深水鉆井最大允許氣侵溢流量的計(jì)算方法

許玉強(qiáng)管志川龐　華劉書(shū)杰許傳斌張洪寧勝亞楠

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司3.中海油研究總院

深水鉆井最大允許氣侵溢流量的計(jì)算方法

許玉強(qiáng)1管志川1龐華2劉書(shū)杰3許傳斌1張洪寧1勝亞楠1

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司3.中海油研究總院

許玉強(qiáng)等.深水鉆井最大允許氣侵溢流量的計(jì)算方法. 天然氣工業(yè)，2016，36（7）：74-80.

深水鉆井對(duì)井控提出了更高的要求，氣侵的早期監(jiān)測(cè)便成為深水井控研究的熱點(diǎn)。由于溢流量預(yù)警值為經(jīng)驗(yàn)值，使得現(xiàn)有泥漿池增量法在水深較深、原始地層壓力較高的井中應(yīng)用的普適性和可靠性較差。為此，通過(guò)引入最大允許關(guān)井套壓和環(huán)空氣體上升位置，計(jì)算不同溢流量條件下的壓井風(fēng)險(xiǎn)，建立了基于氣侵的溢流量預(yù)警值反算方法，以此來(lái)保證在現(xiàn)有井控設(shè)備、施工參數(shù)和地層參數(shù)等確定的條件下進(jìn)行更為精確可靠的氣侵溢流監(jiān)測(cè)。同時(shí)引入含可信度地層壓力預(yù)測(cè)方法對(duì)溢流量預(yù)警值反算方法進(jìn)行改進(jìn)，最大限度地降低了因地層壓力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)而導(dǎo)致的氣侵監(jiān)測(cè)誤差。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，該方法充分考慮了氣侵后氣體上升位置和壓井風(fēng)險(xiǎn)，能夠大大提高深水鉆井氣侵早期監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率和可靠性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)因井而異的溢流量預(yù)警值設(shè)計(jì)和降低氣侵監(jiān)測(cè)成本有實(shí)際意義。同時(shí)提出推薦采用精度更高更穩(wěn)定的進(jìn)出口流量計(jì)對(duì)泥漿池增量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以滿足半潛式鉆井平臺(tái)的測(cè)量精度。

深水鉆井 氣侵監(jiān)測(cè) 泥漿池增量法 溢流量預(yù)警值 設(shè)計(jì)方法 井控風(fēng)險(xiǎn) 氣體到達(dá)位置 半潛式鉆井平臺(tái)

深水油氣資源是21世紀(jì)全球重點(diǎn)關(guān)注和勘探開(kāi)發(fā)的主要能源接替領(lǐng)域，中國(guó)南海深水區(qū)域也儲(chǔ)存著豐富的油氣資源，70%蘊(yùn)藏于深海［1-3］。近期發(fā)現(xiàn)的陵水17-2氣田天然氣探明儲(chǔ)量規(guī)模超千億立方米，平均水深1 500 m，被定為大型氣田［4］。隨著“海洋石油981”的服役，我國(guó)進(jìn)入了深水油氣田自主勘探開(kāi)發(fā)的新階段［5］。深水鉆井對(duì)井控尤其是溢流監(jiān)測(cè)有著更高的要求，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢流和盡早發(fā)現(xiàn)氣侵［6］，以便及時(shí)采取井控措施，避免井噴等事故的發(fā)生。這主要表現(xiàn)在：首先，隨著水深的增加，地層破裂壓力低，鉆井液安全密度窗口窄，井涌余量減小［7］，留給井控的反應(yīng)時(shí)間減少。其次，由于深水高靜壓環(huán)境的存在，氣泡到達(dá)海底井口時(shí)的總體尺度仍然較小，導(dǎo)致氣體進(jìn)入隔水管時(shí)海面泥漿池增量可能依然不會(huì)達(dá)到預(yù)警值［8］，使泥漿池增量法等常規(guī)方法的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度大大降低。同時(shí)，目前現(xiàn)場(chǎng)所用泥漿池增量法的預(yù)警值為一經(jīng)驗(yàn)性定值［6］，對(duì)于深水鉆井、尤其是深水高壓氣層鉆井的適用性較小，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣侵，加大了井控風(fēng)險(xiǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)深水鉆井的溢流早起監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究［6，9-10］，并取得了豐富的成果，主要集中在平臺(tái)監(jiān)測(cè)、海水段檢測(cè)和井下隨鉆監(jiān)測(cè)三個(gè)方面。新型溢流監(jiān)測(cè)設(shè)備和傳感器的研制，提高了深水鉆井溢流監(jiān)測(cè)的精度，為溢流的早期監(jiān)測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，目前的諸多研究均集中在溢流監(jiān)測(cè)方式或設(shè)備的研制上［6］，對(duì)于深水鉆井溢流監(jiān)測(cè)中操作簡(jiǎn)單、方便實(shí)用、使用最廣泛的泥漿池增量法研究較少，普遍認(rèn)為該方法精度和準(zhǔn)確性較低，已不適用于深水鉆井的溢流監(jiān)測(cè)［6，9-10］。如前所述，目前深水鉆井所用泥漿池增量法的預(yù)警值仍為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性定值，這是導(dǎo)致該方法準(zhǔn)確性和時(shí)效性低的重要因素，若能依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際計(jì)算設(shè)計(jì)適用于該井或區(qū)塊的溢流量預(yù)警值，使之能及時(shí)有效地預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)較大的溢流或氣侵，這無(wú)疑會(huì)大大提高深水鉆井溢流監(jiān)測(cè)的效率，同時(shí)降低溢流監(jiān)測(cè)成本。因此，通過(guò)分析深水鉆井氣侵時(shí)溢流量與井控難易的關(guān)系，研究適用于深水鉆井氣侵控制的溢流量預(yù)警值計(jì)算方法，對(duì)提高深水鉆井氣侵監(jiān)測(cè)精度和降低溢流監(jiān)測(cè)成本等有實(shí)際意義。

