層段總體降低；在常用的井眼尺寸中，井眼尺寸越大，回壓傳播速度越大；結(jié)果還表明，在同樣的鉆井深度下，深水控壓鉆井的響應(yīng)時(shí)間總體上小于陸地鉆井，這對于控壓鉆井在深水中的應(yīng)用有利，能夠有效提高深水鉆井的安全性。

關(guān)鍵詞：深水鉆井；控壓鉆井；響應(yīng)時(shí)間；傳播時(shí)間；回壓

In order to ensure the safety and efficiency of managed pressure drilling technology in deepwater， the characteristics and influential factors of managed pressure drilling response time in deepwater drilling were studied.Regarding the wellbore annulus fluid as a threephase uniform mixed fluid， the calculation models of propagation velocity of back pressure in the riser section and the formation section were built.The influences of riser length， deepwater low temperature and borehole size on the propagation velocity of back pressure were identified.Meanwhile， the propagation time of back pressure from wellhead to bottom hole under the same well depth， different water depths and different borehole sizes was investigated.The study results show that the increase of riser length leads to the increase of back pressure propagation velocity， which will gradually stabilize after the riser length exceeds 1，000 m.Compared with the geothermal environment of land drilling， the low temperature caused by seawater makes the back pressure propagation velocity increase in the riser section and decrease in the formation section.Among the commonly used borehole sizes， the larger the borehole size， the faster the back pressure propagation velocity is.The study results also show that at the same drilling depth， the managed pressure drilling response time of deepwater drilling is generally shorter than that of land drilling， which is beneficial to the application of managed pressure drilling in deepwater and can effectively improve the safety of deepwater drilling.

deepwater drilling；managed pressure drilling；response time；propagation time；back pressure

0 引 言

深海是未來油氣資源開發(fā)的主戰(zhàn)場之一。在深水環(huán)境下，由于其特有的環(huán)境和地下壓力特性，極易出現(xiàn)窄密度窗口，造成易漏失地層、易坍塌地層，甚至噴漏同存等復(fù)雜情況?？貕恒@井（Managed Pressure Drilling，MPD）技術(shù)作為一種能夠精確控制環(huán)空壓力剖面，安全鉆進(jìn)窄密度窗口地層的技術(shù)手段，能夠顯著減少井下壓力不穩(wěn)定帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)成為油氣鉆井技術(shù)中不可或缺的一部分。目前，MPD技術(shù)在陸地鉆井中已被推廣和廣泛使用，國內(nèi)的多家研究機(jī)構(gòu)和單位已推出相應(yīng)的產(chǎn)品和系統(tǒng)，并獲得了良好的應(yīng)用效果［1-3］。國際上，2004年即開始了控壓鉆井系統(tǒng)在半潛式平臺(tái)上的應(yīng)用。2010年，1艘鉆井船在印度尼西亞海域的Bravo-1井實(shí)施了控壓鉆井，作業(yè)水深3 254 ft（991.8 m），標(biāo)志著控壓鉆井進(jìn)入深水區(qū)域；2013年作業(yè)水深達(dá)到2 264.7 m（7 430 ft），自此控壓鉆井進(jìn)入超深水應(yīng)用時(shí)代［4］。國內(nèi)控壓鉆井在海上的應(yīng)用多在淺海水域［5-7］，但已開始布局深水應(yīng)用［8-9］。

在控壓鉆井中，一種常用的作法是：利用地面回壓泵或節(jié)流管匯從井口給井筒施加回壓，該回壓將疊加在井筒壓力系統(tǒng)中，從而改變井底壓力。井口產(chǎn)生的回壓不會(huì)立刻作用到井底，而是以壓力波的形式從井口向井下傳播，因此需要一定的時(shí)間，井越深壓力傳播的時(shí)間越長。另外，當(dāng)控壓鉆井中使用井下隨鉆壓力測量（PWD）配合測量井底壓力時(shí)，PWD也需要時(shí)間將壓力信號上傳至地面。因此，控壓響應(yīng)時(shí)間為從地面發(fā)出控壓指令提供井口回壓開始，到確認(rèn)該回壓對井底壓力產(chǎn)生控制效果之間的時(shí)間長度。其中，回壓從井口傳播至井底所需的時(shí)間更為重要，對該時(shí)間長短的掌握程度直接決定了控壓鉆井的控制效果和效率，時(shí)間掌控不足則有可能導(dǎo)致過多的地層流體持續(xù)地進(jìn)入井內(nèi)，導(dǎo)致井筒壓力失控，甚至發(fā)生井噴等嚴(yán)重事故。因而，對于安全和成本極其敏感的深水鉆井而言，研究控壓鉆井中控壓響應(yīng)時(shí)間及其影響因素具有重要意義。

