深水救援井動態壓井設計方法及應用

趙維青劉正禮宋吉明黃小龍姜清兆龐東豪.中海油能源發展股份有限公司工程技術公司； .中國海洋石油有限公司深圳分公司

深水救援井動態壓井設計方法及應用

趙維青1劉正禮2宋吉明1黃小龍1姜清兆2龐東豪1
1.中海油能源發展股份有限公司工程技術公司； 2.中國海洋石油有限公司深圳分公司

通過救援井向井噴井高排量泵入不同密度的壓井液進行壓井的方法，已成為救援井壓井方案的首選。簡單闡述了動態壓井技術原理，給出動態壓井設計的關鍵點和設備選型的方法。通過1口井實例給出了動態壓井設計的流程，并根據最惡劣工況（WCD： Worst Case Discharge）進行了多層儲層井噴時動態壓井模擬，基于動態壓井給出了壓井液密度、平臺設備選擇等方法。認為深水動態壓井設計應考慮井噴井流體類型、井噴流通通道、水深影響下的井筒流量等因素。與常規壓井方法相比，深水動態壓井具有排量大（最大達到12 m3/min）、地面泵壓高（最高達到26 MPa）、所需壓井液體積大（最大達到2 100 m3）等特點，可以為救援井動態壓井設計思路、平臺鉆井液泵、鉆井液儲存能力等設備選型提供參考。

深水鉆井；救援井；動態壓井；流通通道；設備選型

救援井是指井噴失控后，在距離井噴井附近一定的安全位置鉆一口井至井噴井儲層層頂部或井噴井井筒內的井［1］，通過注水泥、水淹、動態壓井等方法使井噴井恢復正常作業或壓封噴層的井［2-3］。

自1978年Mobil Oil公司在印度尼西亞Arun油田第一次通過救援井成功實施動態壓井后，隨著探測工具和定向井工具的發展，動態壓井技術得到了廣泛的應用，特別是1980年主動探測工具的出現和1988年旋轉導向工具的出現，使救援井和井噴井直接連通的成功率大大提高。目前鉆救援井直接與井噴井連通采用動態壓井進行壓井的技術已成為三級井控處理的首選方案［4-5］。

動態壓井完全不同于常規壓井，其主要特點是排量大（有時高達100 m3/min）、地面泵壓高（150 MPa）及所需壓井液體計量大［6-7］。為了能夠模擬最惡劣工況下的情況，對多層儲層流體在最惡劣工況下的井噴情況進行了動態壓井模擬，研究探討了動態壓井設計的流程、壓井液密度、排量及所需壓井液體積的確定方法并形成了流程圖版，根據圖版可進行設備選型。

1 救援井壓井技術介紹Introduction of well killing technique through relief well

1.1救援井壓井技術發展

Development of well killing technique through relief well

救援井壓井技術主要是隨著定向井工具、磁探測工具發展而發展，主要可以分為3個階段。早期利用斜向器鉆2到3口以上的井至噴層頂部或者井噴井附近，通過：（1）救援井大排量泵水，形成沖刷裂縫；（2）救援井進行水力壓裂；（3）救援井進行酸化壓裂等方式，實現救援井與井噴井的連通，然后通過救援井大排量泵水，通過水淹等方法壓井，對于深井、高油氣比井、儲層滲透率較低的井成功率低。中期利用特殊電纜探測工具或者被動探測工具找尋井噴井套管方法，使救援井直接與井噴井連通成為了可能，1978年Mobil Oil利用該技術第1次成功的應用了動態壓井技術。后期1980年主動探測工具和1988年旋轉導向工具的出現，使得救援井直接與井噴井連通已經不再受地層、巖性、軌跡控制、井眼不確定等因素的影響。1989年，北海2/4-14井通過旋轉導向及磁探測技術只經過9次探測后就實現救援井與井噴井之間的連同，并通過動態壓井技術成功實施了壓井［8］。1998年多相流模擬軟件OLGA的出現，使動態壓井方法已經成為井噴壓井的首選方案［9］。

1.2動態壓井技術

Dynamic well killing technology

1.2.1原理 動態壓井是指通過救援井向井噴井高排量泵入壓井液，使壓井液與噴出的地層流體形成的混合流體的靜液柱壓力、混合流體在井噴井流通通道內高速上返時產生的摩擦阻力以及井噴井井口壓力3個壓力之和不斷接近地層壓力，以減少井噴井產量。當井底壓力等于地層孔隙壓力時，地層流體不再進入井筒，繼續泵入壓井液直到有無污染的壓井液返出井口時，壓井結束。

