深水浅层钻井液安全密度窗口研究*

邓 嵩 樊洪海 牛 军 任威严 刘玉含 刁皓玉 祝兆鹏

(1.常州大学石油工程学院 江苏常州 213002； 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249)

深水浅层钻井液安全密度窗口研究*

邓 嵩1,2樊洪海2牛 军2任威严2刘玉含2刁皓玉2祝兆鹏2

(1.常州大学石油工程学院 江苏常州 213002； 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249)

邓嵩,樊洪海,牛军，等.深水浅层钻井液安全密度窗口研究[J].中国海上油气，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.

深水浅层钻井液安全密度窗口窄，给深水浅层钻井设计和工程安全带来极大挑战。根据深水浅层地层特征，运用四参数流变模型进行了波动压力计算，在此基础上考虑深水浅层隔水管安全余量和浅层地质灾害安全余量建立了深水浅层钻井液安全密度窗口确定方法。以我国南海莺琼盆地YC1井为例,计算分析了深水浅层钻井液安全密度窗口变化规律，结果表明隔水管安全余量、浅层安全余量对深水浅层钻井液安全密度窗口影响较大。根据上述结果，提出了利用双梯度钻井技术(DGD)解决钻井液安全密度窗口窄的方法，可为深水钻井设计提供参考。

深水浅层；钻井液安全密度窗口；波动压力;隔水管安全余量；浅层安全余量;莺琼盆地

近年来深水油气勘探开发突飞猛进，出现了水深超过4 000 m的超深水钻井[1]。随着水深的增加，隔水管受力复杂，为了确保深水钻井隔水管及井口在恶劣天气等情况下的安全，须采取隔水管临时脱离的措施[2]；同时，深水浅层的地质灾害也越来越明显，海底温度低至0～4 ℃，地层胶结强度低，易出现“三浅”(浅层气、浅水流、天然气水合物)地质灾害以及深水浅层地层破裂压力过低的状况[3]，为了确保深水浅层钻井的合理设计及工程安全，深水浅层钻井液安全密度窗口确定及钻井技术优选就显得十分重要。

现有的钻井液安全密度窗口确定方法大多是针对陆地油田，随着勘探区域开采难度的增加，常规的钻井液密度窗口确定方法难以满足高难钻采区域的需要[4-6]。R.M.Ostermeier[7]、Luiz A.S.Rocha[8]等研究了一些针对深水钻井液密度窗口计算的方法，但针对浅层钻井液密度窗口特征的分析及对策却鲜有提出。在深水情况下，需要优选适合于成岩性较差地层的地层压力预测方法，而且由于波动压力的影响，使得深水钻井时安全密度窗口与陆上钻井相比更窄。为此，本文开展了深水钻井液安全密度窗口确定方法研究，并以莺琼盆地YC1井为例进行了深水浅层钻井液密度窗口计算，提出了采用双梯度钻井技术(DGD)解决钻井液安全密度窗口窄这一难题的方法，同时依据DGD环空压力原理得出了其密度的优选方法。

1 深水浅层钻井液安全密度窗口确定方法

1.1 影响因素分析

深水浅层钻井液安全密度窗口确定，首先要对深水浅层的地层孔隙压力、地层坍塌压力以及地层破裂压力或漏失压力进行确定，以得出密度窗口的上下限。深水浅层的特殊地层决定了它受客观条件的约束较多，由于其具有较大的孔隙度与特殊的胶结结构，可以选择基于测井资料的综合解释法进行地层孔隙压力计算[9]；虽然深水表层大多为淤泥层，但表层导管段采用捶入法或者喷射法下入，因此坍塌压力可以不考虑淤泥层的影响，深水浅层表层套管以下地层具有一般地层的弹性特征，因此可以选择依据传统简便的摩尔-库伦准则的深水地层坍塌压力计算方法[4]；由于海底浅层土质疏松，胶结强度很低，所以要计算在工程上可能出现的最小水平应力，即裂缝重张应力，作为安全密度窗口的上限。而地破试验所克服的压力即为裂缝重张压力，可以选择一种通过地破试验数据确定窗口上限的方法(地层破裂压力与漏失压力最小值)[10]。同时深水钻井起下钻引起的波动压力会极大地影响钻井施工，且随着水深增加，海洋环境愈加恶劣，深水隔水管系统随时可能出现紧急状况，因此要附加隔水管安全余量；由于深水浅层“三浅”地质灾害频发，还需要附加上浅层地质灾害安全余量。因此，在深水浅层钻进过程中，需要保证钻井液密度小于破裂压力和漏失压力的最低值并且减去激动压力，以免压破地层；同时要大于孔隙压力与坍塌压力的最高值、抽吸压力、激动压力以及隔水管安全余量和浅层地质灾害安全余量之和，以免发生井喷或井涌现象。

