（油气井工程专业论文）深水钻井中的动力压井方法研究.pdf

s t u d yo nd y n a m i ck i l ld r i l l i n gi nd e e pw a t e r x u p e n g ( o i l & g a sw e l ld r i l l i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nb a o j i a n g a b s t r a c t h a n d l i n gt h es a f ep r o b l e m sc a u s e db yt h es h a l l o wg a st h r o u g ht h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n g m e t h o d ，h a sp r o v i d e da l le f f e c t i v ew a yf o rt h es a f ea n ds u c c e s s f u lo ft h ed e e pw a t e rd r i l l i n g a sa nu n u s u a lk i l lm e t h o d ，t h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n gh a sm a n yd i f f e r e n c e s 、) ，i t l lt h eu s u a lk i l l m e t h o d s t h i sa r t i c l ei sa i m e da tt h es a f ep r o b l e m st h a ta l ec a u s e db yt h es h a l l o wg a si nd e e p w a t e rd r i l l i n gp r o c e s s a s s o c i a t e d 、析t 1 1t h ec h a r a c t e ro ft h ed r i l l i n gt e c h n o l o g yi nd e e pw a t e r a n d u s i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a la n a l y s i sa s s o c i a t e d 谢t 1 1t h ei n s i t u a t i o nd a t a , t h i s a r t i c l ed o e sa ni n v e s t i g a t i o na b o u tt h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n gm e t h o df o rd e e pw a t e r b a s e do nt h er e q u i r e m e n to ft h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n ga n dt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r so ft h e d e e pw a t e r st e c h n o l o g y , i ts t u d i e dt h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n gt e c h n o l o g ya n da c q u i r e dt h e e x a m i n a t i o nt ot h es h a l l o wg a s ，t h eh a n d l em e a s u r e sa n dt h ed e s i g no ft h ed y n a m i ck i l l d r i l l i n g t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a s s o c i a t e d 、i mt h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n gt e c h n o l o g y , u s i n gm u l t i p h a s em o d e l ，i tb u i l d st h ec o n c e p t u a lm o d e lo ft h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n ga n d c h o i c e st h eb e t t e ra l g o r i t h mt os o l v et h es e to fe q u a t i o n s b a s e do nt h o s ec o n d i t i o n s ，i t c o m p i l e dt h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n