深水井控中地层呼吸效应的识别与处理探讨

林雍森

（中国石化集团上海海洋石油局，上海 200120）

深水井控中地层呼吸效应的识别与处理探讨

林雍森

（中国石化集团上海海洋石油局，上海 200120）

摘 要：在海洋深水海域，由于其沉积环境的特殊性而使得地层比较脆弱，表现为地层孔隙压力和破裂压力之间的窗口比较窄，在实施钻探作业过程中当循环当量钻井液密度接近于地层破裂压力而超过井周地层的闭合钻井液密度当量，就会形成地层呼吸效应，即正常钻进保持循环时部分钻井液进入井眼附近地层，在接立柱停止循环时这部分钻井液回吐而观察到溢流，从表象上难以判断是地层回吐还是真正发生了溢流，需要频繁使用司钻法循环出溢流来确认，这给井控作业增加额外时间和风险。此文分析了深水地层呼吸效应的形成机理，阐述在深水钻井中如何识别与判断地层呼吸，提出相应的技术措施，为深水钻井作业提供参考。

关键词：海洋钻井；深水；井控；井涌；地层呼吸

海洋深水的油气勘探一般位于大陆坡及其外缘，其沉积环境与海洋浅水区有很大区别[1]，使得深水钻井作业的实施面临着不稳定海床、地层破裂压力低、浅层气、浅水流层、海底低温而致天然气水合物易于形成和钻井液性能突变等多方面的挑战[2-3]。在海洋深水钻井中一般都使用配备海底防喷器组的钻井船或深水半潜式钻井平台等浮式钻井装置，连接海底井口防喷器组到地面间的压井和阻流管线长，相应地当钻井液通过其间时，沿程的摩阻引起的压力损耗就比较大，这部分压耗在压井作业就不能象在浅水区那样忽略不计[4]；而深水沉积环境中存在着海底地层承受的上覆海水密度远小于岩石密度等特殊性，从而使得深水海底地层比较脆弱，直接的表现就是在深水环境下实施钻井作业时，裸眼井段的地层孔隙压力和破裂压力之差值小（亦即“窗口窄”），允许的井涌余量小，钻井液井眼压力控制，确保作业安全，特别需要基于溢流的早期监测与发现开展相应研究，配套必要手段，并在发现溢流时选择合适关井方法和压井方法，同时制定好预防水合物产生的应对措施等。

由于深水环境中地层孔隙压力和破裂压力之间的窗口比较窄，地层比较脆弱，当循环当量钻井液密度接近于地层破裂压力，超过地层闭合钻井液密度当量，就会形成地层呼吸效应，即出现正常钻进保持循环时部分钻井液进入井眼附近地层、在接立柱停止循环时这部分钻井液回吐而观察到溢流。这从表象上很难判断是地层回吐还是真正的出现了溢流，需要频繁使用司钻法循环出井底的钻井液来加以分析确认，这增加了额外的井控作业时间，对于真正的天然气溢流这样做的风险也非常大。井控是钻井安全的关键[5]，为了确保深水钻井作业安全，需要对地层回吐与真正的溢流进行甄别判断，因此掌握识别深水地层呼吸效应并制定出预防技术措施也就显得非常必要。

1　深水地层呼吸效应的形成机理

地层呼吸效应描述的是这样一种现象，即在钻井过程中正常循环时由于循环摩阻等因素，使得当量循环钻井液密度(简称ECD)接近于地层破裂压力而超过井周地层的闭合ECD时，钻井液进入井周附近地层而产生一定漏失量，在停止循环而ECD降低时，漏失的钻井液回吐、重新进入井眼而产生一定增量，出现类似溢流的现象。在不同的ECD作用下，地层诱导形成的微裂缝或原生微裂缝的开启与关闭可以解释这一现象背后的基本机理（图1），地层诱导形成的微裂缝或原生微裂缝。

图1　地层诱导形成的微裂缝或原生微裂缝

一般地，地层埋深越深、所承受的上覆压力越大，其压实程度越好，相应地其破裂压力也就越大；而在海洋深水环境中，由于海水密度远小于岩石密度，海底沉积岩层缺乏足够的上覆岩层压力，对于以转盘面为基准的相同深度的地层，其所承受的上覆压力要低得多，而且是海水越深，地层所受到的压力越低，相应的其破裂压力也就越小，导致深水环境下地层孔隙压力和破裂压力间的差值远小于同深度的浅水地层，使得所用钻井液可调节的密度范围非常有限，也就是说安全密度窗口比较窄。随着水深的增加，井控操作时所允许的井涌余量、最大允许关井套压以及隔水管钻井液安全增量相应减小，而且水越深，海底下的地层越疏松，上述井控操作参数的余量越小。因此，在深水环境进行钻井作业，地层容易产生地层呼吸效应。

