鄧 嵩 樊洪海 牛 軍 任威嚴(yán) 劉玉含 刁皓玉 祝兆鵬

(1.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213002； 2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249)

深水淺層鉆井液安全密度窗口研究*

鄧 嵩1,2樊洪海2牛 軍2任威嚴(yán)2劉玉含2刁皓玉2祝兆鵬2

(1.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213002； 2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249)

鄧嵩,樊洪海,牛軍，等.深水淺層鉆井液安全密度窗口研究[J].中國海上油氣，2017,29(4)：138-144.

DENG Song,FAN Honghai,NIU Jun,et al.Study on the safety window of drilling fluid density for shallow formations in deep water drilling operations[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):138-144.

深水淺層鉆井液安全密度窗口窄，給深水淺層鉆井設(shè)計和工程安全帶來極大挑戰(zhàn)。根據(jù)深水淺層地層特征，運用四參數(shù)流變模型進行了波動壓力計算，在此基礎(chǔ)上考慮深水淺層隔水管安全余量和淺層地質(zhì)災(zāi)害安全余量建立了深水淺層鉆井液安全密度窗口確定方法。以我國南海鶯瓊盆地YC1井為例,計算分析了深水淺層鉆井液安全密度窗口變化規(guī)律，結(jié)果表明隔水管安全余量、淺層安全余量對深水淺層鉆井液安全密度窗口影響較大。根據(jù)上述結(jié)果，提出了利用雙梯度鉆井技術(shù)(DGD)解決鉆井液安全密度窗口窄的方法，可為深水鉆井設(shè)計提供參考。

深水淺層；鉆井液安全密度窗口；波動壓力;隔水管安全余量；淺層安全余量;鶯瓊盆地

近年來深水油氣勘探開發(fā)突飛猛進，出現(xiàn)了水深超過4 000 m的超深水鉆井[1]。隨著水深的增加，隔水管受力復(fù)雜，為了確保深水鉆井隔水管及井口在惡劣天氣等情況下的安全，須采取隔水管臨時脫離的措施[2]；同時，深水淺層的地質(zhì)災(zāi)害也越來越明顯，海底溫度低至0～4 ℃，地層膠結(jié)強度低，易出現(xiàn)“三淺”(淺層氣、淺水流、天然氣水合物)地質(zhì)災(zāi)害以及深水淺層地層破裂壓力過低的狀況[3]，為了確保深水淺層鉆井的合理設(shè)計及工程安全，深水淺層鉆井液安全密度窗口確定及鉆井技術(shù)優(yōu)選就顯得十分重要。

現(xiàn)有的鉆井液安全密度窗口確定方法大多是針對陸地油田，隨著勘探區(qū)域開采難度的增加，常規(guī)的鉆井液密度窗口確定方法難以滿足高難鉆采區(qū)域的需要[4-6]。R.M.Ostermeier[7]、Luiz A.S.Rocha[8]等研究了一些針對深水鉆井液密度窗口計算的方法，但針對淺層鉆井液密度窗口特征的分析及對策卻鮮有提出。在深水情況下，需要優(yōu)選適合于成巖性較差地層的地層壓力預(yù)測方法，而且由于波動壓力的影響，使得深水鉆井時安全密度窗口與陸上鉆井相比更窄。為此，本文開展了深水鉆井液安全密度窗口確定方法研究，并以鶯瓊盆地YC1井為例進行了深水淺層鉆井液密度窗口計算，提出了采用雙梯度鉆井技術(shù)(DGD)解決鉆井液安全密度窗口窄這一難題的方法，同時依據(jù)DGD環(huán)空壓力原理得出了其密度的優(yōu)選方法。