gs o f t w a r e u s i n gt h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n gs o f t w a r e ，i td o e sa n a l y s i st ot h es i m u l a t e dw e l l i t a c q u i r e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e l i v e r yr a t ea n dt h ep a r a m e t e r ss u c ha sw e l ld e p t h , w e l lb o r ed i a m e t e r , b o t t o mh o l ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ，p e r m e a b i l i t ya n ds oo n i ta l s o c o n c l u d e dt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so ft h ed y n a m i ck i l ld r i l l i n gt od i f f e r e n td r i l l i n gp r o c e s s a tl a s t ，i th a si n f o r m e da ni n t e g r a t e dc o n c e p t i o n ，w h i c hp r o v i d e dt h es a f e l ya n ds u c c e s s f u l f o u n d a t i o nf o rd e e pw a t e rd r i l l i n g k e yw o r d s ：d e e p w a t e rd r i l l i n g ，w e l lk i c lb l o w o u t , s h a l l o wg a s ，w e l lk i l l ，d y n a m i c k i l ld r i l l i n g l l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：缝! 盘煎日期：泐譬年罗月2 9 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：缝! 道 指导教师签名：莲孓主扛 指导教师签名： 厶奎鼍塑兰二 日期：加9 苫年歹月2 e 1 日期：0 - - a 睁r 月功日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 本文的研究目的及意义 第一章绪论 随着国民经济的快速发展，我国油气与粮食、水一同被国家列为影响社会经济可持 续发展的三大战略资源，尤其油气供需矛盾越来越突出。石油和天然气紧缺已成为制约 我国经济和社会发展的主要瓶颈，严重影响着经济发展、社会稳定和国家安全，引起了 党中央、国务院的高度重视。 海洋约占地球表面积的7 0 9 ，人类最后需要采出的石油、天然气资源储备在这里。 开发海洋石油包括天然气，是一项高投资、高技术和高风险的系统工程；海洋石油开发 具有重要的政治意义和经济价值，也是促进国家科技、经济发展的重要手段。 2 1 世纪是海洋的世纪，海洋石油已经成为人类开发海洋资源的重点。据地质学家的 预测，在海底石油天然气总储量约为1 0 0 0 2 5 0 0 亿吨，是世界7 0 多年来探明陆地总储量 的两倍，其经济价值约为1 0 2 5 万亿美圆甚至更多。随着陆地油气资源的逐步减少甚至 枯竭，向海洋、特别是深海开发石油、天然气，是世界油气工业发展的重要趋势之一。 然而，深水海底常常潜伏着大量的高压浅层i j ；c 【1 3 1 ，在深水盆地中的细粒沉积物包 裹透镜体沙层后，通过压实作用将浅层气和盐水圈闭在这种透镜体沙层结构中，上部过 重的承压使含水沙层变成一个过压载体，井眼穿过高压沙层时，为高压含水气沙层提供 了一个释放通道，产生严重的事故。 浅层气的特点是“浅 ，在钻遇时，不仅没有技术套管，而且往往没有下表层套管， 所以无法安装防喷器系统，在没有防喷器情况下钻遇浅气层是十分危险的。此时，常规 的借助井口装置产生回压来平衡地层压力的压井方法就不再适用。同时，随着钻井技术 的发展，建立在直井基础上的以“泵送模式作为理论基础的常规压井方法也已不能满 足新形势的需要。在大斜度井及水平井中，因立管压力变化复杂，使用常规的压井方法 操作困难，很难掌握，当钻遇高压油气层时，由于多方面的原因，有可能出现喷空的情 况，这时也不能应用常规的方法，所以有必要寻找其它的压井方法。 动力压井法【4 】是m o b i l 公司首先提出的一种新方法。它不同于常规压井方法借助 井口装置产生回压来平衡地层压力，而是借助于流体循环时克服环空流动阻力所需的井 底压力来平衡地层压力。该方法最初是针对利用救援井制服喷井而提出的，曾成功制服 强烈井喷，如1 9 7 8 年7 月印度尼西亚a u m 油田的c i i 2 井的井喷，大火烧了8 9 天，烧掉井 第一章绪论 架和钻机，同年9 月1 日，该井用动力压井方法仅通过一口救援井就压住了井喷。