深水钻井井涌余量计算方法及压井方法选择

金业权 李　成 吴　谦

中国石油大学（华东）石油工程学院

深水钻井井涌余量计算方法及压井方法选择

金业权 李成 吴谦

中国石油大学（华东）石油工程学院

金业权等.深水钻井井涌余量计算方法及压井方法选择. 天然气工业，2016，36（7）：68-73.

井涌余量是钻井过程中正确判断能否安全关井，以及采用何种方法压井的重要参数，目前对于深水钻井中井涌余量的计算仍存在诸多不足。为此，采用理论推导和实例验证的方法开展了深井钻井体积井涌余量计算方法的研究。以套管鞋处地层、套管抗内压、防喷器和节流装置4个对象的承压能力为约束条件，在考虑深水井筒温度剖面、节流管汇和环空循环压耗的基础上，建立了体积井涌余量的计算模型，并以南海某深水实例井的计算结果验证了模型的可靠性，最后得出该井可以安全关井且应用工程师法压井更为安全的结论。这与现场所采取的措施相符合。在此基础上与文献中所建立的未考虑温度和压耗的计算模型进行比较，分析了节流管汇、环空压耗以及井筒内温度对井涌余量大小的影响：如果不考虑压耗和温度的影响，会导致体积井涌余量变小，使得压井条件更苛刻。此外还研究了泥浆池增量与溢流发生深度对井涌余量的影响规律，提出了相应的提高井涌余量的技术措施。

深水钻井 体积井涌余量 最大关井套压 压耗 井控 溢流

井涌余量是发生溢流后能否关井和使用何种方法压井的判断依据。自20世纪70年代以来，国内外学者［1-9］针对陆地钻井井涌余量进行了大量研究，郝希宁［10］、中海油企标［11］分别对深水钻井体积井涌余量进行了研究和规定，但均未考虑压耗和深水钻井井筒特殊温度剖面这两个重要因素的影响；最大关井套压的约束条件单一；关井和压井状态下的井底压力都等于地层孔隙压力也是不恰当的。鉴于此，将针对上述不足开展深水钻井体积井涌余量的研究。

1　基本理论

体积井涌余量是能够安全关井和压井的最大允许溢流侵入体积与泥浆池增量之差。若余量大于零则可以关井或压井，且值越大关井和压井越安全；若小于零则需采用特殊方法关井或压井。

笔者在计算关井的最大允许溢流侵入体积时将井底压力等于地层孔隙压力［10-11］，如果等于压井液液柱压力则会导致关井井涌余量偏小，使得能关的井没有及时关上，影响后期压井作业。而压井时，由于压耗的存在，井底压力应等于压井液静液柱压力。

2　基本假设

1）溢流流体为均匀、连续的气柱，且发现溢流时侵入流体刚进入井筒底部。

2）研究对象为直井，忽略钻柱内外径及井筒内径变化。井控系统结构如图1所示。

图1　井控系统结构示意图

3）忽略气体溶解度和气体产生的压力，考虑温度对气体体积变化的影响，深水钻井井筒环境温度分布如图2所示。气体体积变化满足气体状态方程［2］。

图2　深水钻井井筒环境温度分布示意图

3　深水钻井体积井涌余量理论推导

3.1关井井涌余量的确定

深水钻井中，最大关井套压pamax以套管鞋地层、套管抗内压、井口防喷器和节流阀4个对象的承压能力为约束条件［12］，如式（1）所示：

当泥浆池液量发现增加时说明井底有气体溢出，此时井内同时存在原钻井液和气体，且气体在井底。井内液体及侵入气体分布如图3所示，则关井所允许的最大井底压力等于井底地层孔隙压力：

最大允许侵入量为：

则关井井涌余量为：

图3　溢流关井时环空及节流管线中流体分布示意图

3.2 司钻法压井井涌余量的测定

压井过程中，应保持井底压力等于当井筒内充满压井液时的静液柱压力［13-14］，当气柱顶端到达套管鞋时，如图4-a所示，以套管鞋处地层破裂压力为约束条件，压力平衡式为：

井底条件下最大允许侵入体积为：

同理可得以套管抗内压强度的80%为约束条件（如图4-a所示）、气柱顶端到达井口时以防喷器工作压力为约束条件（如图4-b所示），以及到达节流阀处时以节流阀工作压力为约束条件（如图4-c所示）的压力平衡式。则其他3种情况分别得出在井底压力条件下的最大允许侵入体积为：