1　現(xiàn)有泥漿池增量法在深水鉆井中的局限

深水鉆井中若鉆遇高壓氣層，地層內(nèi)氣體會(huì)進(jìn)入井筒并迅速向上運(yùn)移，隨著氣侵時(shí)間的推移，井筒環(huán)空內(nèi)的氣體形態(tài)由泡狀流逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?、環(huán)狀流等［10］。同時(shí)，由于氣體的進(jìn)入，井筒環(huán)空壓力逐漸降低，井底壓差進(jìn)一步增大，導(dǎo)致井底氣侵速度逐步增加，加大了井噴風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，深水高靜壓環(huán)境使井筒環(huán)空內(nèi)的氣泡總體尺度較小，氣體運(yùn)移至隔水管時(shí)井口泥漿池增量往往還達(dá)不到預(yù)警值，導(dǎo)致泥漿池增量法失效［8-9］。因此，有必要通過(guò)計(jì)算分析深水鉆井氣侵后井筒環(huán)空內(nèi)氣液兩相流運(yùn)移規(guī)律和溢流量與氣體到達(dá)位置的關(guān)系等，尋找深水鉆井中泥漿池增量法準(zhǔn)確率和時(shí)效性低的根源，并對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)。

1.1深水鉆井氣侵時(shí)井筒環(huán)空壓力計(jì)算模型

近年來(lái)，鉆井井筒環(huán)空多相流計(jì)算模型已趨于成熟，基本可以滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工對(duì)精度的要求［11-14］，而深水鉆井由于水深低溫等特有的環(huán)境因素，導(dǎo)致外界溫度對(duì)井筒環(huán)空內(nèi)的鉆井液流變性、密度和氣液兩相流型的影響較大［12，14］，因此需要提高海水段溫度模型和井筒傳熱模型的計(jì)算精度。

深水海洋段溫度模型是建立在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合基礎(chǔ)之上的，且具有區(qū)域性特點(diǎn)。本文采用文獻(xiàn)［12］中建立的南海南部海域溫度—水深模型作為海水段外界溫度模型。

水深大于200 m的區(qū)間，采用如下公式計(jì)算：

式中Tsea表示海水溫度，℃；a1=39.4，a2=37.1，a0=130.1，a3=402.7。h為海水深度，m。

水深小于200 m的區(qū)間，根據(jù)海域的四季變化分別采用不同的計(jì)算公式，此處不再贅述。

采用文獻(xiàn)［11］中介紹的漂移流動(dòng)模型為基礎(chǔ)建立深水非穩(wěn)態(tài)井筒多相流動(dòng)控制方程組，具體模型及求解方法可見(jiàn)本文作者的相關(guān)文獻(xiàn)［11，14］，此不贅述。