但目前 国内对该方法的研究报道不多，公开发表的相关文章也较少。鉴于这种情况，本课题将 对动力压井法的理论及工艺进行研究。 针对浅层流地层破裂压力低的特点，如何更好的解决浅层流地层在钻井过程中引发 的问题，是当今深水钻井过程中面临的巨大挑战。而动力压井法的提出，为解决浅层流 问题提供了一个很好的解决办法。研究动力压井法理论，并成功的将动力压井法应用到 深水钻井过程中，将对我国海洋钻井事业的发展起到很好的推动作用。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 浅层流问题相关问题介绍 ( 1 ) 浅层气的定义 海底浅部地层地质年龄轻，压实时间短，地层渗透率一般较高。通常欠压实层的高 渗透率使得高压层内地层水以很高的流速流向低压区，即浅部水层的井涌。浅部水层井 涌是许多钻井问题的起因，表现为钻井、下套管固井出现困难，严重时会导致井眼坍塌 甚至引起海底沉降，最坏的情况是造成油井报废。浅层气埋藏在浅部地层，俗称“鸡窝 气 ，是蕴藏在海床面以下8 0 0 米范围内未胶结地层中的天然气。浅层气井喷有如下特 点：易发生，速度快；处理困难；危害大：允许波动压力低；预见性差。 一般情况下，快速沉积的大多数地区，普遍存在浅层气，由于沉积速度快，地层压 力来不及释放，如海湾地区和大陆架地区常有浅层气存在。由于浅层气位于浅层、体积 小、压力高、危险系数大，通常，浅层气引起的井喷是很难控制的，钻井工作人员和井 控专家们早已认识到这一点。与其它井控问题相比，在海洋钻井过程中，浅层气井喷会 导致自升式平台、钻井船、半潜式钻井船、海上平台等钻井设备的严重损坏。以往的经 验和数学模型告诉我们，用现有的设备很难实现对浅层气流动的控制。由于浅层气发生 井喷的井，会一直喷很长时间直至这口井油气资源枯竭。浅气层井喷的焦点问题是低破 裂压力梯度。由于过平衡压力较小，原本相对适中的抽汲或气侵将会引起浅层气流动并 导致井喷。 对于浅层气井喷有两种定义。第一种，气体在破裂压力低的浅层喷发，并且不能用 常规关井技术压井。浅层深度范围从地表一直到导管或者表层套管的下入点，海上发生 事故的深度则是泥线以下1 2 0 米以下的地层。另外一种定义，浅层气井喷包括发生在裸 眼井段表层套管以下的由于气体运移而发生的井喷。这种运移用常规技术不能阻止，通 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 常井喷都是由于气体的这种运移引起的。 ( 2 ) 浅气层位置的测定 在确定套管程序和钻井液设计方案之前，首先要弄清是否有浅气层。预测浅气层可 利用高分辨率的地震数据。现已有预测9 0 0 米浅沉积层剖面的新技术和新的地球物理设 备。高分辨率的电火花地震勘探和亮点分析技术对于预测浅层气很有效。电力机动浅层 剖面仪的最佳分辨率可达1 2 0 米，这种设备能给出有关活动的和非活动的储气层的资料。 水柱气泡检测仪可以发现气体渗漏，这种渗漏是浅层含气的直接显示。无泡电火花测量 仪可进行沉积速度分析并能提供深度达3 0 0 米的活动与非活动的气体储层情况。 相对振幅或亮点处理显示在气体或轻油饱和的层段有强烈的反射振幅这种理论是： 低密度的气体反射到地面的能量较大，从而出现一个亮点。把这些强信号记录下以后从 气层顶部来的这些反射就显现出来。 这些测量可以同时做几项，叫做多重探测。其他探测法还有：绘制探测图的水深扫 描、测面扫描声纳，它们能显示出水底的各种不规则的情况及海底的堆积层。除此之外， 还有各种磁力表、调谐传感器、剖面仪等。 这些探测方法可以在计划的井位上具体分析后加以应用。海底的堆积层可由潜水 员、摄影、电视或潜艇来证实。海底取样可以确认气体，但在大多数的情况下，只有钻 到气层才能确定气体的存在。 ( 3 ) 浅层气的分布类型及危害 浅层气的分布类型主要有以下几种：a 生物成因的仅储存在浅部砂质地层中；b 由 深部运移到浅部地层中呈弥散型的石油气体；c 由深部运移到浅部地层中呈“烟囱”状 气窗，具高压；d 通过断层面运移到浅部地层中仅分布在断层附近；e 储存在浅部砂质 地层中并间断性地溢出海底。 浅层气的特点是位于浅层、体积小、压力高、危险大。其之所以危险，是因为：钆 体积小，难以预测。层位浅，经常是突然出现；b 压力高，一旦井喷，能使油井迅速卸 载，使所有的钻井液喷出；c 层位浅使报警信号反应的时间短，天然气可能在几乎没有 报警的情况下就达到地面，起钻时尤其危险：d 表层一般是薄弱地层，容易憋裂，造成 井漏或井喷起火；e 钻浅井段时井口的控制装置也较少。浅层气井喷属于严重的钻井事 故，危害极大，常会造成以下3 种严重后果：a 天然气井喷着火，烧毁设备；b 在表层套 管下深度较浅或封固质量不好的情况下，气体会从套管外喷出，造成套管外井喷，在地 面形成大坑，使设备陷入地下；c 在表层套管下入较深且封固质量好的情况下，浅层气 3 第一章绪论 井喷往往会因井塌而停喷，造成井眼报废。 ( 4 ) 处理浅层气井喷的常规方法 如果在钻遇浅气层之前，已经安装井口，并安装了防喷器组，那么在钻浅气层前就 可以选择是否关井，或者分流。在海上如果要进行分流，用隔水导管是否最好，如计划 用隔水导管，能否改进设计以保证压井更容易。