根据体积井涌余量的定义，司钻法压井井涌余量计算如式（10）所示：

3.3工程师法压井井涌余量的测定

相比司钻法井涌余量的计算，工程师法需要考虑当侵入气体到达某位置时压井液是否到达或通过钻头。如果没有，则该过程等同司钻法压井；如果压井液到达或通过钻头，当气侵顶端到达套管鞋处时，如图5-a所示，以套管鞋处地层破裂压力为约束条件，建立压力平衡式如式（11）：

井底条件下最大允许侵入体积为：

同理可得以套管抗内压强度的80%为约束条件（如图5-a所示）、气柱顶端到达井口时以防喷器工作压力为约束条件（如图5-b所示），以及到达节流阀处时以节流阀工作压力为约束条件（如图5-c所示）的压力平衡式。则其他三种情况分别得出在井底压力条件下的最大允许侵入体积为：

图4　司钻法压井中环空及节流管线中流体分布示意图

图5　工程师法压井中压井液到达或通过钻头时环空及节流管线中流体分布示意图

根据体积井涌余量的定义，工程师法压井井涌余量计算如式（16）所示：

对比司钻法压井井涌余量Kd和工程师法压井井涌余量Ke，若两者均大于零，则说明此时侵入体积还未达到最大允许侵入的体积，仍有一定空间允许用该方法进行压井作业，因而选用井涌余量大的方法进行压井，可以保证有较大的安全空间和施工时间；若两者均小于零，说明司钻法压井和工程师法压井均不可以应用，此时只能用特殊压井方法进行压井。现场具体选用的压井方法应结合现场实际条件决定。

4　实例计算分析

南海某井水深1 700 m，设计井深5 300 m，于2012年2月25日开钻。当钻至3 250 m时发现溢流。上层套管（Ø508 mm表层套管）下深2 600 m，发生溢流之前应用的钻井液密度为1.14 g/cm3，黏度为0.031 Pa·s，动切力为10.4 Pa。钻井液增量为0.32 m3（2 bbls），其他具体参数如表1所示。

表1　南海某深水井井控参数表

由表1数据可以发现，本次溢流发现及时总溢流量较小。根据表1中数据按照前文内容所述计算方法，计算得出：Ks= 36.64 m3，Kd= 3.77 m3，Ke= 11.03 m3，表明此时可以关井并应用司钻法和工程师法进行压井。由于Kd＜Ke，所以应用工程师法压井更安全。根据现场实际记录资料显示，该井最终采用的压井方法为工程师法。

5　深水钻井体积井涌余量影响因素分析

影响因素分析计算的基础数据仍然采用第4章中的数据。

5.1压耗和温度对井涌余量的影响

本文建立的模型与文献［10-11］中模型的最大区别是是否考虑节流管汇和环空循环压耗［15-17］及井筒内温度变化的影响，若同时不考虑两种因素及分别不考虑两种因素的影响，所得结果如表2中所示。

表2　本文模型与文献中模型结果对比表

由表2可知，压耗和井筒内温度变化对Ks无影响，Kd/Ke（均不考虑）＜ Kd/Ke（不考虑压耗）＜ Kd/Ke（不考虑温度）＜ Kd/Ke（均考虑）。由此可知，如果不考虑压耗和温度的影响会使得井涌余量偏小，导致本可以应用普通压井方法的井应用了特殊压井方法，增加井控工作的复杂性。

5.2其他因素的影响

1）泥浆池增量对井涌余量的影响。如图6所示，随着侵入气体量增多井涌余量均呈近似直线减小，且Ks＞Ke＞Kd，在侵入量为4.08 m3时司钻法压井井涌余量为零，此时不能应用司钻法压井，只能应用工程师法压井。因此可以看出，及时发现溢流可以获得较大的关井和压井井涌余量，为后续的关井和压井施工提供足够的时间保障。

图6　泥浆池增量对井涌余量的影响图

2）溢流发生深度的影响。如图7所示，在2 800 m之前由于压井液未到达钻头，Kd= Ke；随着溢流发生深度增加，井涌余量逐渐减小，进行关井和压井作业越发困难，且Kd减小速度更快，当深度为3 484 m时Kd= 0，只能应用工程师法压井。对于深部地层的气体溢流来说，由于上升过程中的膨胀，会导致更小的关井和压井井涌余量，因此更应该加强深部地层溢流的检测和及时反应采取应对措施的工作。