1 深水淺層鉆井液安全密度窗口確定方法

1.1 影響因素分析

深水淺層鉆井液安全密度窗口確定，首先要對深水淺層的地層孔隙壓力、地層坍塌壓力以及地層破裂壓力或漏失壓力進行確定，以得出密度窗口的上下限。深水淺層的特殊地層決定了它受客觀條件的約束較多，由于其具有較大的孔隙度與特殊的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，可以選擇基于測井資料的綜合解釋法進行地層孔隙壓力計算[9]；雖然深水表層大多為淤泥層，但表層導(dǎo)管段采用捶入法或者噴射法下入，因此坍塌壓力可以不考慮淤泥層的影響，深水淺層表層套管以下地層具有一般地層的彈性特征，因此可以選擇依據(jù)傳統(tǒng)簡便的摩爾-庫倫準(zhǔn)則的深水地層坍塌壓力計算方法[4]；由于海底淺層土質(zhì)疏松，膠結(jié)強度很低，所以要計算在工程上可能出現(xiàn)的最小水平應(yīng)力，即裂縫重張應(yīng)力，作為安全密度窗口的上限。而地破試驗所克服的壓力即為裂縫重張壓力，可以選擇一種通過地破試驗數(shù)據(jù)確定窗口上限的方法(地層破裂壓力與漏失壓力最小值)[10]。同時深水鉆井起下鉆引起的波動壓力會極大地影響鉆井施工，且隨著水深增加，海洋環(huán)境愈加惡劣，深水隔水管系統(tǒng)隨時可能出現(xiàn)緊急狀況，因此要附加隔水管安全余量；由于深水淺層“三淺”地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，還需要附加上淺層地質(zhì)災(zāi)害安全余量。因此，在深水淺層鉆進過程中，需要保證鉆井液密度小于破裂壓力和漏失壓力的最低值并且減去激動壓力，以免壓破地層；同時要大于孔隙壓力與坍塌壓力的最高值、抽吸壓力、激動壓力以及隔水管安全余量和淺層地質(zhì)災(zāi)害安全余量之和，以免發(fā)生井噴或井涌現(xiàn)象。

1.2 確定方法及具體步驟

根據(jù)上述分析，得出深水淺層鉆井液安全密度窗口確定方法為

(1)

式(1)中：ρp為地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；ρc為地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；ρf為地層破裂壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；ρl為地層漏失壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；Sb為抽吸壓力系數(shù)，g/cm3；Sg為激動壓力系數(shù)，g/cm3；Sk為隔水管安全余量系數(shù)，g/cm3；Sf為淺層地質(zhì)災(zāi)害安全余量系數(shù)，g/cm3。

深水淺層鉆井液安全密度窗口確定的具體步驟如圖1所示。

1.3 波動壓力的確定

波動壓力的存在使鉆井液安全密度窗口更加狹窄，因此確定波動壓力的大小對于深水淺層鉆井液安全密度窗口的確定尤為重要。深水淺層鉆井工況復(fù)雜，而四參數(shù)流變模型具有冪律、赫巴以及賓漢流體的模型特點，因此本文選用四參數(shù)流變模型計算波動壓力[10]，建立流變模式、環(huán)空流量方程以及黏附性系數(shù)的經(jīng)驗公式，即

(2)

圖1 深水淺層鉆井液安全密度窗口確定步驟Fig .1 Determining procedure of drilling fluid safety window in deepwater shallow

依據(jù)壓力與切力的平衡關(guān)系，得出

(3)

式(2)、(3)中：τ為切應(yīng)力，Pa；τo為屈服應(yīng)力，Pa；a為黏度系數(shù)，Pa·s；b為稠度系數(shù)，Pa·s；c為流性指數(shù)，無因次；γ為剪切速率，s-1；Q為環(huán)空總流量，m3/s；Ro為鉆柱外半徑，m；Ri為井筒內(nèi)半徑，m；τw為井壁處的切應(yīng)力，Pa；Kc為黏附性系數(shù)，k=Ri/Ro；vp為起下鉆速度，m/s，起鉆時vp方向為負(fù)(即ps=Sb),下鉆時vp方向為正(即ps=Sg)；ps為波動壓力梯度，Pa/m。

1.4 安全余量的確定

深水淺層鉆進過程中有可能遇到隔水管脫落情況，而且深水淺層地質(zhì)災(zāi)害隨時可能發(fā)生，需要確定深水淺層安全余量。

1) 隔水管安全余量。

假設(shè)隔水管意外脫離，如果地層孔隙壓力大于井底壓力，則會發(fā)生井噴，因此首先建立如下平衡方程：

(4)

由式(4)可以得出

(5)

式(4)、(5)中：h為本井段任意一點的垂深，m；hw為海水深度，m；RKB為補心海拔，m；ρm為鉆井液密度，g/cm3；ρw為海水密度，g/cm3。

2)淺層流/氣安全余量。

當(dāng)發(fā)生淺層災(zāi)害時，鉆井液安全密度窗口的下限須大于原有窗口下限與淺層安全余量值之和。假設(shè)淺層氣/流侵入井筒，則得出如下方程：