这样做可以减少浅层气控制中的各种危 险。 钻表层时，司钻应注意井涌信号：钻井液出口管流量传感器发出的井涌信号，使得 有尽可能多的时间进行分流或关井。在浅井段钻井时，即使钻到粘性页岩，使用流量传 感器有困难，也要尽可能保证流量传感器工作的可靠性。因为流量传感器发生的信号比 泥浆池发出的信号来的早，能够争取较多的时间。如有怀疑，就要停泵检查井口是否有 钻井液外流。 钻遇浅气层后，浅层气会很快涌入井筒。当关闭防喷器控制浅层气压力时，通常会 因为地层破裂压力较低而压裂地层，又因导管下的浅，导管下入深度通常小于3 0 0 米， 地层裂缝可延伸到地表。窜到地表的天然气着火便会烧毁钻井设备或使钻井船沉没。所 以在钻井设计中即应详细说明何时关井，何时使用分流器或打开节流管线。 一般情况下，如果地层较软，那么当套管下入深度小于6 0 0 米时，就不能进行关井 操作。如果地层较硬，那么套管下入深度小于3 0 0 米时也不能关并，以免压裂地层。 a 关井 关井还是分流，取决于地层破裂压力的大小。在大多数情况下，薄弱地层是在套管 鞋处，不管是下结构管，还是下导管，压裂梯度是非常低的。如果发生井涌，井涌流体 就有可能憋裂地层窜到地面上来。这种液流可以冲掉土壤，使陆地钻机沉入地下，或使 海洋平台或自升式钻井船下沉。在半潜式钻井船的作业中就有可能失去平衡，同时气化 水会窜到船上造成更大的损失。利用钻井船快速撤离现场可以减少这种危害。某些有自 行能力的钻井船快速撤离现场可能影响到作业程序。在有些井位，地层有足够的强度， 可以用关闭海底防喷器来控制。大多数压井专家认为，分流的优点多于关并的优点。 b 隔水导管 隔水导管为钻井流体返回到钻井船提供了一个环形空间，如进行分流，则为浅层气 通向钻台提供一个通道，把不受约束的天然气带到钻井船上来，其危险是显而易见的。 现代钻机配备的分流系统是把天然气引向下风，远离钻机，从而减少火灾的危险、但这 仅仅满足高压、小气量的情况。对于大气量情况，确实属于另外一个不同的问题。当加 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 重钻井液不能约束地层流体，而且又不能维持作用在地层上的回压时，压井成功的机会 是很小的。压井作业将随着水深的增加而更加复杂化。天然气的潜在流量与井底压力随 水深的增加而增加。在高压大流量情况下，隔水导管内的水或钻井液很快地被喷空。这 种情况同样包含一种危险，那就是由于导管里的气体与外面水的压力差把导管挤扁。另 外，对于9 0 0 米水深下的导管，天然气的潜在流量远远超过钻井船上所能安全处理的流 量，显然，必须有更好的办法。 c 地层的自然桥塞 地层的自然桥塞会制止天然气的流动。有些井是靠向井内泵送大量的加重钻井液压 住的。通过一系列循环慢慢增加钻井液密度是费钱的，因为钻井液通过分流管线损失掉 了。在深水里，较高的侵入量，减少了控制井喷的机会。在不用隔水导管的情况下井涌 流量总是受海水的静压头所限制，从而形成了较高的潜在压井曲线。研究资料表明： 在深水里压住一个通过隔水管的井涌，要比压住一个没有隔水管的井涌所需要的排量 大，因此，在钻表层井眼时不用隔水管是个好办法，但由于充气作用，使水的密度减小， 所造成的船只下沉的严重威胁是不能忽视的；大多数新的海洋钻机泵组的能力，能够 满足小井眼内的压井需要，这使我们可以先钻一个达到表层套管深度的井眼，而后加以 扩眼到所需尺寸。 d 提前配制并准备大量重密度钻井液 控制浅气层井涌的另一种可能的办法，就是在压井前配制相当于几倍井眼容积的重 钻井液，并储存起来。钻井液密度要稍小于从海底到套管鞋处的压裂梯度( 当量钻井液 密度) 。当检测到浅层气流动时，所有泵的上水管应当立即从吸入罐换到储存重钻井液 的罐，而且，泵的排量应当增加到钻机允许的极限能力。由于需要的压井液密度和容积 不容易计算，故第一步似乎有点碰运气。在泵送较重的钻井液之后，如果仍未压住井， 其他的办法就是打重晶石塞或水泥塞，或者等待可能发生的井内桥塞，或者等待其衰竭 停顿，还可以考虑打一口救援井。 为了可以使用较重的钻井液安全地进行压井，可以在隔水管底部最后一节上安装一 个放空阀，此阀可以从钻台上加以控制。此阀在分流器关闭时可以打开。打开该阀可以 保证隔水管内始终充满海水。事实上，这样就类似于在钻表层时不用隔水导管。这样做 除了可以使隔水管不被挤扁外还维持一个隔水管高度的海水静液柱压头。在压井的泵入 过程中，在海底通过阀的液流压力应当维持平衡。每当水、钻井液与天然气的总静压头 变得比海水的静液压力大时，流体就从隔水管向外流出。若隔水管内的静液压头变得小 5 第一章绪论 于海水的压头，相反的情况就会出现。在此情形下，水中充气，浮力减少，还会有失火 的危险，其危险程度取决于水深、流量、气候条件及水流等。为预防浅层井喷，必须制 定把船只移出井位或撤离钻机的日常应急计划。 e 分流放喷 原则上在套管鞋处地层不能承受应有的关井压力，套管下得浅，井涌流体有可能沿 井口周围窜到地面的危险时，均不能关井，而要使用分流器放喷。 分流器的操作，除了在关闭环形胶芯时要打开分流放喷管线外，都要遵守基本的关 井方法。打开分流器时应关闭泥浆池的钻井液出口管线，以免井口充满天然气。