1 計(jì)算模型的建立

深水鉆井與陸地鉆井相比有很大差異，包括：水深、低溫、低地層破裂壓力、“三淺”等［10］。筆者主要關(guān)注與陸地鉆井有較大不同，且與控壓鉆井響應(yīng)時(shí)間密切相關(guān)的一些因素，如：水深（隔水管長度）、復(fù)雜的溫度場、井身結(jié)構(gòu)（不同井眼尺寸）等。

1.1 深水井筒結(jié)構(gòu)

深水鉆井的井筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。深水鉆井與陸地鉆井井筒結(jié)構(gòu)的差異主要包括：①有一段隔水管段，用于隔開海水。該段的長度取決于作業(yè)水深。②深水鉆井的井身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，套管層次通常較多［11］。

1.2 基本模型的建立

已有多名專家學(xué)者開展了壓力波（或壓力脈沖）在井筒（或鉆柱）中的傳播特性的研究。王江帥等［12］在剛性理論的基礎(chǔ)上充分考慮井筒多相流動(dòng)下氣體流動(dòng)參數(shù)沿井筒變化的實(shí)際情況，建立了回壓響應(yīng)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型；閆鐵等［13］將鉆井液視為氣液兩相流，基于整體平均兩相流模型，建立了環(huán)空氣液兩相流動(dòng)的壓力波傳播方程；余金海等［14］將井筒流體看作氣液固三相混合物，把鉆井液（包含加重材料等固相）視為液相，根據(jù)壓力波在流場中傳播的波動(dòng)理論建立了壓力波傳播速度的計(jì)算模型；劉修善等［15］同樣將井筒流體看作氣液固三相混合物，將水（對應(yīng)于水基鉆井液）、油（對應(yīng)于油基鉆井液）作為液相，基于管道瞬變流理論建立了鉆井液脈沖傳播速度的計(jì)算模型，研究了鉆井液脈沖在鉆桿內(nèi)的傳播特性?；诓煌难芯磕康?，以上研究均未考慮鉆井液密度受環(huán)境溫度影響而發(fā)生的變化，亦未對隔水管這種特殊的井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

而在深水鉆井中，除了海水低溫，高溫高壓地層也經(jīng)常出現(xiàn)。另外，控壓鉆井必須能夠在鉆進(jìn)狀態(tài)下應(yīng)用，巖屑和固相含量必然存在。因此筆者將根據(jù)深水鉆井的特點(diǎn)，并結(jié)合控壓鉆井的實(shí)際作業(yè)場景，將井筒流體視為氣液固三相均勻混合物，并將鉆井液視為液相，同時(shí)考慮鉆井液密度隨溫度和壓力的變化，以及壓力作用下鉆桿、井壁和隔水管的變形情況，開展井口回壓在井筒中的傳播速度和控壓鉆井響應(yīng)時(shí)間研究，使得所建模型更接近實(shí)際情況。

假設(shè)井筒流體為氣液固三相混合流體，且三相均勻混合，氣體以游離態(tài)存在。則壓力波的傳播速度可由以下基本公式計(jì)算：

當(dāng)井筒流體停止流動(dòng)時(shí)，隨著時(shí)間的延長，井筒溫度將逐漸接近上述環(huán)境溫度。在井筒流體流動(dòng)的狀態(tài)下，井筒溫度將不同于環(huán)境溫度，基本特點(diǎn)是：在淺于某點(diǎn)井深范圍內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度，在深于該點(diǎn)井深范圍外溫度低于環(huán)境溫度［18］。由于該計(jì)算較為復(fù)雜，為了不至于篇幅過大，并聚焦于研究重點(diǎn)，筆者以井筒流體停止流動(dòng)的情況為基礎(chǔ)開展后面的研究。這是一種較為極端的工況，具有邊界特性。