(6)

淺層氣/流安全余量為淺層氣/流涌入井筒時的井底壓力與鉆井液工作壓力之差，用當(dāng)量密度表示

(7)

將式(6)代入式(7),可以得到

(8)

式(6)～(8)中:pmax為關(guān)井所允許的最大井底壓力，MPa；hs為上層套管鞋深度，m；L為淺層氣/流涌入井筒的最大長度，m。

2 深水淺層鉆井液安全密度窗口計算實例

以南海鶯瓊盆地YC1井為例。該井水深達725 m，采用半潛式鉆井平臺進行鉆井作業(yè)。根據(jù)鉆井揭示的地層情況可知，同一井區(qū)內(nèi)單井完鉆深度和地質(zhì)分層差異較大，而且該井區(qū)在淺層區(qū)域可能出現(xiàn)淺層氣。對該井進行了測井?dāng)?shù)據(jù)采集，包括聲波時差、孔隙度、鉆井液密度、地破試驗數(shù)據(jù)、地層壓力實測值。該井鉆井作業(yè)參數(shù)如表1所示。

表1 YC1井鉆井參數(shù)表Table 1 Drilling prameter list of Well YC1

應(yīng)用本文方法分別進行了YC1井的地層孔隙壓力、地層破裂壓力(窗口上限)、地層坍塌壓力的計算，得到該井淺層初始鉆井液安全密度窗口，如圖2所示。從圖2可以看出，泥線以上地層三壓力當(dāng)量密度可看作是海水密度1.03 g/cm3，泥線以下淺部地層的鉆井液密度窗口較小。表2為該井地層孔隙壓力和地層破裂壓力的計算結(jié)果與實測值的對比，可以看出，二者之間的誤差不超過10%，說明計算結(jié)果符合工程需求。

圖2 YC1井淺層三壓力剖面圖Fig .2 Formation pressure cross section of Well YC1

表2 YC1井地層壓力計算誤差表Table 2 Formation pressure computational error of Well YC1

根據(jù)公式(2)、(3)對深水淺層波動壓力進行計算，結(jié)合圖2結(jié)果，得出該井鉆井液安全密度窗口由ρmin1<ρ<ρmax1變化為ρmin2<ρ<ρmax2，如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)起下鉆速度一定時，鉆井液安全密度窗口的下限升高，上限降低，密度窗口縮小了0.05～0.10 g/cm3，說明波動壓力對于安全密度窗口具有一定的影響，尤其是深水淺部地層的密度窗口變得更窄，所以需要合理使用鉆井液密度，防止地層被壓漏。

圖3 YC1井鉆井液安全密度窗口校正圖Fig .3 Calibration chart of the drilling fluid safety window of Well YC1

當(dāng)發(fā)生隔水管脫離時，根據(jù)公式(4)、(5)計算得到隔水管安全余量，結(jié)合圖3結(jié)果得出該井鉆井液密度窗口大小變?yōu)棣裮in3<ρ<ρmax2(圖4)；當(dāng)發(fā)生淺層災(zāi)害時，根據(jù)公式(6)、(7)計算得到淺層氣/流安全余量，結(jié)合圖3結(jié)果得出該井鉆井液密度窗口大小變?yōu)棣裮in4<ρ<ρmax2(圖5)。從圖4可以看出，考慮隔水管安全余量后，泥線附近密度窗口下限增加了0.1 g/cm3左右，而且隨著深度的增加密度窗口變化梯度逐漸減?。粡膱D5可以看出，淺層的安全余量也對泥線附近的密度窗口下限影響較大，與隔水管安全余量的影響基本相同，密度窗口下限增加了0.1 g/cm3左右，而且隨著井深的增加整體影響表現(xiàn)為先減小后增大，梯度變化拐點與上層套管鞋深度有關(guān)。

圖4 YC1井隔水管安全余量校正圖Fig .4 Calibration chart of the riser safety margin of Well YC1

圖5 YC1井淺層地質(zhì)災(zāi)害安全余量校正圖Fig .5 Calibration chart of the shallow disaster margin of Well YC1

圖6為不同涌入氣體長度對YC1井鉆井液密度窗口大小的影響，可以看出氣體涌入長度越大，對淺層密度窗口影響越大，但對較深層位密度窗口影響較小，所以要嚴(yán)防淺層地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，同時需要找到解決深水淺層窄安全密度窗口的有效方法。

