深水钻井中控压响应时间及其影响因素分析

田野 王成龙 柳亚亚 李志刚 黄宏强

摘要：为了保障控压钻井技术在深水钻井应用中的安全和效率，研究了深水钻井环境下控压钻井响应时间的特征和影响因素。在将井筒环空流体视为三相均匀混合流体的基础上，分别建立了回压在隔水管段和地层井段传播速度的计算模型，研究了隔水管长度、深水低温和井眼尺寸对回压传播速度的影响规律，以及同样井深、不同水深和不同井眼尺寸情况下，回压从井口至井底的传播时间。研究发现：隔水管长度的增加会导致回压传播速度增大，但在1 000 m长度之后逐渐稳定；与陆地钻井的地温环境相比，海水所导致的低温，使得回压传播速度在隔水管段总体增大，在地层段总体降低；在常用的井眼尺寸中，井眼尺寸越大，回压传播速度越大；结果还表明，在同样的钻井深度下，深水控压钻井的响应时间总体上小于陆地钻井，这对于控压钻井在深水中的应用有利，能够有效提高深水钻井的安全性。

关键词：深水钻井；控压钻井；响应时间；传播时间；回压

In order to ensure the safety and efficiency of managed pressure drilling technology in deepwater， the characteristics and influential factors of managed pressure drilling response time in deepwater drilling were studied.Regarding the wellbore annulus fluid as a threephase uniform mixed fluid， the calculation models of propagation velocity of back pressure in the riser section and the formation section were built.The influences of riser length， deepwater low temperature and borehole size on the propagation velocity of back pressure were identified.Meanwhile， the propagation time of back pressure from wellhead to bottom hole under the same well depth， different water depths and different borehole sizes was investigated.The study results show that the increase of riser length leads to the increase of back pressure propagation velocity， which will gradually stabilize after the riser length exceeds 1，000 m.Compared with the geothermal environment of land drilling， the low temperature caused by seawater makes the back pressure propagation velocity increase in the riser section and decrease in the formation section.Among the commonly used borehole sizes， the larger the borehole size， the faster the back pressure propagation velocity is.The study results also show that at the same drilling depth， the managed pressure drilling response time of deepwater drilling is generally shorter than that of land drilling， which is beneficial to the application of managed pressure drilling in deepwater and can effectively improve the safety of deepwater drilling.

deepwater drilling；managed pressure drilling；response time；propagation time；back pressure

0 引 言

深海是未来油气资源开发的主战场之一。在深水环境下，由于其特有的环境和地下压力特性，极易出现窄密度窗口，造成易漏失地层、易坍塌地层，甚至喷漏同存等复杂情况。控压钻井（Managed Pressure Drilling，MPD）技术作为一种能够精确控制环空压力剖面，安全钻进窄密度窗口地層的技术手段，能够显著减少井下压力不稳定带来的潜在风险，已经成为油气钻井技术中不可或缺的一部分。目前，MPD技术在陆地钻井中已被推广和广泛使用，国内的多家研究机构和单位已推出相应的产品和系统，并获得了良好的应用效果［1-3］。国际上，2004年即开始了控压钻井系统在半潜式平台上的应用。2010年，1艘钻井船在印度尼西亚海域的Bravo-1井实施了控压钻井，作业水深3 254 ft（991.8 m），标志着控压钻井进入深水区域；2013年作业水深达到2 264.7 m（7 430 ft），自此控压钻井进入超深水应用时代［4］。国内控压钻井在海上的应用多在浅海水域［5-7］，但已开始布局深水应用［8-9］。

在控压钻井中，一种常用的作法是：利用地面回压泵或节流管汇从井口给井筒施加回压，该回压将叠加在井筒压力系统中，从而改变井底压力。井口产生的回压不会立刻作用到井底，而是以压力波的形式从井口向井下传播，因此需要一定的时间，井越深压力传播的时间越长。另外，当控压钻井中使用井下随钻压力测量（PWD）配合测量井底压力时，PWD也需要时间将压力信号上传至地面。因此，控压响应时间为从地面发出控压指令提供井口回压开始，到确认该回压对井底压力产生控制效果之间的时间长度。其中，回压从井口传播至井底所需的时间更为重要，对该时间长短的掌握程度直接决定了控压钻井的控制效果和效率，时间掌控不足则有可能导致过多的地层流体持续地进入井内，导致井筒压力失控，甚至发生井喷等严重事故。因而，对于安全和成本极其敏感的深水钻井而言，研究控压钻井中控压响应时间及其影响因素具有重要意义。

1 计算模型的建立

深水钻井与陆地钻井相比有很大差异，包括：水深、低温、低地层破裂压力、“三浅”等［10］。笔者主要关注与陆地钻井有较大不同，且与控压钻井响应时间密切相关的一些因素，如：水深（隔水管长度）、复杂的温度场、井身结构（不同井眼尺寸）等。