在钻井过程中发生地层呼吸或裂缝开启与关闭的基本机理是地层裂缝的产生与传播，当在井筒中钻井液循环产生作用于井底的压力（ECD）超过或等于地层裂缝传播的压力（FPP）时，就会形成稳定的径向裂缝，钻井液同时漏入其中。

当关闭泥浆泵停止循环ECD小于FPP时，地层水平地应力迫使裂缝闭合，从而使得漏入裂缝中的钻井液返回井筒。这样只要存在稳定的径向裂缝，每次循环时ECD超过FPP，就会漏失一定量的钻井液，而当停泵ECD小于FPP时漏失的泥浆又返回，地层呼吸效应见图2。

如果ECD超过FPP足够大，形成的裂缝变为不稳定而产生更大的延伸，将发生更大的钻井液漏失。

2　地层呼吸效应引起的问题

在深水钻井中，发生地层呼吸现象时，在井底钻井液没有返出井口之前很难有效判断是地层呼吸还是井涌，且很多井在钻井过程中发生地层呼吸这一现象时只能采取关井，根据关井立管压力加重钻井液，进而通过阻流管汇、有控制地将井底钻井液循环出井口，检查返出流体来判定是否出现了真正的井涌。

图2　地层呼吸效应

这种通过关井分析关井压力，把井底循环出井口以检查是不是真正的地层流体侵入，从而判定是地层呼吸还是井涌的做法，是很浪费时间的。即使不考虑处理地层呼吸浪费的时间，但总是把这一现象当作井涌处理将产生恶性循环，因为再增加钻井液密度将引起更严重的地层呼吸效应，而且当钻井液密度增加超过地层的破裂压力极限将压漏地层，引发更严重的后果。

3　地层呼吸效应的识别

由于深水地层的特殊性，在钻井过程中循环时发生钻井液漏失，停泵后漏失的钻井液又回吐返回井筒，即所谓地层呼吸现象。地层呼吸现象中地层返出量与时间关系是有规律可循的，地层返出量达到一定量后就不会继续增加，返出量与时间关系见图3。

在钻井作业过程中，当发现溢流时将不得不决定如何处理溢流。首先必须考虑侵入量的大小、关井立压、裸眼的破裂压力、天气等几个因素，具体要明确以下几方面事项，以判断是地层呼吸还是真正的溢流：

（1）之前，地层一定发生漏失；

（2）每次接立柱时从地层返回的量都差不多；

（3）返出量逐渐减少；

（4）关井立压值与套压值大致相等；

（5）关井立压值不超过循环时环空摩阻损失；

（6）只要放出很少体积的泥浆，关井压力就随之减小。

图3　返出量与时间关系

在深水钻井作业中，许多情况下都是使用司钻法压井，以便边开始准备加重钻井液时边开始循环，得到更好的处理压力范围。这里，第一个要做的决定就是评估溢流是真的井涌还是地层呼吸效应引起的。决策树（图4）可以用于现场作业指导。

4　预防地层呼吸效应的技术措施

在海洋深水钻井中，由于深水沉积环境的特殊性，使得海底地层孔隙压力和破裂压力间的差值比较小，使用的钻井液可调节安全窗口比较窄，因此，在设计阶段应尽可能准确预测地层孔隙压力、破裂压力、复杂地层及目的层位，以确定合理的井身结构，保证能够钻到设计深度。而在实施钻井过程中，可采用以下技术措施，以防呼吸效应的产生：

（1）一般而言，每一开次裸眼井段中的上层套管鞋处的地层破裂压力是最低的，而在各开次中表层套管鞋处的地层破裂压力又是最低，因此，钻完套管鞋及水泥塞，进入新地层3 m，做地层漏失试验后开始钻入新地层前，可以采取替入一定量（如15 m3）质量浓度为114 kg/m3超细碳酸钙粉末的钻井液至井底，以提高地层的承载能力；在正常钻进期间，在钻井液循环池中补充一定量的碳酸钙粉末与G-Seal石墨粉，可对渗透性好的砂岩层形成暂堵，同时增加钻井液的润滑性并改善泥饼质量、减少摩阻进而减少发生压差卡钻的可能。