分流放 喷程序如下：上提钻具，使方钻杆接头露出钻台面；停泵；检查井口是否有钻井 液外流；打开分流器放喷管线；关闭分流器胶芯；检查出口管是否关闭，分流器 胶芯是否关闭，分流器放喷管线是否朝下风打开；按照分流器放喷设计要求，启动钻 井泵，开双泵以最大泵速泵水或一定量的重钻井液。 显然，这些方法都有其自身的缺陷。如果强行关井，那么就有压裂地层的危险；使 用隔水管时，如果气量很大，那么就有可能导致隔水管内被气体占据，隔水管也会因管 内外的压差而被挤扁；盲目提前配制并准备大量重密度钻井液，会造成巨大经济浪费等。 ( 5 ) 动力压井法在浅层气问题中的应用 1 9 7 8 年7 月4 日，m o b i l 公司在印度尼西亚的a u m 油田所钻的c i i 2 井发生井喷并着 火，大火烧t 8 9 天，烧掉钻机和井架，每天损失约1 1 3 x 1 0 7 m 3 天然气。尽管这口井压井 工作极为困难，但由于其产量和价值都很高，仍需要设法制住井喷。同年9 月1 日，这口 井用动力压井法，仅用一口救援井就压住了井喷。从此，动力压井法作为一种新的非常 规压井技术，引起了广泛关注。 动力压井法作为一种非常规压井方法，其基本原理是：以一定的流量泵入初始压井 液，使井底的流动压力等于或大于地层孔隙压力，从而阻止地层流体进一步侵入井内， 达到“动压稳 状态；然后逐步替入加重压井液，以实现完全压井的目的，达到“静压 稳 状态。它不同于借助井口装置产生回压来平衡地层压力的常规压井方法，而是借助 于流体循环时克服环空流动阻力所需的井底压力来平衡地层压力。动力压井法的环空流 动压降均匀地分布在整个井身长度上，常规压井的回压作用在整个井身的每一点上，也 就是说动力压井法将产生较小的井壁压力。如果套管下得浅，使用动力压井时套管鞋处 的压力就越比使用常规压井方法时小，从而更安全。 针对浅层气压力高、地层破裂压力低的特点，动力压井法可以使用低密度压井液， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 海上压井时可以直接使用海水作为初始压井液，通过增大泵的排量，增加流体在井筒内 循环流动时的摩擦阻力，到达增大井底压力的目的，以平衡浅气层压力。 采用该方法时，如果是在未发生火灾的情况下，可以直接将大尺寸的钻杆下到井底， 用钻头清洗小的桥塞，然后通过钻头将海水以计算出的流速注入，冲淡进入井眼的气体， 并通过提高排量增加摩阻力，随着井底压力的增加，气体将不再涌入井底，当控制住气 体不再继续涌入井筒后，再换用重密度钻井液，以小排量泵入井筒内，最终控制该浅气 层，制服井喷。通过对一些实例的查阅发现，这项技术是成功的。它的应用并没有出现 人们想象中应该出现的安全问题。充气水域的浮力损失并不明显，如果考虑夹带的水的 向上冲量，那么钻井设备要比普通情况下停靠的高点。 如果发生火灾，那么就要利用救援井技术，通过救援井与事故井底部连接，大量的 海水从救援井注入，通过井底的联接通道进入喷井内进行压井。如果需要的话，可以打 多口救援井进行压井操作。需要注意的是，救援井并不能简单的认为是另外一口直井。 它涉及复杂的设计及施工技术，在救援井钻井施工过程中，同样需要熟练的工程技术与 经验。 1 2 2 海上压井方法现状 压井的目的是恢复井眼内压力平衡，即井底压力等于或稍大于地层压力，并且还必 须把地层进入井眼中的流体安全的排出井眼，或安全的再压回地层。压井的原则是保持 井底常压，就是在压井过程中，井底压力略大于地层压力并且使井内压力保持不变。 海上常用压井方法【5 刀包括：海洋司钻法、海洋工程师法、高级司钻法、附加流速 压井法。 ( 1 ) 海洋司钻法压井 又叫做二次循环法压井，第一循环周用原钻井液循环排出井内受污染钻井液。待压 井钻井液配制好后，开始第二循环周，将压井钻井液泵入井内，压住地层。 ( 2 ) 海洋工程师法压井 该方法又称做一次循环法压井，是在一个循环周内完成的。 深水钻井时，由于防喷器组是安放在海底，因此海底防喷器和钻井船上的阻流器之 间要有一根细长的阻流管线来连接。压井时，通过泥浆泵从钻柱内注入泥浆，再由环空 顶替溢流流体。操作人员调节阻流器控制立管压力，在保持井底压力不变的情况下，通 过环空阻流管线排出井内溢流流体。 7 第一章绪论 由于阻流管的存在，这就使得海洋井控的套压及套管鞋处受力变化复杂。为指导施 工，必须掌握立管压力、套压、套管鞋处受力计算方法和变化规律。 ( 3 ) 动力压井方法 动力压井方法是m o b i l 公司首先提出，并在1 9 7 8 年用这种方法成功的制服了印度 尼西亚a n m 油田c i i 2 井的强烈井喷。该井井喷后着火，燃烧了8 9 天，用动力压井法 压井，只用很短的时间就制服了井喷。 通过增加压井循环排量增加流动阻力，从而增加井底压力，达到压井目的。在钻井 过程中动力压井的环空流动压降均匀的分布在整个井身长度上，常规压井的回压作用在 整个井身的每一点上，也就是说动力压井法将产生较小的井壁压力。如果套管下的越浅， 使用动力压井时套管鞋处的压力就越比使用常规压井方法时小，从而更安全。其基本原 理是：以一定的流量泵入初始压井液，使井底的流动压力等于或大于地层空隙压力，从 而阻止地层流体进一步侵入井内，达到“动压稳 状态；然后逐步替入加重压井液，以 实现完全压井的目的，达到“静压稳 状态。适用条件：高压地层在井底，地层破裂压 力小的薄弱地层不一定在井底。