圖6 不同涌入氣體長度對YC1井鉆井液密度窗口大小的影響Fig .6 Influence of different gas lengths in wellbore by shallow disasters of Well YC1

3 深水淺層鉆井液窄密度窗口解決方法

雙梯度鉆井技術(shù)(DGD)是一種將深水鉆采管柱的環(huán)空壓力分為2個梯度的鉆井技術(shù)，可以解決窄密度窗口問題[11]。如圖7所示，將 DGD鉆井區(qū)域簡化為上下兩部分，上部高度為h1，下部高度為h2，假設(shè)分界點O的位置在泥線上(在不同的雙梯度鉆井技術(shù)中位置不同)，此時下部環(huán)空壓力當(dāng)量密度即為海水密度，可以保證pa在安全密度窗口中。

圖7 DGD環(huán)空壓力分布原理圖[12]Fig .7 Annular pressure distribution in DGD operation[12]

假設(shè)不考慮溫度、海洋環(huán)境、鉆井液流變性影響，根據(jù)圖7所示的DGD環(huán)空壓力分布原理計算出鉆井液密度窗口為

(9)

式(9)中：ρa為環(huán)空壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρ1為O點以上鉆井液密度，g/cm3；ρ2為O點以下鉆井液密度，g/cm3；h為井深，m。

首先取可以實現(xiàn)的最小密度ρ1，即海水密度,同時在O點時取ρ2=ρ1;然后給出一個穩(wěn)定的密度增量，運用試算的方法，增加h到井底，保證環(huán)空壓力當(dāng)量密度曲線位于鉆井液安全密度窗口范圍內(nèi)(如果不符合要求，則改變密度增量)；如此往復(fù)，最終即可得到DGD鉆井液密度曲線。

假設(shè)上、下梯度的分界點在泥線處，由于DGD鉆井時可以不考慮隔水管安全余量[13]，根據(jù)式(9)，得出YC1井運用DGD技術(shù)在泥線以下鉆井液密度的最高值和最低值變化，如圖8所示。從圖8可以看出，運用本文提出的DGD密度確定方法可將圖2中深水淺層鉆井液安全密度窗口由ρmin-ρmax擴大為ρmin5-ρmax5，說明DGD鉆井技術(shù)能有效解決深水淺層窄鉆井液安全密度窗口問題，值得進一步深入探索。

圖8 YC1井DGD技術(shù)深水淺層鉆井液密度窗口Fig .8 Drilling fluid density window of DGD operation in deep water shallow of Well YC1

4 結(jié)論

1) 考慮深水淺層壓力波動、隔水管安全余量和淺層安全余量等因素，建立了深水淺層鉆井液安全密度窗口確定方法，并以我國南海鶯瓊盆地YC1井為例進行了計算分析，結(jié)果表明，隔水管安全余量、淺層安全余量對深水淺層鉆井液安全密度窗口影響較大。

2) 提出了利用雙梯度鉆井技術(shù)(DGD)解決鉆井液安全密度窗口窄的方法，可為深水鉆井設(shè)計提供參考。

[1] PILISI N,WHITINEY B,KAWAMURA Y.Designing the world’s deepest offshore well to drill and core the Earth’s Mantle[R].OTC-23202MS，2012.

[2] JAMES N B.Key elements in ultra-deep water drilling risermanagement [R].SPE/IADC 67812,2001.

[3] 唐海雄,韋紅術(shù),易遠(yuǎn)元,等.應(yīng)用速度場技術(shù)預(yù)測深水鉆井中的淺層地質(zhì)災(zāi)害[J].天然氣工業(yè),2014,34(5):95-99.TANG Haixiong,WEI Hongshu,YI Yuanyuan,et al.Application of seismic wave velocity field to predict the geological disasters in shallow strata during deep sea drilling[J].Natural Gas Industry,2014,34(5):95-99.

[4] 程遠(yuǎn)方,徐同臺.安全泥漿密度窗口的確立及應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),1999,27(3):16-18.CHENG Yuanfang,XU Tongtai.Determination and application of the safe mud density window[J].Petroleum Drilling Techniques,1999,27(3):16-18.

