金業(yè)權 李　成 吳　謙

中國石油大學（華東）石油工程學院

深水鉆井井涌余量計算方法及壓井方法選擇

金業(yè)權 李成 吳謙

中國石油大學（華東）石油工程學院

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

井涌余量是鉆井過程中正確判斷能否安全關井，以及采用何種方法壓井的重要參數(shù)，目前對于深水鉆井中井涌余量的計算仍存在諸多不足。為此，采用理論推導和實例驗證的方法開展了深井鉆井體積井涌余量計算方法的研究。以套管鞋處地層、套管抗內(nèi)壓、防噴器和節(jié)流裝置4個對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)壓耗的基礎上，建立了體積井涌余量的計算模型，并以南海某深水實例井的計算結果驗證了模型的可靠性，最后得出該井可以安全關井且應用工程師法壓井更為安全的結論。這與現(xiàn)場所采取的措施相符合。在此基礎上與文獻中所建立的未考慮溫度和壓耗的計算模型進行比較，分析了節(jié)流管匯、環(huán)空壓耗以及井筒內(nèi)溫度對井涌余量大小的影響：如果不考慮壓耗和溫度的影響，會導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)生深度對井涌余量的影響規(guī)律，提出了相應的提高井涌余量的技術措施。

深水鉆井 體積井涌余量 最大關井套壓 壓耗 井控 溢流

井涌余量是發(fā)生溢流后能否關井和使用何種方法壓井的判斷依據(jù)。自20世紀70年代以來，國內(nèi)外學者［1-9］針對陸地鉆井井涌余量進行了大量研究，郝希寧［10］、中海油企標［11］分別對深水鉆井體積井涌余量進行了研究和規(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重要因素的影響；最大關井套壓的約束條件單一；關井和壓井狀態(tài)下的井底壓力都等于地層孔隙壓力也是不恰當?shù)?。鑒于此，將針對上述不足開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井或壓井，且值越大關井和壓井越安全；若小于零則需采用特殊方法關井或壓井。

筆者在計算關井的最大允許溢流侵入體積時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導致關井井涌余量偏小，使得能關的井沒有及時關上，影響后期壓井作業(yè)。而壓井時，由于壓耗的存在，井底壓力應等于壓井液靜液柱壓力。

2　基本假設

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

2）研究對象為直井，忽略鉆柱內(nèi)外徑及井筒內(nèi)徑變化。井控系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　井控系統(tǒng)結構示意圖

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

3.1關井井涌余量的確定

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

當泥漿池液量發(fā)現(xiàn)增加時說明井底有氣體溢出，此時井內(nèi)同時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：

則關井井涌余量為：

圖3　溢流關井時環(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定

壓井過程中，應保持井底壓力等于當井筒內(nèi)充滿壓井液時的靜液柱壓力［13-14］，當氣柱頂端到達套管鞋時，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)壓強度的80%為約束條件（如圖4-a所示）、氣柱頂端到達井口時以防噴器工作壓力為約束條件（如圖4-b所示），以及到達節(jié)流閥處時以節(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算如式（10）所示：

3.3工程師法壓井井涌余量的測定

相比司鉆法井涌余量的計算，工程師法需要考慮當侵入氣體到達某位置時壓井液是否到達或通過鉆頭。如果沒有，則該過程等同司鉆法壓井；如果壓井液到達或通過鉆頭，當氣侵頂端到達套管鞋處時，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)壓強度的80%為約束條件（如圖5-a所示）、氣柱頂端到達井口時以防噴器工作壓力為約束條件（如圖5-b所示），以及到達節(jié)流閥處時以節(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或通過鉆頭時環(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算如式（16）所示：

對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，則說明此時侵入體積還未達到最大允許侵入的體積，仍有一定空間允許用該方法進行壓井作業(yè)，因而選用井涌余量大的方法進行壓井，可以保證有較大的安全空間和施工時間；若兩者均小于零，說明司鉆法壓井和工程師法壓井均不可以應用，此時只能用特殊壓井方法進行壓井?，F(xiàn)場具體選用的壓井方法應結合現(xiàn)場實際條件決定。

4　實例計算分析

南海某井水深1 700 m，設計井深5 300 m，于2012年2月25日開鉆。當鉆至3 250 m時發(fā)現(xiàn)溢流。上層套管（?508 mm表層套管）下深2 600 m，發(fā)生溢流之前應用的鉆井液密度為1.14 g/cm3，黏度為0.031 Pa·s，動切力為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)容所述計算方法，計算得出：Ks= 36.64 m3，Kd= 3.77 m3，Ke= 11.03 m3，表明此時可以關井并應用司鉆法和工程師法進行壓井。由于Kd＜Ke，所以應用工程師法壓井更安全。根據(jù)現(xiàn)場實際記錄資料顯示，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

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

5.1壓耗和溫度對井涌余量的影響

本文建立的模型與文獻［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，若同時不考慮兩種因素及分別不考慮兩種因素的影響，所得結果如表2中所示。

表2　本文模型與文獻中模型結果對比表

由表2可知，壓耗和井筒內(nèi)溫度變化對Ks無影響，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使得井涌余量偏小，導致本可以應用普通壓井方法的井應用了特殊壓井方法，增加井控工作的復雜性。

5.2其他因素的影響

1）泥漿池增量對井涌余量的影響。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時司鉆法壓井井涌余量為零，此時不能應用司鉆法壓井，只能應用工程師法壓井。因此可以看出，及時發(fā)現(xiàn)溢流可以獲得較大的關井和壓井井涌余量，為后續(xù)的關井和壓井施工提供足夠的時間保障。

圖6　泥漿池增量對井涌余量的影響圖

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鉆頭，Kd= Ke；隨著溢流發(fā)生深度增加，井涌余量逐漸減小，進行關井和壓井作業(yè)越發(fā)困難，且Kd減小速度更快，當深度為3 484 m時Kd= 0，只能應用工程師法壓井。對于深部地層的氣體溢流來說，由于上升過程中的膨脹，會導致更小的關井和壓井井涌余量，因此更應該加強深部地層溢流的檢測和及時反應采取應對措施的工作。

圖7　溢流發(fā)生井深對井涌余量的影響圖

6　結論

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上，以節(jié)流閥、防噴器、套管鞋地層和套管抗內(nèi)壓4個對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算模型。

2）應用南海某深水實鉆井發(fā)生溢流時具體資料驗證了模型的正確性。

3）將所得模型與文獻中模型進行對比發(fā)現(xiàn)，若不考慮節(jié)流管匯及環(huán)空循環(huán)壓耗的影響，對關井井涌余量無影響，壓井井涌余量減小，導致本可以應用普通壓井方法的井應用了特殊壓井方法，增加了井控工作的復雜性。

4）隨著侵入氣體體積的增加，3個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，因此，及時發(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時間。

符 號 說 明

pamax表示最大關井套壓，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)壓強度，kPa；Gm表示原鉆井液壓力梯度，g/cm3；hc表示節(jié)流管匯長度，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表示從平臺到井底鉆柱內(nèi)容積，m3。Ks、Kd、Ke分別表示關井法、司鉆法、工程師法計算井涌余量；m3。

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（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，1968年生，副教授，碩士生導師，博士；主要從事油氣井力學、信息與控制以及井控風險評價方面的研究工作。地址：（266580）山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號中國石油大學（華東）石油工程學院。電話：15063018525。ORCID：0000-0002-3741-8297。E-mail：jinyequan156@126.com