1.2泥漿池增量與氣體到達(dá)位置的關(guān)系

利用1.1中建立的模型模擬南海海域某深水井的氣侵過(guò)程，分析氣侵發(fā)生后溢流量與井筒環(huán)空內(nèi)氣體到達(dá)位置的關(guān)系。該井具體參數(shù)如下：

水深為1 524 m，井深為5 030 m，已固井段為3 153 m，海水表面溫度為15℃，隔水管外徑為508 mm，循環(huán)排量為28 L/s，鉆井液密度為1.29 g/cm3，鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)為1.73 W/（m·℃），稠度系數(shù)為0.27，流性指數(shù)為0.4，地層孔隙度為0.3%，滲透率為50 mD，地層導(dǎo)熱系數(shù)為2.25 W/（m·℃），原始地層壓力為70 MPa。

得到泥漿池增量（溢流量）與井筒環(huán)空內(nèi)氣體到達(dá)位置的關(guān)系如圖1所示。該井氣侵發(fā)生后，井筒環(huán)空內(nèi)氣體到達(dá)海底泥線附近時(shí)，泥漿池增量?jī)H為0.56 m3，遠(yuǎn)低于海洋鉆井手冊(cè)［15］中規(guī)定的1 m3的預(yù)警值，且即使泥漿池增量到達(dá)1 m3的預(yù)警值，也不能立刻對(duì)是否發(fā)生溢流進(jìn)行判斷，需要繼續(xù)觀察鉆井液返回流量是否增加、停泵后鉆井液從返出管處是否自動(dòng)外溢、泥漿池增量是否持續(xù)增加（至2 m3）、鉆壓是否下降、大鉤懸重是否增加等。當(dāng)泥漿池增量至2 m3時(shí)，氣體已在隔水管內(nèi)運(yùn)移了4 min，上升了350 m，此時(shí)已浪費(fèi)了寶貴的井控時(shí)間，將大大增加井控風(fēng)險(xiǎn)。

圖1　溢流量與環(huán)空內(nèi)氣體到達(dá)位置對(duì)比圖

通過(guò)上述分析，深水鉆井中泥漿池增量法的局限性在于：當(dāng)發(fā)生氣侵時(shí)，受深水高靜壓環(huán)境的影響，泥漿池增量反應(yīng)較為滯后，而海洋鉆井手冊(cè)中規(guī)定的1～2 m3預(yù)警值對(duì)于水深較深、原始地層壓力較高的井過(guò)于保守；且按照目前的操作規(guī)程，即使泥漿池增量達(dá)到了1 m3，也不能準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生溢流，究其原因在于該預(yù)警值為一經(jīng)驗(yàn)值，普適性和可靠性較差。

因此，有必要針對(duì)區(qū)域或具體井位設(shè)計(jì)具體的溢流量預(yù)警值，提高該預(yù)警值的溢流監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和可靠度。如此，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)較大的深水井可及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到溢流，而對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)較小的井則可減少誤報(bào)頻率，降低監(jiān)測(cè)成本。

2　最大允許關(guān)井套壓計(jì)算

泥漿池增量法判斷溢流，其基本原理是通過(guò)儀器測(cè)量循環(huán)池中鉆井液體積的增量來(lái)反映井底溢流量的多少，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一定的預(yù)警值來(lái)排除各種因素的影響，認(rèn)為超過(guò)該預(yù)警值即發(fā)生溢流。

該方法對(duì)于常規(guī)鉆井來(lái)說(shuō)具有操作簡(jiǎn)單、方便實(shí)用、普適性高的特點(diǎn)。而深水鉆井對(duì)井控提出了更高的要求，深水環(huán)境等因素導(dǎo)致一旦發(fā)生氣侵留給井控的時(shí)間明顯減少，因此需要及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到溢流或氣侵的發(fā)生，同時(shí)保證有足夠的時(shí)間進(jìn)行壓井等井控措施。由此可見(jiàn)，常規(guī)的泥漿池增量法并不能滿足深水鉆井對(duì)井控的需求，需要綜合考慮發(fā)生溢流或氣侵后壓井安全的因素。

為了加入溢流后壓井安全的因素，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溢流量預(yù)警值因區(qū)塊而異、甚至因井而異，引入最大允許關(guān)井套壓對(duì)溢流量預(yù)警值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