[5] 金衍,陳勉,楊小奇.利用層速度鉆前預(yù)測安全泥漿密度窗口研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(14):2430-2433.JIN Yan,CHEN Mian,YANG Xiaoqi.Prediction of safe mud density window by interval velocity before drilling [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(14):2430-2433.

[6] 土林,付建紅,饒富培,等.大位移井井壁穩(wěn)定機理及安全密度窗口分析[J].石油礦場機械,2008,37(9):46-48.TU Lin,FU Jianhong,RAO Fupei,et al.Study of wall stability of extended reach well and analysis of security density window [J].Oil Field Equipment,2008,37(9):46-48.

[7] OSTERMEIER R M,PELLETIER J H,WINKER C D,et al.Trends in shallow sediment pore pressures-deepwater Gulf of Mexico[R].SPE/IADC-67772MS,2001.

[8] ROCHA L A S,FALCO J L,GON?ALVES C J C,et al.Fracture pressure gradient in deepwater[R].IADC/SPE-88011MS,2004.

[9] 王河,樊洪海.一種地層破裂壓力的估算方法[J].新疆石油科技,2009,19(4):11-13.WANG He,FAN Honghai.An evaluation method of formation fracture pressure [J].Xinjiang Petroleum Science & Technology,2009,19(4):11-13.

[10] 郭宇健,李根生,宋先知,等.基于四參數(shù)流變模式的鉆井液穩(wěn)態(tài)波動壓力計算[J].鉆采工藝,2014,37(5):1-4.GUO Yujian,LI Gensheng,SONG Xianzhi,et al.Steady swab-surge pressure predictions based on four parameters rheological model of drilling fluids[J].Drilling & Production Technology,2014,37(5):1-4.

[11] 許亮斌,蔣世全,殷志明,等.雙梯度鉆井技術(shù)原理研究[J].中國海上油氣,2005,17(4):260-264.XU Liangbin,JIANG Shiquan,YIN Zhiming,et al.Research on principle of dual-gradient drilling technology [J].China Offshore Oil and Gas.2005,17(4):260-264.

[12] NAVDURI S,MEDLEY G,TIAN S.Dual gradient screening tool:depth ratio (DRX) and & DRX matrix method[R].SPE/IADC-168950,2014.

[13] NAUDURI A S S,MEDLEY G H,SCHUBERT J J.MPD:beyond narrow pressure windows[R].IADC/SPE-122276,2009.

(編輯：周雯雯)

Study on the safety window of drilling fluid density for shallow formations in deep water drilling operations

DENG Song1,2FAN Honghai2NIU Jun2REN Weiyan2LIU Yuhan2DIAO Haoyu2ZHU Zhaopeng2

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou,Jiangsu213002,China; 2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The narrow safety window of drilling fluid density brings great challenges to the drilling design and project safety for drilling in shallow formations in deep water fields.Based on the characteristics of the formations, a four-parameter rheological model was applied to compute the surge pressure.With the consideration of the safety margins of both the riser and geological hazards of shallow formations, a method for determining the safety window of drilling fluid density were proposed.Taking Well YC1 in Yingqiong basin in South China Sea as an example, the safety window in this scenario was computed, and the variation pattern thereof was analyzed.The results indicated that safety margins of both the riser and shallow formations have a greater influence on the safety window.On the basis of the findings above, a method which uses DGD to solve the problem:the narrow window of drilling fluid density was proposed, which would give reference for deep water drilling design.

shallow formations in deep water drilling; safety window of drilling fluid density; surge pressure; safety margin of riser; safety margin of shallow formation; Yingqiong basin

*國家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體項目“復(fù)雜油氣井鉆井與完井基礎(chǔ)研究(編號：51221003)”、國家自然科學(xué)基金“深水鉆井隔水管-導(dǎo)(套)管力學(xué)特性研究與水下井口穩(wěn)定性分析(編號：51574261)”、“十二五”國家科技重大專項“鉆井工程設(shè)計和工藝軟件(編號：2011ZX05021-006)”部分研究成果。

鄧嵩，男，博士，畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)，主要從事深水鉆完井與地層三壓力分析方面的研究。地址：江蘇省常州市天寧區(qū)白云路常州大學(xué)石油工程學(xué)院(郵編：213002)。E-mail:13699286998@126.com。

1673-1506(2017)04-0138-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.018

TE254

A

2016-05-24 改回日期：2016-12-16