1.1 深水井筒结构

深水钻井的井筒结构如图1所示。深水钻井与陆地钻井井筒结构的差异主要包括：①有一段隔水管段，用于隔开海水。该段的长度取决于作业水深。②深水钻井的井身结构较为复杂，套管层次通常较多［11］。

1.2 基本模型的建立

已有多名专家学者开展了压力波（或压力脉冲）在井筒（或钻柱）中的传播特性的研究。王江帅等［12］在刚性理论的基础上充分考虑井筒多相流动下气体流动参数沿井筒变化的实际情况，建立了回压响应时间的数学模型；闫铁等［13］将钻井液视为气液两相流，基于整体平均两相流模型，建立了环空气液两相流动的压力波传播方程；余金海等［14］将井筒流体看作气液固三相混合物，把钻井液（包含加重材料等固相）视为液相，根据压力波在流场中传播的波动理论建立了压力波传播速度的计算模型；刘修善等［15］同样将井筒流体看作气液固三相混合物，将水（对应于水基钻井液）、油（对应于油基钻井液）作为液相，基于管道瞬变流理论建立了钻井液脉冲传播速度的计算模型，研究了钻井液脉冲在钻杆内的传播特性。基于不同的研究目的，以上研究均未考虑钻井液密度受环境温度影响而发生的变化，亦未对隔水管这种特殊的井壁结构进行研究。

而在深水钻井中，除了海水低温，高温高压地层也经常出现。另外，控压钻井必须能够在钻进状态下应用，岩屑和固相含量必然存在。因此笔者将根据深水钻井的特点，并结合控压钻井的实际作业场景，将井筒流体视为气液固三相均匀混合物，并将钻井液视为液相，同时考虑钻井液密度随温度和压力的变化，以及压力作用下钻杆、井壁和隔水管的变形情况，开展井口回压在井筒中的传播速度和控压钻井响应时间研究，使得所建模型更接近实际情况。

假设井筒流体为气液固三相混合流体，且三相均匀混合，气体以游离态存在。则压力波的传播速度可由以下基本公式计算：

当井筒流体停止流动時，随着时间的延长，井筒温度将逐渐接近上述环境温度。在井筒流体流动的状态下，井筒温度将不同于环境温度，基本特点是：在浅于某点井深范围内温度高于环境温度，在深于该点井深范围外温度低于环境温度［18］。由于该计算较为复杂，为了不至于篇幅过大，并聚焦于研究重点，笔者以井筒流体停止流动的情况为基础开展后面的研究。这是一种较为极端的工况，具有边界特性。

2.1.2 井筒压力的计算

基于以上考虑，井筒压力p可按下式计算：

2.2 传播速度计算与分析

为了方便获得规律性认识，计算时将整个井筒简化为由2个井段构成，即隔水管段和地层段，并认为在每个井段内井筒尺寸一致。采用的基本参数如下：钻杆外径139.7 mm，壁厚9.2 mm；隔水管内径482.6 mm，壁厚25.4 mm。二者的弹性模量均取210 GPa，泊松比0.3。地层岩石弹性模量7.5 GPa，泊松比0.3。液相的体积弹性模量2.04 GPa，固相的体积弹性模量16.18 GPa，固相密度2 660 kg/m3。井口含气体积分数0.5%，固相体积分数10%，液相密度1.0 g/cm3。

2.2.1 不同隔水管长度的影响

为了研究不同隔水管长度（不同水深）对回压传播速度的影响，分别计算了水深分别为0、100、200、300、400、500、700、900、1 000、1 500和2 000 m而井深同为6 000 m情况下的压力波传播速度随井深的分布情况，计算结果如图3所示。其中，0 m水深可认为是陆地钻井。

由图3可见，随着井深的增加，传播速度总体上呈现由低到高的非线性增长态势，在500 m井深范围内速度增长很快，之后逐渐变缓。这是由于含气体积分数的存在，越接近井口含气体积分数越高，所以传播速度越低，这也符合前人的研究结果和实际情况。从图3还可以看到，不同隔水管的传播速度存在差异，并且隔水管长度差别越大，传播速度的差异也越大。在隔水管长度达到300 m时，在海底（即隔水管系统和井下套管连接的位置）开始出现较为明显的速度跌落现象。这种现象随着隔水管长度的增加而逐渐增大，当隔水管长度达到1 000 m时基本趋于稳定。这主要是隔水管与地层具有不同的结构特征，因而具有不同的变形特征所导致。此外，隔水管长度越长意味着水越深，其相应的环境温度也越低。另外，这种断崖式的速度跌落也与本模型对井筒的处理方法有关，即认为隔水管和套管直接连接，这是为了获得整体规律而采用的简化方法。在实际当中，隔水管和套管之间连接还包括下部隔水管总成和防喷器组等水下井口设备，因此实际的速度转换将在这些设备内部完成。但由于这些设备结构复杂，难以建模计算，在不影响获得整体规律的情况下，笔者在此未予考虑。总体来说，在隔水管段压力波的传播速度高于陆地钻井情况，因此井口回压向井下传播需要的时间相对要短。隔水管长度越长，这种差异越明显。