最大允許關(guān)井套壓曲線為關(guān)井時(shí)采用不同鉆井液密度條件下所允許的最大關(guān)井套壓，反映了溢流發(fā)生后采用不同密度的鉆井液壓井時(shí)井筒承壓能力的極限，根據(jù)海洋鉆井手冊(cè)［14］的規(guī)定，最大允許關(guān)井套壓不得超過(guò)井口裝置額定工作壓力、套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%和薄弱地層破裂壓力所允許關(guān)井套壓三者中的最小值。由此，可按照如下步驟計(jì)算最大允許關(guān)井套壓曲線：

1）根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)選取的井口裝置型號(hào)，確定該井的井口裝置額定工作壓力pwh。

2）根據(jù)已固井段所用套管的型號(hào)，確定不同開(kāi)次的套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度pci（i表示套管層次）。若井筒環(huán)空存在兩種或兩種以上的套管層次（尾管未回接至井口），選取各層次套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的最小值。

3）根據(jù)井身結(jié)構(gòu)和地層破裂壓力剖面，確定裸眼井段地層破裂壓力的最小值pfmin及其所在深度H。

4）依據(jù)鉆井設(shè)計(jì)中不同開(kāi)次壓井所備用的鉆井液密度，通過(guò)式（2）確定不同壓井液密度ρj條件下的最大允許關(guān)井套壓pj。即

（2）式中pwh表示井口裝置額定工作壓力，MPa；pci表示套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；pfmin表示裸眼井段地層破裂壓力當(dāng)量密度的最小值，g/cm3；H表示地層破裂的深度，m；ρj表示壓井液密度，g/cm3；pj表示最大允許關(guān)井套壓，MPa。

5）繪制ρj—pj曲線，即得到最大允許關(guān)井套壓曲線。

3　基于氣侵的深水鉆井溢流量預(yù)警值反算方法

由2節(jié)可知，當(dāng)鉆井施工參數(shù)、地層條件等因素確定時(shí)，最大允許關(guān)井套壓為定值，一旦發(fā)生氣侵，若在不同溢流量條件下進(jìn)行壓井，必定存在溢流量的極限值，當(dāng)超過(guò)該值進(jìn)行壓井時(shí)，關(guān)井套壓峰值會(huì)超過(guò)最大允許關(guān)井套壓，會(huì)有壓漏地層或損毀井口裝置的危險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致壓井失敗。

為了提高深水鉆井氣侵發(fā)生后溢流量預(yù)警值的監(jiān)測(cè)精度和可靠度，得到保證壓井安全的溢流量預(yù)警值極值，利用1.1中的模型對(duì)目標(biāo)深水井模擬氣侵和壓井過(guò)程，計(jì)算不同溢流量條件下采用不同鉆井液密度進(jìn)行壓井的關(guān)井套壓峰值，通過(guò)與最大允許關(guān)井套壓的對(duì)比，反算該深水井的溢流量預(yù)警值。具體計(jì)算步驟如下：

1）根據(jù)深水井的鉆井參數(shù)和地層壓力剖面等數(shù)據(jù)，確定高壓氣層等易發(fā)生氣侵的井深Hq，假定鉆至該井深處發(fā)生氣侵。利用2節(jié)的方法計(jì)算該深水井發(fā)生氣侵后不同壓井液密度ρj條件下的最大允許關(guān)井套壓pj。

2）利用1.1介紹的方法建立該深水井氣侵后的井筒壓力計(jì)算模型和壓井模型，模擬計(jì)算氣侵發(fā)生后井筒內(nèi)氣體到達(dá)位置和溢流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系（原理如圖1），初步分析現(xiàn)有溢流量預(yù)警值條件下氣侵后的井控風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)井控裝置的性能選取氣體到達(dá)井深H0（推薦海底井口附近）時(shí)的溢流量為基于氣體到達(dá)位置的溢流量預(yù)警值上限Qmax。

3）針對(duì)不同溢流量進(jìn)行壓井模擬，根據(jù)實(shí)際需要選取步長(zhǎng)Q0，分別計(jì)算溢流量為Qi=（1+i）Q0（其中i取0～n）時(shí)采用不同密度鉆井液ρi進(jìn)行壓井的套壓峰值pmax，ij，當(dāng)pmax，ij＞pj時(shí)停止計(jì)算，記錄此時(shí)的溢流量QK。

