墨西哥深水鹽下井呼吸效應識別及處理實踐

林志強，項明，張向華，張星星 (中國海洋石油國際有限公司，北京 100028)

0 引言

墨西哥區(qū)塊位于美國墨西哥邊境地區(qū)，地層復雜，如圖1所示。這是該公司首次在該地區(qū)進行深水鉆井作業(yè)。區(qū)域鹽層以次生鹽為主。層序變化大，厚度大，最大厚度可達3 100 m。由于鹽層向淺層的遷移，在鹽層中可能存在高壓鹽裂縫和裂縫帶的風險。同時，由于鹽層本身的特點，難以準確預測，鹽下地層的深度也具有很大的不確定性。窄壓力窗引起的呼吸效應和溢流特性復雜，容易產(chǎn)生井控安全問題。所謂呼吸效應，是指在正常鉆井作業(yè)的過程中，部分鉆井液被壓入到地層之中。而在停止循環(huán)后，之前被壓入到地層中的鉆井液會返回到井筒，從而在井口處表現(xiàn)出鉆井液外溢的現(xiàn)象[1]。

圖1 墨西哥灣深水鹽下井典型地質(zhì)風險

1 深水鹽下井作業(yè)難點

(1)深水地層承壓能力弱。在相同井深下，深井壓裂壓力梯度減小，地層承壓能力變?nèi)酢?/p>

(2)深水井溢流監(jiān)測困難。侵入井筒的油氣很容易溶解在使用油基或合成基鉆井液中。侵入的流體在這種情況下流入循環(huán)系統(tǒng)，此時并不會發(fā)生明顯的變化，使得要觀察溢流的發(fā)生需要很長時間。

(3)深水壓井窗口非常窄。相較于陸地情況，地層破裂壓力會隨水深的增加而降低，鉆井過程中由于安全窗口(破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之差)的變窄，從而導致井涌余量減少。

(4)深水呼吸效應初期作用的效果類似于溢流現(xiàn)象，但不同的是，鉆井液在呼吸作用下的溢出會逐漸停止，而溢流則溢出會變得越來越嚴重。

2 深水鹽下井呼吸效應形成機理

由于世界范圍內(nèi)人們對呼吸效應的了解和研究有限，呼吸效應在國外被稱為Borehole Ballooning，但大多側(cè)重于陸地鉆井。呼吸效應即當循環(huán)鉆進時，呼吸效應在深水鉆井中循環(huán)當量鉆井液密度(ECD)達到或超過安全密度窗口的上限的情況下更容易發(fā)生。同理，呼吸效應由于地層的安全密度窗隨著水深增加的減小，導致其更容易發(fā)生。

目前對地層呼吸效應的廣泛認可的主流解釋是由于開泵循環(huán)條件和停泵靜態(tài)條件過程中產(chǎn)生的井下壓力波動從而導致裂縫的打開和閉合。

因此，為了研究呼吸效應的機理并采取預防措施，井內(nèi)循環(huán)壓力的變化必須要首先做到確定和控制，主要包括環(huán)空循環(huán)壓力損失和鉆井液靜水壓力。

鉆井液循環(huán)當量密度(ECD)一般用來在工程實際中表示，即：

式中：ESD為靜態(tài)當量鉆井液密度(g/cm3)；ΔρLa為環(huán)空循環(huán)壓耗當量密度(g/cm3)。

其中深水鉆井井中溫度對鉆井液密度的影響不容忽視。深水溫壓場下鉆井液靜態(tài)密度預測計算模型國內(nèi)外目前主要有兩種，一種是復合模型，該模型將鉆井液按照各組分分別在對應溫壓下鉆井液密度，但該方法較為復雜故實際應用性不強。另一種方法就是通過對大量試驗數(shù)據(jù)進行整合得出的經(jīng)驗模型，只需對所應用鉆井液進行實驗確定系數(shù)，即可算出ESD。

若要計算整個循環(huán)過程中，鉆井液造成的壓力損耗，則需要確定不同鉆井液的流變模式，進而描述鉆井液在鉆柱內(nèi)和環(huán)空中的流動，從而得到ECD所需的環(huán)空循環(huán)壓耗。

而針對地層呼吸效應的數(shù)學模型，則需要考慮裂縫的變形定律，即裂縫開度和流體壓力之間的關系：

式中：w是指定點的裂縫孔徑(m)；w0是線性化參數(shù)(m)；P是裂縫內(nèi)部該點處的壓力(Pa)；Kn是裂縫開度增量與流體壓力增量的比例系數(shù)，稱為裂縫的法向剛度(MPa/m)。