2.2.2 深水低温的影响

为了考察海水低温对于回压传播速度的影响，计算时按照地温梯度计算所得的温度，即与陆地钻井（0 m水深）相同的温度值，分别计算了水深为0、500、1 000、2 000和3 000 m时的传播速度曲线（见图4）。同时作为对比，图中保留了3 000 m水深时采用海水温度的计算结果，如图4中虚线所示。以上几种情况下的井筒环境温度如图5所示。

由图4可见，在所有井深处，两者基本都出现了差异。这说明：深水钻井时，海水所造成的低温对回压传播速度的影响确实存在。在隔水管段，最大的差异出现在500 m水深；水深超过2 000 m之后这种差异已较小，这可能与海水温度的变化趋势有关。由图5可见，在水深500 m范围内海水温度快速下降，在水深超过2 000 m后其温度变化较小。在地层段，随着井深的增加，两者的差异则持续增大。这是由于随着井深的增加，井底温度持续升高，其影响也愈发明显。总体的规律是：与陆地钻井的地温环境相比，海水所导致的低温使得回压传播速度在隔水管段总体增大，地层段总体降低。

以上计算所采用的井筒温度为环境温度，而当钻井液在井筒中循环流动时，在浅于某点井深范围内温度高于环境温度，在深于该点井深范围内温度低于环境温度。因此，当钻井液循环流动时，其回压传播速度将介于以上两种速度之间，而总体规律不变，如图4中箭头所指区域。

2.2.3 不同井眼尺寸的影响

由于控压钻井可能在不同的井段中实施，另外深水钻井中所使用的套管层次通常较多，因此进一步研究了不同井眼尺寸对回压传播速度的影响。根据深水钻井常用的井眼和套管尺寸，计算在水深2 000 m，井深5 000 m的情况下，套管直径为244.5、346.1和508.0 mm（内径分别取220.5、315.3和482.6 mm），井眼直径为215.9 mm（81/2 in）、311.2 mm（121/4 in）、355.6 mm（14 in）和444.5 mm（171/2 in）时回压在井筒中的传播速度，结果如图6所示。由图6可见，在不同的套管尺寸中，回压的传播速度也不同。井眼尺寸差别越大，传播速度的差异也越大。在所计算的尺寸中，井眼尺寸越大，传播速度越快。在实际钻井中，通常随着井深增加，井眼尺寸变小，因此相应的回压传播速度也变小。

2.3 控压响应时间计算与分析

在以上结果的基础上，进一步计算了井深6 000 m，水深分别为0、100、300、500、800、1 000、1 500、2 000和3 000 m的情况下，回压从井口传播至井底所需的传播时间，结果如图7所示。由图7可见，回压从井口传播至井底所需的时间随着水深的增加而减小。在0～500 m水深范围内减小较快，之后基本线性递减。当井眼尺寸较小时，不同水深之间的时间差值更为明显，如当井眼直径为215.9 mm时，3 000 m水深与0 m水深之间的时间差值约为1 s；而当井眼直径为444.5 mm时，该差值约为0.6 s。总体上，时间减少了约9%～13%。

从绝对时间来看，1 s的时长在现场基本可以忽略。但是，当回压波在井筒中传播时，由于井筒的阻尼作用，其压力值不断衰减，井深越大衰减越多。因此在实际的控压钻井施工中，往往需要在井口多次施加回压才能达到控压效果。另外，当配有井下PWD测量井底压力时，由于目前多数PWD使用钻井液脉冲传递信号，相当于从井下向地面发送压力波，因此也需要传播时间并受此环境影响。所以，当需要多次施加回压并通过PWD获得井下压力时，时间的累积效果会愈加明显。

3 结 论

通过以上研究，可以得出以下结论：

（1）在深水钻井中，由于水深而增加的隔水管长度、海底低温以及更多的井眼尺寸，会对井口回压在井筒中的传播速度产生影响。

（2）隔水管长度的增加会导致回压传播速度增大，但在1 000 m长度之后逐渐稳定。

（3）与陆地钻井的地温环境相比，海水所导致的低温使得回压传播速度在隔水管段总体增大，在地层段总体降低。

（4）在常用的井眼尺寸中，井眼尺寸越大，回压传播速度越快。

（5）综合以上因素可知，在同样的钻井深度下，深水钻井的控压钻井响应时间总体上小于陆地钻井，这对于控压钻井在深水中的应用是有利的，能够有效提高深水钻井的安全性。

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第一田野，工程师，生于1988年，2020年获得中国石油大学（华东）石油与天然气工程专业硕士学位，现从事海洋钻完井方面的技术管理工作。地址：（570100）海南省海口市。Email：tianye1@cnooc.com.cn。