墨西哥深水盐下井呼吸效应识别及处理实践.docx

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墨西哥深水盐下井呼吸效应识别及处理实践墨西哥区块位于美国墨西哥边境地区，地层复杂，如图1所示。这是该公司首次在该地区进行深水钻井作业。区域盐层以次生盐为主。层序变化大，厚度大，最大厚度可达3100m。由于盐层向浅层的迁移，在盐层中可能存在高压盐裂缝和裂缝带的风险。同时，由于盐层本身的特点，难以准确预测，盐下地层的深度也具有很大的不确定性。窄压力窗引起的呼吸效应和溢流特性复杂，容易产生井控安全问题。所谓呼吸效应，是指在正常钻井作业的过程中，部分钻井液被压入到地层之中。而在停止循环后，之前被压入到地层中的钻井液会返回到井筒，从而在井口处表现出钻井液外溢的现象[1]。图1墨西哥湾深水盐下井典型地质风险1深水盐下井作业难点(1)深水地层承压能力弱。在相同井深下，深井压裂压力梯度减小，地层承压能力变弱。(2)深水井溢流监测困难。侵入井筒的油气很容易溶解在使用油基或合成基钻井液中。侵入的流体在这种情况下流入循环系统，此时并不会发生明显的变化，使得要观察溢流的发生需要很长时间。(3)深水压井窗口非常窄。相较于陆地情况，地层破裂压力会随水深的增加而降低，钻井过程中由于安全窗口(破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之差)的变窄，从而导致井涌余量减少。(4)深水呼吸效应初期作用的效果类似于溢流现象，但不同的是，钻井液在呼吸作用下的溢出会逐渐停止，而溢流则溢出会变得越来越严重。 2深水盐下井呼吸效应形成机理由于世界范围内人们对呼吸效应的了解和研究有限，呼吸效应在国外被称为BoreholeBallooning，但大多侧重于陆地钻井。呼吸效应即当循环钻进时，呼吸效应在深水钻井中循环当量钻井液密度(ECD)达到或超过安全密度窗口的上限的情况下更容易发生。同理，呼吸效应由于地层的安全密度窗随着水深增加的减小，导致其更容易发生。目前对地层呼吸效应的广泛认可的主流解释是由于开泵循环条件和停泵静态条件过程中产生的井下压力波动从而导致裂缝的打开和闭合。因此，为了研究呼吸效应的机理并采取预防措施，井内循环压力的变化必须要首先做到确定和控制，主要包括环空循环压力损失和钻井液静水压力。钻井液循环当量密度(ECD)一般用来在工程实际中表示，即：式中：ESD为静态当量钻井液密度(g/cm3)；ΔρLa为环空循环压耗当量密度(g/cm3)。其中深水钻井井中温度对钻井液密度的影响不容忽视。深水温压场下钻井液静态密度预测计算模型国内外目前主要有两种，一种是复合模型，该模型将钻井液按照各组分分别在对应温压下钻井液密度，但该方法较为复杂故实际应用性不强。另一种方法就是通过对大量试验数据进行整合得出的经验模型，只需对所应用钻井液进行实验确定系数，即可算出ESD。若要计算整个循环过程中，钻井液造成的压力损耗，则需要确定不同钻井液的流变模式，进而描述钻井液在钻柱内和环空中的流动，从而得到ECD所需的环空循环压耗。而针对地层呼吸效应的数学模型，则需要考虑裂缝的变形定律，即裂缝开度和流体压力之间的关系：式中：w是指定点的裂缝孔径(m)；w0是线性化参数(m)；P是裂缝内部该点处的压力(Pa)；Kn是裂缝开度增量与流体压力增量的比例系数，称为裂缝的法向刚度(MPa/m)。然后根据质量守恒原理，则可以通过雷诺润滑理论方程，得到地层呼吸效应的控制方程，即：3深水盐下井呼吸效应处理分析石油行业对井控的要求愈发严格，目前各石油公司的企标中均规定，若发现钻井液外溢现象，立即关井处理。如果失误将呼吸效应判断为溢流从而进行关井压井等作业，极大浪费作业成本。反之如果失误将溢流判断成呼吸效应而不压井的话，则将会导致井控失事。中海油南海海上作业给出了判断呼吸效应的原则：前提是必须有钻井液损失，并且在溢流过程中回流速度逐渐降低。如果是否为呼吸效应还无法确定，则必须要遵循井控相关的程序进行关井。 2020年10月在墨西哥区块S井施钻时，在12-1/4in井段发生溢流压井，在两套盐之间包裹地层遇到异常高压砂体，仅钻入新地层74.7m，其中盐层30.5m，盐下泥岩44.2m，未钻遇砂岩地层，且钻进期间无油气显示；结合钻进期间观测到的地层呼吸效应情况，初步判断本次“溢流”为呼吸效应导致。29日15:30采取环空泄压方式判断验证，如图2所示：第一次泄压，套压从7.9MPa降至6.3MPa后升至7.8MPa；第二次泄压，套压从8.2MPa降至6.1MPa后升至7.6MPa；第三次泄压，套压从7.3MPa降至5.2MPa后升至6.5MPa；第四次泄压，套压从6.5MPa降至0；观察循环池液面稳定，无溢流。现场确认本次溢流为呼吸效应导致。图2井下呼吸效应验证29日15:30套压释放至0，立压仍显示6.5MPa，未泄压；根据钻井船方井控检查规定进行进一步“井控风险”排除操作：保持上万能防喷器关闭，上下活动钻具，观察立压无明显变化；关闭闸板防喷器，循环检查“BOP圈闭气”，未发现圈闭气；保持万能防喷器关闭，计量罐观察环空，无溢流；打开万能防喷器，开井观察，无溢流；循环一周检查，未见异常。30日11:00“井控风险”排除，恢复起钻作业。4深水盐下井呼吸效应初步研究 本井的呼吸效应处理过程表明，亟需创建深水盐下地层呼吸效应影响下的地层-井筒耦合模型，揭示呼吸效应导致井漏、溢流假象的本质，突破深水盐下地层钻井井涌难以准确识别的难题。在作业分析过程中，操作员使用事件树进行分析。它是一种分析方法，根据事件的发展顺序推断所有可能的后果，其中所有事件在序列中都有因果逻辑关系。如图3所示，从井下工艺设备分析、地层因素、人为管理因素三方面建立深水盐下地层呼吸效应层次结构模型，基于钻井液密度、钻井速度、关井立压力和套管压力、溢流速度和溢流量五个参数，将其与溢流进行了比较。在随后的深水盐钻井过程中，发生了两次类似的井口钻井液泄漏情况。根据建立的一种基于决策树的深水盐下钻井呼吸效应对应识别方法，将其识别为呼吸效应和溢流，并按照连续钻井和关井压井的方法进行后续的处理。图3墨西哥深水盐下井呼吸效应处理决策树5结论与建议(1)深水盐下井钻井过程中在两套盐之间包裹地层遇到异常高压砂体，形成下喷上漏，造成严重呼吸效应，浪费大量处理时间。(2)根据建立的深水盐下钻井呼吸效应决策树，确定后续深水盐下钻井中钻井液溢流的原因为呼吸效应和溢流，并根据继续钻井和关井压井进行处理。(3)随着石油勘探向深水钻井和复杂地质条件下深井、超深井钻井方向发展，基于决策树的深水盐钻井呼吸效果识别方法的应用前景越来越广阔。