以下简单介绍已有的动力压井法的核心参数( 流量) 计 算方法【8 1 0 1 。 a 纯摩阻计算法 该方法的假定条件是，所用压井液在压井过程中受不到井内油气混入，因此采用单 一流体管内和环空摩阻压降进行计算即可得出可供实际使用的结果。纯摩阻计算模型虽 然计算简单但它有以下较严重不足之处：产生足够大的环空流动压降所需压井泵组的 流量和功率往往很大；难以满足复杂条件下的需要，如管柱下端不在井底的离井底压 井等；未考虑的因素相当多，如气体溢流、气体滑脱以及气液两相流动等。 b 稳态两相流动模型 该模型考虑到在温度、压力变化条件下两相流体的压缩性和非牛顿性能。根据喷井 的几何尺寸、喷流井口速度为音速或亚音速及已知( 或估算) 的产层参数( 压力、温度) 和表示井底流压与产量关系( i p r ) 曲线用两相流动公式计算出地层气体喷量和压井液流 量下井内两相流动压降和静液压力，据此可以得出整个井眼内的有效流体压力剖面。将 得出的结果与i p r 曲线想比较，最后得出动力压井所需压井液流量。 c 瞬态两相流动模型 该模型能计算泵送压井液过程中相邻时段的井底压力变化。静液压力与流动压降均 随压井液注入量增多而加大，从而也增大了两相流体在井底的流动压力。于是可根据i p r 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 计算该时段内由地层内进入井内的气体量。利用瞬态两相流动模型还能够分析研究不同 压井液流量、不同压井液密度和产气量对压井过程的影响，这些都有助于压井方案的选 用与设计。 1 3 存在的问题 通过现场数据计算表明，动力压井计算的两相流动模型比纯摩阻模型有显著优越 性。影响动力压井作业的因素较多，除单一流体纯摩阻模型外，至今对两相、多相流动 模型尚未见公开发表的较完整的计算方法。当前见到的文献中，也没有对动力压井过程 中的井筒水力参数进行详细的设计与计算。这也是提出研究本课题的原因，也是本课题 的研究重点之一。 1 4 本文的主要研究内容 ( 1 ) 针对深水钻井中遇到的浅层流地层破裂压力低的特点，研究动力压井法理论及其 参数流量计算方法，包括初始压井液流量，次重压井液密度，加重压井液密度，泵功率 在盘 守； ( 2 ) 动力压井过程中井筒内压力变化规律； ( 3 ) 动力压井过程中的立压的变化规律； ( 4 ) 动力压井工艺； ( 5 ) 编写动力压井参数计算软件。 本章小结 本章主要介绍本文的研究目的及意义，深水钻井浅层流问题、海上压井方法国内外 现状以及动力压井法目前存在的问题，并引出了本文的主要工作。 9 第二章深水井涌及浅层动力压井工艺 第二章深水井涌及浅层动力压井工艺 深水钻井过程中，钻井平台与海底之间隔着厚厚的一层海水，钻柱必须穿过海水才 能从平台上到达海底，然后才能向海底以下地层钻进。由于这一层厚厚的海水的存在， 使得海上钻井过程中出现许多特殊的问题，需要一些特殊工艺技术【l l 】去解决。 首先要进行导管井段的施工。如果使用底撑式钻井平台钻井，当海水较浅，下入导 管较短时，可以用打桩机将导管打入海底。在海水较深时，可以先下钻用钻头钻出导管 井段的井眼，然后下入导管，并注入水泥封固。钻进时可以采用海水作为洗井液，钻屑 随海水返至海底。如果使用浮动钻井平台钻井，导管井段的施工要复杂的多。首先要在 平台上将导管下入水中，上部接导管头与导引架连接，导管头内接送入工具，再接钻柱。 如果海底地层较硬，则要使用钻入法。可以在钻柱下接钻头，并下入穿过导管，送入工 具仍然接在导管头处。通过下钻即可将导管和导引架下入海底。当钻头接近海底时，用 钻头钻出导管井段的井眼。当导引架接触海底时停止钻进。然后即可进行注水泥固井， 将导管外注水泥封固，多余的水泥浆返至海底，导引架与海底牢牢固定在一起。然后退 出送入工具并起钻。下一步就是下入隔水管系统，通过永久导引绳，将隔水管系统下入， 并利用快速连接器与导管头连接。当海底地层较软时，可使用喷射法。在导管的最下端 接有喷射头。当导管的最下端接近海底时，即可开泵用海水进行喷射，冲出导管井段的 井眼。 导管井段施工结束后，就要进行表层井段的施工。如果表层井段地层中有浅气层， 由于此时还没有表层套管，所以无法安装防喷器系统，钻进浅气层是在没有防喷器情况 下进行的，具有一定的危险性。如果此时发生浅层气井喷，其后果要比陆上井喷严重的 多。在有隔水管情况下钻进出现井喷，大量气体进入隔水管内，使隔水管内压力下降， 可能导致隔水管被海水压力挤扁。在没有隔水管情况下钻进出现井喷，大量气体进入钻 井平台下面的海水中，使海水“气化 ，密度大大降低，使平台的浮力大大减小，导致 钻井平台倾翻。如果发生井喷着火，则整个平台连同所有人员，都将遇到“灭顶之灾 ； 井喷不仅使油藏遭到破坏，而且喷出物将对海水造成严重污染。此时海上钻井的井控技 术就显的极为重要，就可以考虑使用动力压井法进行压井。 动力压井法是通过导管( 如救援井、强行下入的管柱、或钻杆) ，以足够大的排量 将流体注入到喷井内，从而达到制服井喷的目的。但是当通过强行下入的管柱或钻杆进 行动力压井操作时，因为导管壁对泵入速率有一定的限制，从而该技术的应用也受到一 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 定程度的影响。