基于事件樹的深水鉆井呼吸效應識別研究

李成，吳謙，苑曉榮

1.中國石油大學（華東）石油工程學院（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研究院（河南濮陽457000）

■質量安全論壇

基于事件樹的深水鉆井呼吸效應識別研究

李成1，吳謙1，苑曉榮2

1.中國石油大學（華東）石油工程學院（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研究院（河南濮陽457000）

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

呼吸效應；溢流；事件樹；深水鉆井；壓井

呼吸效應是深水鉆井過程中發生的一種極易與溢流相混淆的現象，處理不當會造成時間和資金的損失[1]。自20世紀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，開展了呼吸效應機理和影響因素的研究。林雍森[1]應用決策樹分析法建立深水鉆井過程中呼吸效應的識別方法，但部分分支有待商榷。鑒于此，筆者在對呼吸效應與溢流進行對比定性分析的基礎上，采用事件樹分析法，建立了深水鉆井呼吸效應與溢流的甄別方法。

1 深水鉆井呼吸效應發生機理與危害

1.1呼吸效應的機理及特征

所謂的呼吸效應就是在正常鉆進循環時，部分鉆井液漏失進地層中，在循環停止后，之前漏失進地層中的鉆井液回吐到井筒內，從而在井口觀察到鉆井液外溢的現象[1，5]。深水淺部地層壓實程度低，壓力窗口窄，致使井內鉆井液循環當量密度易達到地層破裂壓力當量密度而產生新的裂縫，再加上天然裂縫重新張開，鉆井液產生漏失。循環停止后，井內壓力減小，裂縫閉合，之前漏失的鉆井液回吐進井筒內，進而觀察到外溢的現象[7]。

呼吸效應的特征可以概括為，當鉆井液當量循環密度超過地層破裂壓力當量密度時發生漏失，并在鉆井液當量循環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呼吸效應的危害

呼吸效應的危害主要表現在它和溢流的誤判。如果將呼吸效應誤判為溢流，則會直接關井、壓井。這一過程耗時很長，對于深水鉆井來說，由于其平臺作業費相當高，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，如果發生的是呼吸效應而又加重鉆井液循環的話，無疑會對地層造成一定的破壞，甚至會導致井漏事故發生[7]。相反，如果發生的是溢流，且沒有按照規定進行關井、壓井，那將會發生井涌甚至是井噴。

2 呼吸效應與溢流對比分析

溢流是因地層流體侵入井內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象[8]。對比呼吸效應與溢流可以發現，兩者所引起的現象在最初的時候都是井口外溢。但溢流是地層流體侵入導致環空鉆井液密度降低，環空液柱壓力下降。而呼吸效應中回吐到井筒內的流體是之前漏失進地層中的鉆井液，呼吸效應前后鉆井液密度是保持不變的[9]。

關井期間，鉆柱內、環空以及地層這三處壓力的關系滿足下列平衡式[10]：

式中：psp為關井立管壓力，MPa；phi為鉆柱內靜液柱壓力，MPa；po為地層壓力，MPa；psa為關井套管壓力，MPa；pha為環空內氣液混合靜液柱壓力，MPa。

如果發生的是呼吸效應的話，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，外溢會越來越嚴重，如圖1所示。呼吸效應與溢流的區別見表1。

3 深水鉆井呼吸效應識別方法的建立

林氏方法[1]僅將環空摩阻作為判斷標準，但現場很難進行實測和準確計算。筆者以外溢量和關井立壓、套壓作為判斷依據，應用事件樹分析法建立甄別呼吸效應和溢流的方法。

圖1 外溢量與時間的關系示意圖

表1 溢流與呼吸效應各項參數對比表

3.1呼吸效應事件樹建立

事件樹分析是一種按事件發展順序推導所有可能發生后果的分析方法，其中所有事件在順序上存在著因果的邏輯關系[10]。根據之前所分析的呼吸效應的機理，以及與溢流的區別，采取4個步驟來識別呼吸效應，繪制事件樹如圖2所示。

3.2呼吸效應事件樹分析

如圖2所示，將井口出現鉆井液外溢現象的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，如果外溢在到達警戒量之前停止，則說明為呼吸效應，此時可以繼續作業。

圖2 呼吸效應甄別事件樹

A_BCD：如果外溢量即將達到警戒值且無停止的征兆，為了井控安全需要立即關井。關井后如果測得關井立壓為零，說明原鉆井液密度足以平衡地層壓力。此時觀察關井套壓，如果關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，說明此時發生的是呼吸效應，情況恢復正常后可以繼續鉆進。

綜上所述，結合事件樹圖的分析結果，判斷為呼吸效應的情況為A，；判斷為溢流的情況為；疑似呼吸效應的情況為；疑似地層流體侵入的情況為。可以繼續鉆進的情況為A，；需要進行壓井作業的情況為；需要用原鉆井液循環的情況為。

4 結論

1）在研究深水鉆井呼吸效應發生機理基礎上，從鉆井液密度、鉆速、關井立壓套壓、外移速度和外溢總量等參數方面，開展了呼吸效應和溢流的定性對比分析。

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

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

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

[1]林雍森.深水井控中地層呼吸效應的識別與處理探討[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，金業權.鉆井井控風險分析與控制[M].北京：石油工業出版社,2011：3,12-13.

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

[10]陳國華.風險工程學[M].北京：國防工業出版社,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，主要從事井控風險評價方面的研究。