2.1.2 井筒壓力的計(jì)算

基于以上考慮，井筒壓力p可按下式計(jì)算：

2.2 傳播速度計(jì)算與分析

為了方便獲得規(guī)律性認(rèn)識，計(jì)算時(shí)將整個(gè)井筒簡化為由2個(gè)井段構(gòu)成，即隔水管段和地層段，并認(rèn)為在每個(gè)井段內(nèi)井筒尺寸一致。采用的基本參數(shù)如下：鉆桿外徑139.7 mm，壁厚9.2 mm；隔水管內(nèi)徑482.6 mm，壁厚25.4 mm。二者的彈性模量均取210 GPa，泊松比0.3。地層巖石彈性模量7.5 GPa，泊松比0.3。液相的體積彈性模量2.04 GPa，固相的體積彈性模量16.18 GPa，固相密度2 660 kg/m3。井口含氣體積分?jǐn)?shù)0.5%，固相體積分?jǐn)?shù)10%，液相密度1.0 g/cm3。

2.2.1 不同隔水管長度的影響

為了研究不同隔水管長度（不同水深）對回壓傳播速度的影響，分別計(jì)算了水深分別為0、100、200、300、400、500、700、900、1 000、1 500和2 000 m而井深同為6 000 m情況下的壓力波傳播速度隨井深的分布情況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。其中，0 m水深可認(rèn)為是陸地鉆井。

由圖3可見，隨著井深的增加，傳播速度總體上呈現(xiàn)由低到高的非線性增長態(tài)勢，在500 m井深范圍內(nèi)速度增長很快，之后逐漸變緩。這是由于含氣體積分?jǐn)?shù)的存在，越接近井口含氣體積分?jǐn)?shù)越高，所以傳播速度越低，這也符合前人的研究結(jié)果和實(shí)際情況。從圖3還可以看到，不同隔水管的傳播速度存在差異，并且隔水管長度差別越大，傳播速度的差異也越大。在隔水管長度達(dá)到300 m時(shí)，在海底（即隔水管系統(tǒng)和井下套管連接的位置）開始出現(xiàn)較為明顯的速度跌落現(xiàn)象。這種現(xiàn)象隨著隔水管長度的增加而逐漸增大，當(dāng)隔水管長度達(dá)到1 000 m時(shí)基本趨于穩(wěn)定。這主要是隔水管與地層具有不同的結(jié)構(gòu)特征，因而具有不同的變形特征所導(dǎo)致。此外，隔水管長度越長意味著水越深，其相應(yīng)的環(huán)境溫度也越低。另外，這種斷崖式的速度跌落也與本模型對井筒的處理方法有關(guān)，即認(rèn)為隔水管和套管直接連接，這是為了獲得整體規(guī)律而采用的簡化方法。在實(shí)際當(dāng)中，隔水管和套管之間連接還包括下部隔水管總成和防噴器組等水下井口設(shè)備，因此實(shí)際的速度轉(zhuǎn)換將在這些設(shè)備內(nèi)部完成。但由于這些設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以建模計(jì)算，在不影響獲得整體規(guī)律的情況下，筆者在此未予考慮?？傮w來說，在隔水管段壓力波的傳播速度高于陸地鉆井情況，因此井口回壓向井下傳播需要的時(shí)間相對要短。隔水管長度越長，這種差異越明顯。

2.2.2 深水低溫的影響

為了考察海水低溫對于回壓傳播速度的影響，計(jì)算時(shí)按照地溫梯度計(jì)算所得的溫度，即與陸地鉆井（0 m水深）相同的溫度值，分別計(jì)算了水深為0、500、1 000、2 000和3 000 m時(shí)的傳播速度曲線（見圖4）。同時(shí)作為對比，圖中保留了3 000 m水深時(shí)采用海水溫度的計(jì)算結(jié)果，如圖4中虛線所示。以上幾種情況下的井筒環(huán)境溫度如圖5所示。

由圖4可見，在所有井深處，兩者基本都出現(xiàn)了差異。這說明：深水鉆井時(shí)，海水所造成的低溫對回壓傳播速度的影響確實(shí)存在。在隔水管段，最大的差異出現(xiàn)在500 m水深；水深超過2 000 m之后這種差異已較小，這可能與海水溫度的變化趨勢有關(guān)。由圖5可見，在水深500 m范圍內(nèi)海水溫度快速下降，在水深超過2 000 m后其溫度變化較小。在地層段，隨著井深的增加，兩者的差異則持續(xù)增大。這是由于隨著井深的增加，井底溫度持續(xù)升高，其影響也愈發(fā)明顯?？傮w的規(guī)律是：與陸地鉆井的地溫環(huán)境相比，海水所導(dǎo)致的低溫使得回壓傳播速度在隔水管段總體增大，地層段總體降低。