1.2.2計算模型 通過動態壓井的原理可知動態壓井期間井底壓力由三部分組成：（1）壓井液與噴出的地層流體形成的混合流體的靜液柱壓力；（2）混合流體在井噴井流通道內高速上返時產生的摩擦阻力；（3）井噴井井口壓力，如套壓，存在水下井口時，海水靜液柱壓力等

選擇合適的壓井液密度和合理的壓井排量是成功實施壓井的關鍵，動態壓井過程中需保持井底壓力逐漸上升，但要小于地層破裂壓力

對油藏參數，如滲透率、孔隙度、井眼尺寸、儲層厚度、地層流體黏度、地層流體密度、地層壓力和供給半徑等參數預測，可求出井噴井的IPR曲線，進而得到不同井底流壓下的產量。為了簡單起見將產量表示為井底流壓的函數

則初始條件下，即只有地層流體流動

當泵入壓井液與地層流體混合后，流體密度增大，因此井底壓力也增加，則可求出任意t時刻時井噴井產量為

將壓井點或連通點到井口距離分為n段，根據混合流體在井筒中的流態可求出第i段混合液密度，繼而求出井底壓力，即流壓

則由公式（6）、（7）可求出t時刻的產量為

式（8）可以看出，當pbh=pwf=pf時，地層產量為0，繼續泵入壓井液直到無污染的壓井液從井口返出，此時井筒為單相流，壓井結束。

1.3動態壓井關鍵點

Key points in dynamic well killing

動態壓井是通過壓井/阻流管線從救援井環空泵入壓井液進行壓井，利用救援井鉆具地面壓力來檢測動態壓井期間井底壓力是否大于地層壓力。

pbh=pdp+ phdp>pf（9）

動態壓井要選擇合理的壓井排量和壓井液密度，既要保證在壓井過程中井底壓力是不斷在增加，又要滿足井底壓力小于地層破裂壓力。

2 深水動態壓井設計Design of deepwater dynamic well killing

救援井設計的核心內容包括：（1）連通點選擇；（2）連通方式選擇，目前由于擁有先進成熟的探測技術和定向技術，均采用直接連通技術；（3）救援井軌跡設計和探測設計；（4）動態壓井設計。其中動態壓井的關鍵內容包括預測產量、計算IRP曲線、井噴井狀態、井噴井流通通道定義、動態壓井模擬計算。

2.1井噴井產量預測及IPR曲線計算

Estimation of blowout well production and calculation of IPR curve

井噴井產量預測及IPR曲線計算是動態壓井模擬的基礎，主要收集以下資料：（1）油藏流體參數，如密度、黏度、油氣比、油水比、凝析油含量、流體體積系數、天然氣壓縮因子；（2）儲層物性參數，如儲層厚度、壓力、孔隙度、滲透率、供給半徑、溫度梯度；（3）井噴井井身結構，如井眼尺寸等。對于新區塊探井，當以上數據缺乏，且鄰井資料參考性不大時，給產量估算及IPR計算帶來巨大挑戰，國際上推薦使用P90數據計算 ，同時用P10和P50計算結果作為參考。

2.2井噴井狀態描述

Status description of blowout well

對于動態壓井主要是考慮井口回壓，主要分兩種情況：（1）井噴井平臺存在且井口可以施加回壓；（2）井噴井平臺不在井位，此時井口壓力為深水靜液柱壓力。

對于井噴井流通通道一般可分為以下幾種情況：（1）井口完全敞開，井內無鉆具；（2）井口完全敞開，井內有部分鉆具或者全部鉆具；（3）井口部分敞開，井內有鉆具；（4）井口部分敞開，井內無鉆具。

自從墨西哥灣井噴事故后，美國、英國、加拿大及澳大利亞政府相繼出臺了深水井控應急預案規定，其中對動態壓井的要求是按照最惡劣工況考慮：（1）井噴井完全敞噴；（2）井噴井內沒有鉆具；（3）井噴井內流體物性按照天然氣計算；（4）井噴井平臺不在井位；（5）裸眼所有滲透層，如油氣層、水層都要考慮。

2.3動態壓井軟件模擬計算流程

Analog calculation flow by dynamic well killing software

動態壓井模擬是基于不同排量和壓井液密度不斷重復計算，其流程如圖1所示。

圖1　動態壓井模擬計算流程Fig.1 Analog calculation flow for dynamic well killing

3 深水動態壓井設計案例Case study on deepwater dynamic well killing design

3.1南海某井基礎數據

Basic data of some well in South China sea

3.1.1救援井及井噴井基礎數據 南海某深水井及救援井，見圖2，水深607 m，轉盤面海拔高度26 m，儲層流體為天然氣，?311 mm井眼裸眼完鉆，完鉆垂深2 276 m，救援井連通點深度為1 500 m，救援井平臺有內徑為11.43 cm的壓井、阻流管線各一條，4臺14P-2200泥漿泵。