本章将针对海上钻井过程中遇到的浅气层问题，结合动力压井理论，对 动力压井工艺进行研究。 2 1 海上井涌早期检测技术 海上钻井与陆地不同，一旦出现井喷，造成的后果更为严重。井涌早期检测【1 2 】是预 防井涌或井喷的必要手段。通常溢流的两种警告是t 泥浆返出量的增加和泥浆池液面的 升高。对于普通的隔水管方式钻井，井涌监测的对象有：泥浆池增量、泥浆返回流速的 增加、泥浆泵停止后是否有泥浆流动、钻进中断、通过m w d 检测井底压力的降低以及立 管压力的降低等。 泥浆池增量法在早期溢流检测中，采用补偿装置将海浪对泥浆池增量的影响降至最 低。复合式泥浆池液面检测装置，能通过多个泥浆池液面传感器有效检测泥浆池内泥浆 总量的增减。 斯伦贝谢公司开发出一种新的井涌监测系统。该系统以贝叶斯概率为基础，明确模 拟每段时间下的流量等数据。贝叶斯方法能自动调整噪声灵敏度而不需要仔细校正。该 系统与过去通用方法相比在灵敏度上能提高1 0 倍。对造成误报警的其它钻井事件( 如 接单根和移动管柱) 也能够明确模拟，从而可进一步减少模糊数据引起的误报警。在自 升式钻机和半潜式钻井船上常规井眼或小井眼内使用该系统均取得良好效果。 采用泥浆返回流速、泥浆池液面增量等方法要明确的判断井涌，至少是在气体膨胀 到相当程度的时候才行，用于监测浅气层时，以上普通的井涌监测方法可能会导致井涌 发现较晚，而随钻测量【1 3 】( m w d ) 、随钻测井( l w d ) 及环空压力随钻测量( a p w d ) 技术可以较好的解决这一问题，也是目前深水钻井中普遍采用的井涌早期检测方法。 采用m w d 技术进行气侵检测是近期对m w d 用途的一个新的拓展。这项技术通过 测量地质参数、地层参数以及对不同地层流体进入井筒的不同响应来对井涌进行早期监 测。其基本原理为：通过测量电阻率值、中子孔隙度、探测烃含量等参数来判断所钻遇 的地层，并对声波速度、电阻率进行监测以确定早期井涌。当遇到油层时，测得的电阻 率值升高，含烃量急速上升，声波时差值比气层小，比水层大。当钻遇气层时，声波时 差值明显增大，曲线出现周波跳跃，电阻率值升高明显。当发生气侵时，气侵时井筒内 声波速度降低，电阻率升高。 随钻测井( l w d ) 方法进行早期井涌检测技术是随钻测量技术的新发展，测量的参 数较随钻测量更多，对地层参数的预测也更为准确。l w d 主要进行实时检测地层孔隙 第二章深水井涌及浅层动力压井工艺 压力、电阻率等参数发现地层异常状况，及早对异常高压等参数进行预警，同时可以测 量井筒泥浆参数进行早期井涌监测。其基本原理为：通过测量电阻率、自然伽马、地层 密度、地层孔隙度、中子伽马计数率、地层的宏观热中子俘获截面以及滑行波通过地层 传播的时差等，对地层参数进行实施监测与预报，及早发现地层异常状况；同时对泥浆 电阻率、自然伽马值、声波时差及液密度等参数进行实施监测，及早发现井筒内流体物 理性质的变化以对井涌进行及早预测。当遇到油层时，电阻率值升高、自然伽马值减小， 地层密度变小，声波时差值比气层小，比水层大；遇到气层时，比油层、水层的电阻率 值高得多，密度测井方法得到的气层孔隙度值比相同孔隙度的水层、油层高，中子测井 方法得到的气层孔隙度值比相同孔隙度的水层、油层低，中子伽马测井值显示出比地层 很高的计数率值，声波时差值明显增大，曲线出现周波跳跃；当钻遇水层时，盐水层时 电阻率升高，淡水层时电阻率值与油层接近，声波时差值比油、气层的值都小，但比正 常地层大；如果有气侵现象方发生，泥浆电阻率明显升高，自然伽马值明显变化，声波 时差增大，环空钻井液密度降低。 另外还可以通过随钻环空压力( a p w d ) 方法进行井涌检测。a p w d 系统可进行实 时环空压力测量，及早发现井涌，提高钻进安全性，避免一些严重的井控事故。a p w d 主要是实时测量流动和非流动期间井眼和环空压力，对井涌进行早期监测。另外，a p w d 系统可以测量环空流体温度。油气侵入环空时，流体温度升高、压力降低。 总之，在钻井过程中，可以通过l w d 、m w d 及a p w d 技术进行深水钻井的井涌 早期监测。采用这些实时监测手段，如果钻遇浅气层发生井涌事故，会随时检测出来并 及时传输到地面，通过对测量数据的分析，结合常规的泥浆出口流速监测、泥浆池液面 增量法等监测方法，能够满足深水钻井井涌早期监测的要求，为下一步压井作业提供宝 贵时间。 2 2 海上常规压井工艺 海洋司钻法压井是海洋钻井经常使用的压井方法。海上钻井时，由于防喷器组是安 放在海底，因此在海底防喷器和海面阻流器之间要有一根( 或者2 根) 细长的垂直的阻 流管线来联接。压井时，通过泥浆泵从钻柱内注入泥浆，使泥浆从钻柱返到环空，顶替 溢流流体。操作人员调节阻流器控制立管压力来保持井底压力不变的情况下，通过环空 和阻流管线排出井内溢流。海洋司钻法压井可分为7 个阶段： ( 1 ) 顶替阻流管内的盐水； 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 气柱顶到防喷器； ( 3 ) 气柱项到阻流管顶； ( 4 ) 气柱底部到防喷器； ( 5 ) 气柱底到阻流管顶； ( 6 ) 从开始注入重泥浆到重泥浆钻头处； ( 7 ) 重泥浆到阻流管项。 