图4　可以用于现场作业指导的决策树

（2）选用合适的钻井液体系。选用的钻井液应具有较强的抑制水合物形成的性能；尽可能低的高温高压滤失量 (最好小于5 mL/30 min)，造壁性能强，所形成的滤饼薄且韧性与润滑性良好，以减少泥页岩的水化膨胀、并起到维护壁稳定井壁的作用；同时所用的钻井液应具有较强的悬浮能力，以确保其携岩性能，确保井眼清洁；在作业过程，切实做好钻井液的维护，确保其具有良好的流变性，且在满足平衡地层压力的情况下，应维持尽可能低的钻井液密度，以降低地层的呼吸效应，同时也可以减少了压差卡钻的几率。

（3）使用随钻压力监测工具。在下部钻具组合中应带有随钻压力监测工具以实现钻进过程中压力的实时监测，同时通过APWD密切监视环空的ECD（循环泥浆当量），并有效控制机械钻速，如ECD接近地层破裂压力值 (简称“LOT值”)时，应采取停止钻进，循环泥浆排除岩屑，并开启隔水管提升管线，以降低ECD。

（4）配备连续循环系统（图5）。该系统可以保证在接立柱时保持循环，消除因停止循环造成ECD变化而出现呼吸效应的影响。

（5）在裸眼段起钻时应采用湿起钻，即边开泵循环边起钻，并控制起钻速度，以防止起钻过快而产生抽汲作用，导致ECD降低而使井壁失稳；在下钻时，同样需要严格控制下钻速度，以免造成压力激动使ECD增大，造成地层破裂与漏失，从而诱导地层呼吸效应的产生。

图5　连续循环系统示意图

5　结束语

在深水海洋环境，由于其沉积环境的特殊性，使得海底地层的压实作用远不如浅海环境，进而使得海底地层比较脆弱，地层孔隙压力和破裂压力之间的窗口比较窄；在这样的深水环境中进行钻探作业时，极易形成地层呼吸效应而给钻井井控带来新的挑战；采用本文推荐的决策树能有效判断是地层回吐还是真正的溢流，同时通过采取适当的技术措施可以减小地层呼吸效应的影响，确保深水钻井的安全高效。

参考文献：

[1] Rohleder S A, Sanders W W, Williamson R N, et al．Challenges of drilling an ultradeep well in deepwater-spa prospect[R]. SPE／IADC 79810, 2003．

[2] 王志远，孙宝江，程海清，等．深水钻井井筒中天然气水合物生成区域预测[J]．石油勘探与开发，2008，35（6）：731-735．

[3] 褚道余，张忠强，张灵军．西非深水钻井实践与认识[J]．海洋石油，2010，30（4）：111-116．

[4] 张曙辉，刘瑞文，王介玉，等．深水井控中节流管线摩阻分析及压井方法[J]．石油钻探技术，2006，34（5）：28-29．

[5] 王志远，孙宝江．深水司钻压井法安全压力余量及循环流量计算[J]．中国石油大学学报（自然科学），2008，32（3）：71-74，83．

中图分类号：TE52；TE21

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2014.01.072

收稿日期：2013-09-30；改回日期：2013-12-20

作者简介：林雍森，男，1967年生，1990年毕业于石油大学（华东）钻井工程专业，1994年获中国石油大学（北京）石油工程专业硕士学位，高级工程师，主要从事海洋油气钻井技术与项目管理工作。E-mail：linys.shhy@sinopec.com。

文章编号：1008-2336（2014）01-0072-05

Discussion on Identifying and Handling of Formation Ballooning in Deep Water Well Control

LIN Yongsen
（SINOPEC Shanghai Offshore Petroleum Bureau, Shanghai 200120, China）

Abstract:Ballooning is a term often used to describe the physical phenomena where drilling fl uid is lost while circulating and then regained when the pumps are shut down. In deep water drilling, due to the narrow window between pore pressure and fracture pressure of formation, and weakness, when equivalent circulating mud density is close to the formation fracture pressure, more than equivalent mud density of closing induced or in-situ micro fractures, formation ballooning can be observed. It is diff i cult to determine formation ballooning, or real kick, should circulate out the bottoms to conf i rm it by the driller's method, which adds additional time and risk in well control operation. In this paper, the mechanism of formation ballooning has been analyzed, and the methods to identify a formation ballooning has been discussed, and the measures for dealing with this problem have been put forward, which can provide reference for deep water drilling.

Key words:offshore drilling; deep water; well control; well kick; formation ballooning