然后根據(jù)質(zhì)量守恒原理，則可以通過雷諾潤滑理論方程，得到地層呼吸效應的控制方程，即：

3 深水鹽下井呼吸效應處理分析

石油行業(yè)對井控的要求愈發(fā)嚴格，目前各石油公司的企標中均規(guī)定，若發(fā)現(xiàn)鉆井液外溢現(xiàn)象，立即關井處理。如果失誤將呼吸效應判斷為溢流從而進行關井壓井等作業(yè)，極大浪費作業(yè)成本。反之如果失誤將溢流判斷成呼吸效應而不壓井的話，則將會導致井控失事。中海油南海海上作業(yè)給出了判斷呼吸效應的原則：前提是必須有鉆井液損失，并且在溢流過程中回流速度逐漸降低。如果是否為呼吸效應還無法確定，則必須要遵循井控相關的程序進行關井。

2020年10月在墨西哥區(qū)塊S井施鉆時，在12-1/4 in井段發(fā)生溢流壓井，在兩套鹽之間包裹地層遇到異常高壓砂體，僅鉆入新地層74.7 m，其中鹽層30.5 m，鹽下泥巖44.2 m，未鉆遇砂巖地層，且鉆進期間無油氣顯示；結合鉆進期間觀測到的地層呼吸效應情況，初步判斷本次“溢流”為呼吸效應導致。29日15:30采取環(huán)空泄壓方式判斷驗證，如圖2所示：第一次泄壓，套壓從7.9 MPa降至6.3 MPa后升至7.8 MPa；第二次泄壓，套壓從8.2 MPa降至6.1 MPa后升至7.6 MPa；第三次泄壓，套壓從7.3 MPa降至5.2 MPa后升至6.5 MPa；第四次泄壓，套壓從6.5 MPa降至0；觀察循環(huán)池液面穩(wěn)定，無溢流。現(xiàn)場確認本次溢流為呼吸效應導致。

圖2 井下呼吸效應驗證

29日15:30套壓釋放至0，立壓仍顯示6.5 MPa，未泄壓；根據(jù)鉆井船方井控檢查規(guī)定進行進一步“井控風險”排除操作：保持上萬能防噴器關閉，上下活動鉆具，觀察立壓無明顯變化；關閉閘板防噴器，循環(huán)檢查“BOP圈閉氣”，未發(fā)現(xiàn)圈閉氣；保持萬能防噴器關閉，計量罐觀察環(huán)空，無溢流；打開萬能防噴器，開井觀察，無溢流；循環(huán)一周檢查，未見異常。30日11:00“井控風險”排除，恢復起鉆作業(yè)。

4 深水鹽下井呼吸效應初步研究

本井的呼吸效應處理過程表明，亟需創(chuàng)建深水鹽下地層呼吸效應影響下的地層-井筒耦合模型，揭示呼吸效應導致井漏、溢流假象的本質(zhì)，突破深水鹽下地層鉆井井涌難以準確識別的難題。在作業(yè)分析過程中，操作員使用事件樹進行分析。它是一種分析方法，根據(jù)事件的發(fā)展順序推斷所有可能的后果，其中所有事件在序列中都有因果邏輯關系。如圖3所示，從井下工藝設備分析、地層因素、人為管理因素三方面建立深水鹽下地層呼吸效應層次結構模型，基于鉆井液密度、鉆井速度、關井立壓力和套管壓力、溢流速度和溢流量五個參數(shù)，將其與溢流進行了比較。在隨后的深水鹽鉆井過程中，發(fā)生了兩次類似的井口鉆井液泄漏情況。根據(jù)建立的一種基于決策樹的深水鹽下鉆井呼吸效應對應識別方法，將其識別為呼吸效應和溢流，并按照連續(xù)鉆井和關井壓井的方法進行后續(xù)的處理。

圖3 墨西哥深水鹽下井呼吸效應處理決策樹

5 結論與建議

(1)深水鹽下井鉆井過程中在兩套鹽之間包裹地層遇到異常高壓砂體，形成下噴上漏，造成嚴重呼吸效應，浪費大量處理時間。

(2)根據(jù)建立的深水鹽下鉆井呼吸效應決策樹，確定后續(xù)深水鹽下鉆井中鉆井液溢流的原因為呼吸效應和溢流，并根據(jù)繼續(xù)鉆井和關井壓井進行處理。

(3)隨著石油勘探向深水鉆井和復雜地質(zhì)條件下深井、超深井鉆井方向發(fā)展，基于決策樹的深水鹽鉆井呼吸效果識別方法的應用前景越來越廣闊。