第( 1 ) 到第( 5 ) 为第一循环周，第( 6 ) 到第( 7 ) 为第二循环周，经过以上步骤， 重泥浆返到井口时，井口重新建立压力平衡，可以打开井口循环，压井完毕。 海洋工程师法压井，是在一个循环周内完成压井的一种方法。压井时，通过泥浆泵 从钻柱内注入泥浆，再由环空向上顶替溢流流体。操作人员调节节流器控制立管压力， 在保持井底压力不变的情况下，通过环空节流管线排出井内溢流流体。 由于在钻遇浅气层时，不仅没有技术套管，而且往往没有下表层套管，所以无法安 装防喷器系统。因此采用上述常规压井方法压井效果并不理想，此时动力压井法成为最 为理想的选择。 2 3 动力压井工艺 预测在导管鞋附近以及表层套管段内存在浅层气，又不能调整井位来避开的情况 下，可用小钻头钻进，不下隔水管，不安装分流器，当钻遇浅层气时，如果平台设施和 注入井内的高密度压井液不能控制住气流，则应尽快采取松脱锚链、移平台离开井位等 措施，等浅层气释放后再回井位钻过这段井眼。目前，这被公认为是安全可靠地钻穿浅 气层的方法。此外也可以通过向井筒内注入高密度压井液或大排量注入海水的方法控制 气流，即采用动力压井法进行压井。 2 3 1 钻具组合 因为动力压井法依靠静液柱和环空摩阻来控制井底压力，达到压井的目的，因此在 条件允许的范围内，应尽量使用大管径的钻具组合。例如在钻1 21 4 寸井眼时，可选用 的钻具组合为：3 1 1 1 5 毫米钻头( 不装喷嘴) + 带浮阀和测斜座的接头+ 2 0 3 2 毫米 钻铤2 根+ 3 1 1 1 5 毫米稳定器+ 2 0 3 2 毫米钻铤7 根+ 震击器+ 2 0 3 2 毫米钻铤2 根+ 接 头+ 1 2 7 毫米加重钻杆1 5 根。 在钻97 8 寸井眼时，在条件允许的情况下，优先选用的钻具组合为：2 5 0 8 3 毫米 1 3 第二章深水井涌及浅层动力压井工艺 钻头+ 接头+ m w d + 带浮阀和测斜座的接头+ 2 0 3 2 毫米钻铤2 根+ 2 5 0 8 3 毫米稳定器 + 2 0 3 2 毫米钻铤6 根+ 震击器+ 2 0 3 2 毫米钻铤l 根+ 接头- t - 1 2 7 毫米加重钻杆1 5 根。 钻头不装喷嘴。这套钻具与其它相当钻具比较，在相同排量下环空井筒摩阻较大，有利 于井眼控制。 2 3 2 钻遇浅层气的处理程序 在钻进或观察期间，如果发现钻遇浅层气，应立即停止钻进，循环观察，尽可能维 护井眼平衡。作业者和平台高级队长及有关人员，应立即评价井眼的情况，根据结果， 按下述程序处理，同时向基地报告情况。 a 如海面冒气泡、微小气流，就应： ( 1 ) 继续循环，观察气泡气流是否正在增加。 ( 2 ) 观察情况的变化。 ( 3 ) 针对气泡气流稳定或稀少的情况，钻3 米新地层之后再循环观察。 ( 4 ) 如果气泡气流增加，进入下步。否则继续钻进。 b 如有大的气流出现，就： ( 1 ) 以尽可能快的速度大排量注入海水或泵入计算好密度的加重钻井液压住气流。 ( 2 ) 应与基地讨论是否采取下述具体行动： 一是浅气层位于相对较深的位置时，注水泥塞封住，然后先扩眼到9 1 4 4 毫米，下 入并固7 6 2 毫米导管，而后用6 6 0 4 毫米的扩眼器扩眼到到浅气层顶部，下入并固5 0 8 毫米套管，安装好防喷器，然后用密度合适的钻井液钻穿浅气层。必要时，将使用备用 套管。 二是浅气层位于相对较浅的位置，如在设计的导管鞋附近，井眼将使用轻一些的钻 井液逐渐、分步循环，同时，密切地观察井眼、海面，寻求需要平衡浅层气的钻井液密 度；用这种密度的钻井液，钻穿气层；然后扩眼到9 1 4 4 毫米，下入导管封住浅气层固 井。以后作业恢复正常。 c 如有极大的气流出现，即当极大的气流到达海面，危及平台和作业人员的安危 时，就应： ( 1 ) 释放下风下流方向的锚链。 ( 2 ) 拉动相对应的锚链，向上风上流方向把平台移离井位。 ( 3 ) 在上述作业的同时，迅速泵入高密度的压井钻井液。如果井眼稳定，就按上 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 述第2 步骤进行，否则继续该项作业；如果没有压井钻井液，就泵入池内所具有的钻井 液及海水。 2 3 3 压井方案设计 多数井喷事故都伴随着着火。在出现井喷事故的情况下，首先要做的是防止着火， 要立即停止所有发动机，切断和隔离所有火源和可燃物品；组织各方人员进行抢救，并 尽快制止井喷。如果着火，首要的问题是人员的安全，要有序的安全撤离，然后组织灭 火。最有效的灭火方法是爆炸灭火，其原理是设法将炸药包用钢丝绳运送到火焰的上方 并引爆，在爆炸的瞬间消耗大量氧气，并在火焰部位产生局部真空，从而消除火焰燃烧 的条件而灭火。 在海上使用动力压井时中通常取海水做初始压井液，一方面是为了节约开支，另一 方面也是因为取材方便。在动力压井方案设计中，泵入排量的设计需要考虑到多种因素 的影响，包括：漏失量、地层破裂压力和储层参数等。很多情况下，由于这些参数的不 确定性而需要进行分析估算。然而关键的问题就是在压井开始阶段，如何弥补由于气体 涌入井筒造成流体密度下降而引起的流体静液压力产生的差值。地下井喷产生的活性物 质会产生很大的摩擦力，于是就可以将该摩擦力引起的压力损失用于弥补静液压差。 用于分析预测压井过程中排量要求的方法，主要有以下四种：纯摩阻计算法、稳态 两相流动模型、瞬态两相