圖2　南海某深水井及救援井示意圖Fig.2 Schematic diagram of some deepwater well and relief well in South China Sea

3.1.2油氣層IPR曲線 根據地質數據顯示，該井2個目的層段厚度均為30 m，其中T1層油藏參數：地層壓力17.9 MPa，地層溫度50℃，地層流體黏度0.021 MPa·s，地層滲透率5 mD，地層孔隙度12.9%；T2層油藏參數：地層壓力21.2 MPa，地層溫度60℃，地層流體黏度0.03 mPa·s，地層滲透率5 mD，地層孔隙度12.9%。用Forchheimer二項式方程計算IRP，具體參考油藏工程原理［10］、天然氣工程［11］、試井分析方法。該井IPR曲線，如圖3所示。

圖3　T1/T2層IPR曲線Fig.3 IRP curve of T1/T2 layers

3.2動態壓井模擬

Simulation of dynamic well killing

3.2.1井噴井工況假設 在假設最惡劣工況條件，對該井進行了動態壓井模擬。該井?311 mm井眼初始鉆進鉆井液密度1.13 g/cm3，完全敞噴下的井底流壓、產量及井噴過程如圖4、5所示。

圖4　T1T2層同時井噴模擬Fig.4 Simulation for T1T2 reservoir blowout at the same time

圖5　T1T2層井噴過程中井底流壓Fig.5 Flowing bottomhole pressure （FBHP） during T1/T2 reservoir blowing out

從圖4、5中可以看出，水下井口完全敞開時，最大噴速為155×104m3/d，從發現溢流到完全達到最大噴速時間需要38 min。

3.2.2最小壓井液密度確定 由于該井是水下井口，平衡地層壓力最小壓井液密度由式（10）求得，為1.17 g/cm3，取壓井液密度的安全附加值為0.13 g/cm3，則最小壓井液密度由式（11）求得，為1.30 g/cm3。

對于高產井，即使用破裂壓力計算的壓井液密度都無法實施動態壓井，此時通常可先采用高比密度壓井液，噴量減少后再泵入較輕密度壓井液的方式進行壓井，這樣既可以用較小的地面泵壓，還可以使用較少的壓井液體積，以減緩平臺儲存能力不足的限制。

3.2.3動態壓井模擬計算 選取動態壓井液密度為1.30，1.40和1.50 g/cm3進行計算，繪制了不同壓井液密度下，成功實施動態壓井所需的壓井排量及壓井地面最大泵壓，見圖6。繪制了不同壓井液密度和排量下，壓井所需的最少壓井液體積，見圖7。

圖6　不同壓井液密度所需的壓井排量和地面泵壓Fig.6 Killing rate and surface pump pressure required by killing fluids with different densities

圖7　不同壓井液密度和排量下所需的壓井液體積Fig.7 Volume of killing fluid required under different killing fluid density and flow rate

根據動態壓井計算結果，結合平臺鉆井泵能力及儲存能力［21］，選擇合適的壓井排量及壓井液密度，如圖8所示是該平臺泵的特性曲線，對于該井最少需要2臺以上泵，考慮到動態壓井結束后還要循環2倍井筒容積，約170 m3，建議使用壓井液體積在600 m3左右，因此該井選用壓井液密度1.50 g/cm3，排量6 000 L/min，所需壓井液體積為685 m3，鉆井泵使用計劃如表1所示。

圖8　泵排量與泵壓特性圖Fig.8 Characteristic diagram of pump displacement and pump pressure

表1　14P-220鉆井泵使用計劃Table 1 Drilling pump utilization plan

壓井過程如圖9所示，到A點井筒完成卸載，水下井口含氣率達到100%，按照上述選擇的排量及壓井液密度，開始動態壓井，到B點T1層井底流壓等于地層壓力T1層停產，到C點T2層井底流壓等于地層壓力T2層停產，繼續壓井直到D點水下井口無氣體產出，動態壓井結束。該曲線模擬壓井作業全過程，對壓井過程有了全面清晰的了解，當壓井過程中產生的一些突發情況時，可為采取的應對措施提供一定的參考。