4）由此可得到基于氣侵的深水鉆井溢流量預(yù)警值的精確計(jì)算值為：

QW= min｛Qmax， QK｝（3）

上述步驟2）中加入了氣體到達(dá)位置與溢流量的關(guān)系，通過(guò)設(shè)定溢流量預(yù)警值上限，將氣體限定在可控井深以下，有利于結(jié)合其他深水鉆井井控裝置最大限度地降低井控風(fēng)險(xiǎn)。

該方法綜合考慮了氣侵后氣體到達(dá)位置和壓井風(fēng)險(xiǎn)，反算得到的溢流量預(yù)警值不再是一經(jīng)驗(yàn)值，可保證在現(xiàn)有井控設(shè)備、施工參數(shù)和地層參數(shù)等確定的條件下進(jìn)行更為精確可靠的氣侵溢流監(jiān)測(cè)。

4　基于含可信度地層壓力預(yù)測(cè)的溢流量預(yù)警值改進(jìn)計(jì)算方法

前面建立了基于氣侵的深水鉆井溢流量預(yù)警值的計(jì)算方法，當(dāng)?shù)貙訅毫Φ葏?shù)確定時(shí)，該方法計(jì)算的溢流量預(yù)警值具有較高的精度，可滿足深水鉆井氣侵井控的需要。然而，地層壓力的預(yù)測(cè)是存在誤差的，且隨著水深和井深的增加誤差變大［16-17］，依據(jù)小節(jié)3中的計(jì)算步驟，若高壓氣層的地層壓力預(yù)測(cè)值偏低，則計(jì)算所得溢流量預(yù)警值偏高，會(huì)使溢流量預(yù)警值監(jiān)測(cè)滯后，加大井控風(fēng)險(xiǎn)；反之，若高壓氣層的地層壓力預(yù)測(cè)值偏高，則計(jì)算所得溢流量預(yù)警值偏低，會(huì)增加誤報(bào)頻率和增加監(jiān)測(cè)成本。因此，有必要引入含可信度的地層壓力預(yù)測(cè)方法［16］對(duì)溢流量預(yù)警值計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。

管志川等人基于統(tǒng)計(jì)和概率統(tǒng)計(jì)的原理，針對(duì)地層壓力信息的不確定性問(wèn)題，采用含可信度的剖面來(lái)定量描述地層壓力的分布，使地層壓力剖面變?yōu)榫哂幸欢ǜ怕市畔⒌姆植紖^(qū)間。該方法的預(yù)測(cè)較之前的單一曲線更為可靠，原理如圖2所示，具體計(jì)算方法見(jiàn)本文參考文獻(xiàn)［16］。

圖2 含可信度地層孔隙壓力剖面圖

圖2分別表示了可信度90%（左圖）和30%（右圖）的地層孔隙壓力預(yù)測(cè)結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高預(yù)測(cè)精度，可選擇較大的可信度進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)。

假設(shè)選擇可信度J對(duì)深水井的地層壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，則預(yù)測(cè)得到的地層壓力為包含可信度J信息的取值區(qū)間［ph1， ph2］，其中ph1表示井深H處的地層壓力預(yù)測(cè)值下限，ph2表示井深H處的地層壓力預(yù)測(cè)值上限。

則小節(jié)3中溢流量預(yù)警值反算方法所用到的地層壓力均不再是單一數(shù)值，而是需在區(qū)間［ph1， ph2］中進(jìn)行取點(diǎn)計(jì)算，從而得到基于氣體到達(dá)位置的溢流量預(yù)警值上限取值區(qū)間［Qmax1，Qmax2］和達(dá)到最大允許關(guān)井套壓的溢流量取值區(qū)間［QK1，QK2］，此時(shí)基于含可信度地層壓力預(yù)測(cè)的溢流量預(yù)警值為：

上式中的QW包含了可信度信息，可根據(jù)目標(biāo)井的地層壓力預(yù)測(cè)精度、井控裝置性能和井控精度等工程實(shí)際選取合適的可信度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

由此，建立了綜合考慮氣侵后氣體到達(dá)位置、壓井安全和地層壓力預(yù)測(cè)不確定性的溢流量預(yù)警值計(jì)算方法，可在提高深水鉆井氣侵早期監(jiān)測(cè)的可靠性和精度的同時(shí)降低成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了溢流量預(yù)警值因井而異甚至因井深而異。