图7　溢流发生井深对井涌余量的影响图

6　结论

1）在考虑深水井筒温度分布、节流管汇和环空循环压耗等影响因素的基础上，以节流阀、防喷器、套管鞋地层和套管抗内压4个对象的承压能力为约束条件建立了深水钻井体积井涌余量计算模型。

2）应用南海某深水实钻井发生溢流时具体资料验证了模型的正确性。

3）将所得模型与文献中模型进行对比发现，若不考虑节流管汇及环空循环压耗的影响，对关井井涌余量无影响，压井井涌余量减小，导致本可以应用普通压井方法的井应用了特殊压井方法，增加了井控工作的复杂性。

4）随着侵入气体体积的增加，3个井涌余量均呈近似线性下降。随着溢流发生深度的增加，井涌余量也呈下降的趋势，因此，及时发现深部地层的溢流，可以为安全井控赢得较为充裕的响应时间。

符 号 说 明

pamax表示最大关井套压，kPa；pcv表示节流阀的最大工作压力，kPa；pBOP表示防喷器最大工作压力，kPa；pfshoe表示套管鞋处地层破裂压力，kPa；pi表示套管抗内压强度，kPa；Gm表示原钻井液压力梯度，g/cm3；hc表示节流管汇长度，m；hshoe表示套管鞋深度，m；H表示井深，m；Vmax表示井底压力状态下最大允许侵入体积，m3；Aa表示井筒环空截面积，m2；pp表示井底地层压力，kPa；Vm表示泥浆池增量，m3；Tshoe表示套管鞋处温度，K；Tp表示井底热力学温度K；Δpa表示套管鞋以下环空压耗，kPa；pk表示压井液静液柱压力，kPa；Δpa表示套管内环空压耗，kPa；TBOP表示井口防喷器处温度，K；Δpc表示节流管汇压耗，kPa；Tcv表示节流阀处温度，K；Ac表示节流管截面积，m2；Vd表示从平台到井底钻柱内容积，m3。Ks、Kd、Ke分别表示关井法、司钻法、工程师法计算井涌余量；m3。

［1］ Pilkington PE， Niehaus HA. Exploding myths about kick tolerance［J］. World Oil， 1975， 180（7）： 59-62.

［2］ 郝俊芳. 平衡钻井与井控［M］. 北京： 石油工业出版社， 1992：111-115.

Hao Junfang. Balanced drilling and well control［M］. Beijing：Petroleum Industry Press， 1992： 111-115.

［3］ 郝俊芳. 如何计算井涌余量［J］. 西南石油学院学报， 1983， 5（3）：45-50.

Hao Junfang. How to calculate kick tolerance［J］. Journal of Southwest Petroleum Institute， 1983， 5（3）： 45-50.

［4］ 刘凯. 如何认识和计算井涌余量［J］. 西南石油学院学报， 1990，12（1）： 37-45.

Liu Kai. How to recognize and calculate kick tolerance［J］. Journal of Southwest Petroleum Institute， 1990， 12（1）： 37-45.

［5］ Redmann JP. Understanding kick tolerance and its significance in drilling planning and execution［J］. SPE Drilling Engineering，1991， 6（4）： 245-249.

［6］ Santos O， Adasani I， Azar JJ， Escorihuela F. Determination of casing setting depth using kick tolerance concept［C］//Petroleum Computer Conference， 11-14 June 1995，Houston，Texas， USA. DOI： http：//dx.doi.org/10.2118/30220-MS.

［7］ Dedenuola AD， Iyamu IE， Adeleye OA. Stochastic approach to kick tolerance determination in risk based designs［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition， 5-8 October 2003，Denver，Colorado， USA.DOI：http：//dx.doi.org/10.2118/84174-MS.

［8］ Santos HM， Catak E. Kick tolerance misconceptions and consequences to well design［C］//SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition， 1-3 March 2011，Amsterdam，The Netherlands. DOI：http：//dx.doi.org/10.2118/140113-MS.

［9］ Sonnemann P， Santos HM. Transitional kick tolerance［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition， 8-10 October 2012，San Antonio，Texas，USA.http：//dx.doi.org/10.2118/159175-MS.

［10］ 郝希宁， 苏峰， 蒋世全， 田峥， 寇贝贝. 南海深水钻井井涌余量主控因素分析［J］. 石油钻采工艺， 2015， 37（1）： 60-63.