圖9　動態壓井模擬Fig.9 Dynamic well killing simulation

4 結論Conclusions

（1）根據油藏參數計算IPR曲線是井噴模擬的關鍵基礎，對于資料缺乏的井按P90數據進行計算，本模型是按照最惡劣工況計算的，因此能滿足各種工況下的壓井作業。

（2）動態壓井模擬時首先確定最小壓井液密度，然后按照壓井流程不斷試算得出最大壓井液密度及對應的壓井排量，最終根據得出最小壓井液密度與最大壓井液密度得出壓井排量、壓井地面泵壓、壓井液所需體積之間的圖版。在壓井作業過程中，首先可根據平臺鉆井泵能力及鉆井液儲存能力選擇合適的壓井排量及壓井液密度，若無法滿足則應該考慮先用高密度壓井液后利用低密度壓井液的方式或者采用多口救援井、拖撬泵組的方式進行壓井。

（3）該模型可模擬壓井的全過程，對壓井過程有了全面清晰的了解，當壓井過程中產生突發情況時，可為采取的應對措施提供一定的參考。

符號說明

Nomenclature：

pbh為井噴井或者連通點處壓力，MPa；phbo為井噴井筒內混合液柱壓力，MPa；pwh為井噴井井口壓力，MPa；pfbo為混合流體在井噴井流通通道高速上返時由摩擦阻力，MPa；pf為井噴井儲層壓力，MPa；pfr為井噴井薄弱地破裂壓力，一般指最后一層套管鞋處破裂壓力，MPa；qr為井噴井產量，104m3/d；pwf為井噴井井底流壓，MPa；pwf0為井噴井初始條件下的井底流壓，MPa；qr0為井噴井初始條件下的產量，104m3/d；qrt為井噴井t時刻的產量，104m3/d；pwft-1為井噴井t-1時刻的井底流壓，MPa；n為計算步長，即從壓井點或者連通點到井口的分段數，無量綱；pdp為救援井鉆具地面壓力，MPa；phdp為救援井鉆具鉆井液在井底或者連通點的靜液柱壓力，MPa；ρmin為平衡地層壓力最小壓井液密度，g/ cm3；ρs為海水密度重1.03 g/cm3；ρ?為壓井液密度的安全附加值，氣井為0.07～0.15 g/cm3；ρkmin為最小壓井液密度，g/cm3；hf為面至井底垂深，m；hs為平均海平面至泥面深度，m。

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LI Shilun et al. Gas engineering［M］. Beijing：Petroleum Industry Press， 2000-08

（修改稿收到日期 2015-12-24）

〔編輯 薛改珍〕

Design method for dynamic well killing of deepwater relief well and its application
ZHAO Weiqing1， LIU Zhengli2， SONG Jiming1， HUANG Xiaolong1， JIANG Qingzhao2， PANG Donghao1

1. Engineering Company of CNOOC Energy Technology & Services Limited， Shenzhen， Guangdong 518606， China；2. Shenzhen Branch of CNOOC， Shenzhen， Guangdong 518067， China

The method of pumping killing fluid with different densities at high flow rate into blowout well through relief well is the first choice of well killing by relief well. This paper briefly sets forth the technical principle of dynamic well killing and provides the key points in dynamic well killing design and the method of equipment selection. The flow of dynamic well killing design was given in an example of one well， and the simulation of dynamic killing of multi-reservoir blowout was carried out under WCD （worst case discharge）. The paper also gives the methods for selection of killing fluid density， platform equipment， etc. based on dynamic well killing. It is thought that the deepwater dynamic well killing design should take into account the fluid types of blowout well， blowout flow channels， wellbore flowrate under the effect of water depth， etc. Compared with conventional well killing method， deepwater dynamic well killing method is characterized by large displacement （max. up to 12 m3/min）， high surface pump pressure （max. up to 26 MPa），large volume of required killing fluid （max. up to 2 100 m3）， etc. All these can be used as a reference to the concept of design of dynamic well killing through relief well， drilling fluid pump on the platform， drilling fluid storage capacity， equipment selection， etc.

deepwater drilling； relief well； dynamic well killing； flow channels； equipment selection

ZHAO Weiqing， LIU Zhengli， SONG Jiming， HUANG Xiaolong， JIANG Qingzao， PANG Donghao. Design method for dynamic well killing of deepwater relief well and its application［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（1）： 186-191， 200.

TE22

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0186-05

10.13639/j.odpt.2016.02.011

“十二五”國家重大專項子課題“深水鉆完井及其救援應用技術研究”（編號：2011ZX05026-001-04）。

趙維青（1985-），2007年畢業于西南石油大學石油工程學院石油工程專業，現主要從事海上石油鉆完井監督及設計工作。通訊地址：（518606）廣東省深圳市南山區蛇口太子路金融中心7樓。電話：0755-26023856。E-mail：zhaowq@cnooc.com.cn

引用格式：趙維青，劉正禮，宋吉明，黃小龍，姜清兆，龐東豪.深水救援井動態壓井設計方法及應用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：186-190，200.