5　實(shí)例計(jì)算

以南海某深水井為例，鉆至3 630 m（含水深1 310 m）時(shí)發(fā)生氣侵，利用本文建立的溢流量預(yù)警值計(jì)算方法對(duì)該井進(jìn)行溢流量預(yù)警值設(shè)計(jì)，該井的主要參數(shù)如下：水深為1 310 m，已固井段為1 490 m，裸眼井段長(zhǎng)度為850 m，海水表面溫度為15 ℃，隔水管外徑為533 mm，循環(huán)排量為30 L/s，鉆井液密度為1.14 g/cm3，鉆井液黏度為0.027 Pa·s，鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)為1.73 W/（m·℃），稠度系數(shù)為0.27，流性指數(shù)為0.4，地層孔隙度為10%，地層滲透率為50 mD，地層導(dǎo)熱系數(shù)為2.25 W/（m·℃），原始地層壓力為43 MPa。

根據(jù)式（2）可得該井鉆至3 650 m時(shí)的最大允許關(guān)井套壓與壓井液密度的關(guān)系如圖3所示。

圖3　關(guān)井套壓與壓井液密度關(guān)系曲線圖

根據(jù)本文第3章中的計(jì)算步驟2，計(jì)算氣侵發(fā)生后井筒環(huán)空內(nèi)氣體到達(dá)位置與溢流量的關(guān)系，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)氣侵氣體運(yùn)移至海底井口時(shí)，溢流量為0.80 m3，則此時(shí)基于氣體到達(dá)位置的溢流量預(yù)警值上限Qmax= 0.80 m3。

圖4　氣體到達(dá)位置與溢流量隨氣侵時(shí)間變化曲線圖

根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)要求，此時(shí)采用密度為1.215 g/cm3的壓井液進(jìn)行壓井，則由圖3可知此時(shí)的最大允許關(guān)井套壓為7.3 MPa。通過(guò)模擬不同溢流量條件下的壓井過(guò)程，得到套壓峰值與溢流量的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5　套壓峰值與溢流量的關(guān)系曲線圖

由圖5可知，壓井時(shí)保證套壓峰值不超過(guò)最大允許關(guān)井套壓的最大溢流量，QK= 0.68 m3。

則基于氣侵的深水鉆井溢流量預(yù)警值的精確計(jì)算值QW= min｛Qmax， QK｝ = min｛0.80， 0.68｝ = 0.68 m3。

可見(jiàn)，若按照常規(guī)泥漿池增量法進(jìn)行溢流監(jiān)測(cè)，當(dāng)泥漿池增量達(dá)到1 m3時(shí)，井筒環(huán)空內(nèi)的氣體早已進(jìn)入隔水管段，且此時(shí)再進(jìn)行壓井，套壓峰值必然會(huì)超過(guò)最大允許關(guān)井套壓，有損毀套管、防噴器和壓漏地層的風(fēng)險(xiǎn)而導(dǎo)致壓井失敗。

若在此基礎(chǔ)上考慮該井地層壓力預(yù)測(cè)存在誤差，引入含可信度地層壓力預(yù)測(cè)，根據(jù)小節(jié)4中的改進(jìn)計(jì)算方法，選取可信度80%進(jìn)行計(jì)算，可以得到井底處的地層壓力預(yù)測(cè)區(qū)間為［41.2 MPa， 44.5 MPa］。此時(shí)，基于氣體到達(dá)位置的溢流量預(yù)警值上限取值區(qū)間Qmax為［0.68 m3，0.91 m3］，達(dá)到最大允許關(guān)井套壓的溢流量取值區(qū)間QK為［0.52 m3，5.8 m3］，從而得到基于含可信度地層壓力預(yù)測(cè)的溢流量預(yù)警值QW=min｛［0.68， 0.91］， ［0.52，5.8］｝=0.52 m3。

針對(duì)該深水井，若采用溢流量預(yù)警值0.52 m3對(duì)氣侵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于引入了含可信度地層壓力預(yù)測(cè)，最大限度地排除了地層壓力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)而導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)誤差，還充分考慮了氣侵后氣體到達(dá)位置和壓井風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了深水鉆井氣侵早期監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率和可靠性。