以上計(jì)算所采用的井筒溫度為環(huán)境溫度，而當(dāng)鉆井液在井筒中循環(huán)流動(dòng)時(shí)，在淺于某點(diǎn)井深范圍內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度，在深于該點(diǎn)井深范圍內(nèi)溫度低于環(huán)境溫度。因此，當(dāng)鉆井液循環(huán)流動(dòng)時(shí)，其回壓傳播速度將介于以上兩種速度之間，而總體規(guī)律不變，如圖4中箭頭所指區(qū)域。

2.2.3 不同井眼尺寸的影響

由于控壓鉆井可能在不同的井段中實(shí)施，另外深水鉆井中所使用的套管層次通常較多，因此進(jìn)一步研究了不同井眼尺寸對回壓傳播速度的影響。根據(jù)深水鉆井常用的井眼和套管尺寸，計(jì)算在水深2 000 m，井深5 000 m的情況下，套管直徑為244.5、346.1和508.0 mm（內(nèi)徑分別取220.5、315.3和482.6 mm），井眼直徑為215.9 mm（81/2 in）、311.2 mm（121/4 in）、355.6 mm（14 in）和444.5 mm（171/2 in）時(shí)回壓在井筒中的傳播速度，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，在不同的套管尺寸中，回壓的傳播速度也不同。井眼尺寸差別越大，傳播速度的差異也越大。在所計(jì)算的尺寸中，井眼尺寸越大，傳播速度越快。在實(shí)際鉆井中，通常隨著井深增加，井眼尺寸變小，因此相應(yīng)的回壓傳播速度也變小。

2.3 控壓響應(yīng)時(shí)間計(jì)算與分析

在以上結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算了井深6 000 m，水深分別為0、100、300、500、800、1 000、1 500、2 000和3 000 m的情況下，回壓從井口傳播至井底所需的傳播時(shí)間，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，回壓從井口傳播至井底所需的時(shí)間隨著水深的增加而減小。在0～500 m水深范圍內(nèi)減小較快，之后基本線性遞減。當(dāng)井眼尺寸較小時(shí)，不同水深之間的時(shí)間差值更為明顯，如當(dāng)井眼直徑為215.9 mm時(shí)，3 000 m水深與0 m水深之間的時(shí)間差值約為1 s；而當(dāng)井眼直徑為444.5 mm時(shí)，該差值約為0.6 s?？傮w上，時(shí)間減少了約9%～13%。

從絕對時(shí)間來看，1 s的時(shí)長在現(xiàn)場基本可以忽略。但是，當(dāng)回壓波在井筒中傳播時(shí)，由于井筒的阻尼作用，其壓力值不斷衰減，井深越大衰減越多。因此在實(shí)際的控壓鉆井施工中，往往需要在井口多次施加回壓才能達(dá)到控壓效果。另外，當(dāng)配有井下PWD測量井底壓力時(shí)，由于目前多數(shù)PWD使用鉆井液脈沖傳遞信號，相當(dāng)于從井下向地面發(fā)送壓力波，因此也需要傳播時(shí)間并受此環(huán)境影響。所以，當(dāng)需要多次施加回壓并通過PWD獲得井下壓力時(shí)，時(shí)間的累積效果會(huì)愈加明顯。

3 結(jié) 論

通過以上研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）在深水鉆井中，由于水深而增加的隔水管長度、海底低溫以及更多的井眼尺寸，會(huì)對井口回壓在井筒中的傳播速度產(chǎn)生影響。

（2）隔水管長度的增加會(huì)導(dǎo)致回壓傳播速度增大，但在1 000 m長度之后逐漸穩(wěn)定。

（3）與陸地鉆井的地溫環(huán)境相比，海水所導(dǎo)致的低溫使得回壓傳播速度在隔水管段總體增大，在地層段總體降低。

（4）在常用的井眼尺寸中，井眼尺寸越大，回壓傳播速度越快。

（5）綜合以上因素可知，在同樣的鉆井深度下，深水鉆井的控壓鉆井響應(yīng)時(shí)間總體上小于陸地鉆井，這對于控壓鉆井在深水中的應(yīng)用是有利的，能夠有效提高深水鉆井的安全性。

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第一田野，工程師，生于1988年，2020年獲得中國石油大學(xué)（華東）石油與天然氣工程專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)從事海洋鉆完井方面的技術(shù)管理工作。地址：（570100）海南省?？谑?。Email：tianye1@cnooc.com.cn。