Hao Xining， Su Feng， Jiang Shiquan， Tian Zheng， Kou Beibei. Main control factors of kick tolerance for deepwater drilling in South China Sea［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2015，37（1）： 60-63.

［11］ 中国海洋石油总公司. Q/HS 14007-2011 深水探井钻井工程设计指南［S］. 北京：石油工业出版社，2012.

China National Offshore Oil Corporation. Q/HS 14007-2011 Guideline for drilling design of deepwater exploration wells［S］. Beijing： Petroleum Industry Press， 2012.

［12］ 陈庭根， 管志川. 钻井工程理论与技术［M］. 东营： 石油大学出版社， 2000： 238.

Chen Tinggen， Guan Zhichuan. Theory and technology of drilling engineering［M］. Dongying： Petroleum University Press， 2000：238.

［13］ 陈启军. 深水钻井环空ECD计算［J］. 科技信息， 2009（29）：458.

Chen Qijun. Calculation of annular ECD in deepwater drilling［J］. Science & Technology Information， 2009（29）： 458.

［14］ 赵胜英， 鄢捷年， 李怀科， 耿娇娇， 王利国， 杨虎. 高温深井钻井液当量循环密度预测模型［J］. 钻井液与完井液， 2009，26（2）： 30-34.

Zhao Shengying， Yan Jienian， Li Huaike， Geng Jiaojiao， Wang Liguo， Yang Hu. A prediction model for drilling fluid ECO in high temperature deep wells［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2009， 26（2）： 30-34.

［15］ 张曙辉， 刘瑞文， 王介玉， 杨海英. 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.

Zhang Shuhui， Liu Ruiwen， Wang Jieyu， Yang Haiying. A method of killing well and analysis on choke-line friction losses for deepwater-well control［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2006，34（5）： 28-29.

［16］ 刘瑞文， 张曙辉， 于铁军. 深水井控司钻法压井模拟［J］. 钻采工艺， 2007， 30（3）： 23-26.

Liu Ruiwen， Zhang Shuhui， Yu Tiejun. Killing simulation of driller's method in deep water well control［J］. Drilling & Production Technology， 2007， 30（3）： 23-26.

［17］ 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： 自然科学版， 2008， 32（3）： 71-74.

Wang Zhiyuan， Sun Baojiang. Calculation of safety pressure margins and circulation rate of well killing by deep water driller's method［J］. Journal of China University of Petroleum： Edition of Natural Science， 2008， 32（3）： 71-74.

（修改回稿日期 2016-05-11 编 辑 凌 忠）

Methodology for kick tolerance calculation and well killing in deepwater drilling

Jin Yequan， Li Cheng， Wu Qian
（College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.68-73， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

Kick tolerance is a key parameter to indicate whether shut-in operation can be carried out safely and a proper well killing method should be chosen in well drilling. At present， however， the calculation of kick tolerance in deepwater drilling is not efficient enough. In this paper， a calculation method for volume kick tolerance of deepwater drilling was developed by means of theoretical derivation and example verification. Based on deepwater borehole temperature profile， choke manifold and annulus circulating pressure loss，the calculation model of volume kick tolerance was established under the constraint of the pressure-bearing capacity of the formation at the casing shoe， resistance to internal pressure of casing， blowout preventer （BOP） and choke control. Then， its reliability was verified by using the calculation results of a deepwater well in the South China Sea. It is indicated that the well can be shut in safely and the well killing will be safer if the Engineer's Method is used. The result is in agreement with the measures that were adopted on site. Finally， the newly developed calculation model was compared with those which don't take temperature and pressure loss into account， and the effect of choke manifold， annulus pressure loss and temperature inside wellbore on kick tolerance was analyzed. It is shown that the volume kick tolerance will get smaller if the effect of pressure loss and temperature is not taken into account， and the well killing conditions will be more rigorous. In addition， the technical measures to increase kick tolerance were proposed after the influential laws of pit gain and overflow depth on kick tolerance were analyzed.

Deepwater drilling； Volume kick tolerance； Maximum shut-in casing pressure； Pressure loss； Well control； Overflow

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.010

金业权，1968年生，副教授，硕士生导师，博士；主要从事油气井力学、信息与控制以及井控风险评价方面的研究工作。地址：（266580）山东省青岛市黄岛区长江西路66号中国石油大学（华东）石油工程学院。电话：15063018525。ORCID：0000-0002-3741-8297。E-mail：jinyequan156@126.com