6　結(jié)論與建議

1）通過(guò)模擬計(jì)算深水井氣侵后氣體到達(dá)位置與泥漿池增量的關(guān)系，分析了現(xiàn)有泥漿池增量法的局限性，發(fā)現(xiàn)目前的溢流量預(yù)警值為一經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)于水深較深、原始地層壓力較高的井過(guò)于保守，且不能準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生溢流，普適性和可靠性較差。

2）通過(guò)引入最大允許關(guān)井套壓和環(huán)空氣體到達(dá)位置等因素，計(jì)算不同溢流量條件下的壓井風(fēng)險(xiǎn)，建立了基于氣侵的溢流量預(yù)警值反算方法，實(shí)現(xiàn)了因井而異的溢流量預(yù)警值精確計(jì)算，可保證在現(xiàn)有井控設(shè)備、施工參數(shù)和地層參數(shù)等確定的條件下進(jìn)行更為精確可靠的氣侵溢流監(jiān)測(cè)。

3）引入含可信度地層壓力預(yù)測(cè)方法對(duì)溢流量預(yù)警值計(jì)算進(jìn)行改進(jìn)，最大限度地排除了由于地層壓力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)而導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)誤差，有利于結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選取不同的可信度對(duì)溢流量預(yù)警值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4）利用本文方法設(shè)計(jì)的溢流量預(yù)警值具有較高的精度，而對(duì)于深水鉆井中常用的半潛式作業(yè)平臺(tái)，泥漿池的液面浮動(dòng)較大，不利于精確檢測(cè)泥漿池增量。為了滿足測(cè)量精度，推薦采用精度更高更穩(wěn)定的進(jìn)出口流量計(jì)對(duì)泥漿池增量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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（修改回稿日期 2016-05-10 編 輯 凌 忠）

A calculation method of the maximum allowable gas invasion overfl ow in deepwater drilling

Xu Yuqiang1， Guan Zhichuan1， Pang Hua2， Liu Shujie3， Xu Chuanbin1， Zhang Hongning1， Sheng Yanan1
（1. College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China； 2. Shenzhen Branch of CNOOC Safety Technology & Service Co.， Shenzhen， Guangdong 518067， China； 3. CNOOC Research Center， Beijing 100028， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.74-80， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

Deepwater drilling requires more rigorous well control. Accordingly， proactive gas invasion detection is a hot topic in research of deepwater well control. The warning overflow value is an empiric value， so the existing pit-gain method is less applicable and reliable for the wells with a high initial reservoir pressure in deep water. In this paper， the well-killing risks under different overflow conditions were calculated with consideration to the maximum allowable shut-in casing pressure and the annulus gas-ascending position. Then， a back calculation method was developed on the basis of the warning overflow value of gas invasion so as to monitor gas invasion overflow more accurately and reliably with the existing well control equipment， construction parameters and formation parameters. Furthermore，this method was improved by integrating the credibility formation pressure prediction method to minimize the gas invasion monitoring errors caused by inaccurate formation pressure prediction. Practical calculation shows that this method takes the annulus gas-ascending positions and well-killing risks into full account， so the accuracy and reliability of proactive gas invasion detection in deepwater drilling are improved greatly. This method plays a practical role in designing well-specific warning overflow value and reducing gas invasion monitoring costs. Finally， it was recommended to monitor the pit gain by using the import and export flow meters of higher accuracy and stability so as to satisfy the measurement accuracy of semi-submersible drilling platforms.

Deepwater drilling； Gas invasion monitoring； Pit gain method； Overflow warning value； Design method； Well control risk；Gas position；semi-submersible drilling platform

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.011

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51574275）、長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（編號(hào)：IRT1086），中海石油（中國(guó)）有限公司科研項(xiàng)目（編號(hào)：YXKY-2015-ZY-12）。

許玉強(qiáng)，1987年生，博士；主要從事井下信息與控制、深水鉆井技術(shù)及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等研究工作。地址：（266580）山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)。電話：18678953867。ORCID： 0000-0002-7431-266X。E-mail：auyuqiang@163.com

管志川，1959年生，教授，博士生導(dǎo)師，博士；主要從事油氣井力學(xué)、井下測(cè)控技術(shù)、深井超深井鉆井和深水鉆井等方面的研究工作。電話：（0532）86981764。E-mail：guanzhch@163.com