1.2 确定方法及具体步骤

根据上述分析，得出深水浅层钻井液安全密度窗口确定方法为

(1)

式(1)中：ρp为地层孔隙压力当量钻井液密度，g/cm3；ρc为地层坍塌压力当量钻井液密度，g/cm3；ρf为地层破裂压力当量钻井液密度，g/cm3；ρl为地层漏失压力当量钻井液密度，g/cm3；Sb为抽吸压力系数，g/cm3；Sg为激动压力系数，g/cm3；Sk为隔水管安全余量系数，g/cm3；Sf为浅层地质灾害安全余量系数，g/cm3。

深水浅层钻井液安全密度窗口确定的具体步骤如图1所示。

1.3 波动压力的确定

波动压力的存在使钻井液安全密度窗口更加狭窄，因此确定波动压力的大小对于深水浅层钻井液安全密度窗口的确定尤为重要。深水浅层钻井工况复杂，而四参数流变模型具有幂律、赫巴以及宾汉流体的模型特点，因此本文选用四参数流变模型计算波动压力[10]，建立流变模式、环空流量方程以及黏附性系数的经验公式，即

(2)

图1 深水浅层钻井液安全密度窗口确定步骤Fig .1 Determining procedure of drilling fluid safety window in deepwater shallow

依据压力与切力的平衡关系，得出

(3)

式(2)、(3)中：τ为切应力，Pa；τo为屈服应力，Pa；a为黏度系数，Pa·s；b为稠度系数，Pa·s；c为流性指数，无因次；γ为剪切速率，s-1；Q为环空总流量，m3/s；Ro为钻柱外半径，m；Ri为井筒内半径，m；τw为井壁处的切应力，Pa；Kc为黏附性系数，k=Ri/Ro；vp为起下钻速度，m/s，起钻时vp方向为负(即ps=Sb),下钻时vp方向为正(即ps=Sg)；ps为波动压力梯度，Pa/m。

1.4 安全余量的确定

深水浅层钻进过程中有可能遇到隔水管脱落情况，而且深水浅层地质灾害随时可能发生，需要确定深水浅层安全余量。

1) 隔水管安全余量。

假设隔水管意外脱离，如果地层孔隙压力大于井底压力，则会发生井喷，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为本井段任意一点的垂深，m；hw为海水深度，m；RKB为补心海拔，m；ρm为钻井液密度，g/cm3；ρw为海水密度，g/cm3。

2)浅层流/气安全余量。

当发生浅层灾害时，钻井液安全密度窗口的下限须大于原有窗口下限与浅层安全余量值之和。假设浅层气/流侵入井筒，则得出如下方程：

(6)

浅层气/流安全余量为浅层气/流涌入井筒时的井底压力与钻井液工作压力之差，用当量密度表示

(7)

将式(6)代入式(7),可以得到

(8)

式(6)～(8)中:pmax为关井所允许的最大井底压力，MPa；hs为上层套管鞋深度，m；L为浅层气/流涌入井筒的最大长度，m。

2 深水浅层钻井液安全密度窗口计算实例

以南海莺琼盆地YC1井为例。该井水深达725 m，采用半潜式钻井平台进行钻井作业。根据钻井揭示的地层情况可知，同一井区内单井完钻深度和地质分层差异较大，而且该井区在浅层区域可能出现浅层气。对该井进行了测井数据采集，包括声波时差、孔隙度、钻井液密度、地破试验数据、地层压力实测值。该井钻井作业参数如表1所示。

表1 YC1井钻井参数表Table 1 Drilling prameter list of Well YC1

应用本文方法分别进行了YC1井的地层孔隙压力、地层破裂压力(窗口上限)、地层坍塌压力的计算，得到该井浅层初始钻井液安全密度窗口，如图2所示。从图2可以看出，泥线以上地层三压力当量密度可看作是海水密度1.03 g/cm3，泥线以下浅部地层的钻井液密度窗口较小。表2为该井地层孔隙压力和地层破裂压力的计算结果与实测值的对比，可以看出，二者之间的误差不超过10%，说明计算结果符合工程需求。

图2 YC1井浅层三压力剖面图Fig .2 Formation pressure cross section of Well YC1

表2 YC1井地层压力计算误差表Table 2 Formation pressure computational error of Well YC1

根据公式(2)、(3)对深水浅层波动压力进行计算，结合图2结果，得出该井钻井液安全密度窗口由ρmin1<ρ<ρmax1变化为ρmin2<ρ<ρmax2，如图3所示。从图3可以看出，当起下钻速度一定时，钻井液安全密度窗口的下限升高，上限降低，密度窗口缩小了0.05～0.10 g/cm3，说明波动压力对于安全密度窗口具有一定的影响，尤其是深水浅部地层的密度窗口变得更窄，所以需要合理使用钻井液密度，防止地层被压漏。

图3 YC1井钻井液安全密度窗口校正图Fig .3 Calibration chart of the drilling fluid safety window of Well YC1

当发生隔水管脱离时，根据公式(4)、(5)计算得到隔水管安全余量，结合图3结果得出该井钻井液密度窗口大小变为ρmin3<ρ<ρmax2(图4)；当发生浅层灾害时，根据公式(6)、(7)计算得到浅层气/流安全余量，结合图3结果得出该井钻井液密度窗口大小变为ρmin4<ρ<ρmax2(图5)。从图4可以看出，考虑隔水管安全余量后，泥线附近密度窗口下限增加了0.1 g/cm3左右，而且随着深度的增加密度窗口变化梯度逐渐减小；从图5可以看出，浅层的安全余量也对泥线附近的密度窗口下限影响较大，与隔水管安全余量的影响基本相同，密度窗口下限增加了0.1 g/cm3左右，而且随着井深的增加整体影响表现为先减小后增大，梯度变化拐点与上层套管鞋深度有关。

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

图5 YC1井浅层地质灾害安全余量校正图Fig .5 Calibration chart of the shallow disaster margin of Well YC1

图6为不同涌入气体长度对YC1井钻井液密度窗口大小的影响，可以看出气体涌入长度越大，对浅层密度窗口影响越大，但对较深层位密度窗口影响较小，所以要严防浅层地质灾害发生，同时需要找到解决深水浅层窄安全密度窗口的有效方法。

图6 不同涌入气体长度对YC1井钻井液密度窗口大小的影响Fig .6 Influence of different gas lengths in wellbore by shallow disasters of Well YC1

3 深水浅层钻井液窄密度窗口解决方法

双梯度钻井技术(DGD)是一种将深水钻采管柱的环空压力分为2个梯度的钻井技术，可以解决窄密度窗口问题[11]。如图7所示，将 DGD钻井区域简化为上下两部分，上部高度为h1，下部高度为h2，假设分界点O的位置在泥线上(在不同的双梯度钻井技术中位置不同)，此时下部环空压力当量密度即为海水密度，可以保证pa在安全密度窗口中。

图7 DGD环空压力分布原理图[12]Fig .7 Annular pressure distribution in DGD operation[12]

假设不考虑温度、海洋环境、钻井液流变性影响，根据图7所示的DGD环空压力分布原理计算出钻井液密度窗口为

(9)

式(9)中：ρa为环空压力当量密度，g/cm3；ρ1为O点以上钻井液密度，g/cm3；ρ2为O点以下钻井液密度，g/cm3；h为井深，m。

首先取可以实现的最小密度ρ1，即海水密度,同时在O点时取ρ2=ρ1;然后给出一个稳定的密度增量，运用试算的方法，增加h到井底，保证环空压力当量密度曲线位于钻井液安全密度窗口范围内(如果不符合要求，则改变密度增量)；如此往复，最终即可得到DGD钻井液密度曲线。

假设上、下梯度的分界点在泥线处，由于DGD钻井时可以不考虑隔水管安全余量[13]，根据式(9)，得出YC1井运用DGD技术在泥线以下钻井液密度的最高值和最低值变化，如图8所示。从图8可以看出，运用本文提出的DGD密度确定方法可将图2中深水浅层钻井液安全密度窗口由ρmin-ρmax扩大为ρmin5-ρmax5，说明DGD钻井技术能有效解决深水浅层窄钻井液安全密度窗口问题，值得进一步深入探索。

图8 YC1井DGD技术深水浅层钻井液密度窗口Fig .8 Drilling fluid density window of DGD operation in deep water shallow of Well YC1

4 结论

1) 考虑深水浅层压力波动、隔水管安全余量和浅层安全余量等因素，建立了深水浅层钻井液安全密度窗口确定方法，并以我国南海莺琼盆地YC1井为例进行了计算分析，结果表明，隔水管安全余量、浅层安全余量对深水浅层钻井液安全密度窗口影响较大。

2) 提出了利用双梯度钻井技术(DGD)解决钻井液安全密度窗口窄的方法，可为深水钻井设计提供参考。

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(编辑：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

*国家自然科学创新研究群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究(编号：51221003)”、国家自然科学基金“深水钻井隔水管-导(套)管力学特性研究与水下井口稳定性分析(编号：51574261)”、“十二五”国家科技重大专项“钻井工程设计和工艺软件(编号：2011ZX05021-006)”部分研究成果。

邓嵩，男，博士，毕业于中国石油大学(北京)，主要从事深水钻完井与地层三压力分析方面的研究。地址：江苏省常州市天宁区白云路常州大学石油工程学院(邮编：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