墨西哥深水鹽下井呼吸效應識別及處理實踐

林志強，項明，張向華，張星星 (中國海洋石油國際有限公司，北京 100028)

0 引言

墨西哥區塊位于美國墨西哥邊境地區，地層復雜，如圖1所示。這是該公司首次在該地區進行深水鉆井作業。區域鹽層以次生鹽為主。層序變化大，厚度大，最大厚度可達3 100 m。由于鹽層向淺層的遷移，在鹽層中可能存在高壓鹽裂縫和裂縫帶的風險。同時，由于鹽層本身的特點，難以準確預測，鹽下地層的深度也具有很大的不確定性。窄壓力窗引起的呼吸效應和溢流特性復雜，容易產生井控安全問題。所謂呼吸效應，是指在正常鉆井作業的過程中，部分鉆井液被壓入到地層之中。而在停止循環后，之前被壓入到地層中的鉆井液會返回到井筒，從而在井口處表現出鉆井液外溢的現象[1]。

圖1 墨西哥灣深水鹽下井典型地質風險

1 深水鹽下井作業難點

(1)深水地層承壓能力弱。在相同井深下，深井壓裂壓力梯度減小，地層承壓能力變弱。

(2)深水井溢流監測困難。侵入井筒的油氣很容易溶解在使用油基或合成基鉆井液中。侵入的流體在這種情況下流入循環系統，此時并不會發生明顯的變化，使得要觀察溢流的發生需要很長時間。

(3)深水壓井窗口非常窄。相較于陸地情況，地層破裂壓力會隨水深的增加而降低，鉆井過程中由于安全窗口(破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之差)的變窄，從而導致井涌余量減少。

(4)深水呼吸效應初期作用的效果類似于溢流現象，但不同的是，鉆井液在呼吸作用下的溢出會逐漸停止，而溢流則溢出會變得越來越嚴重。

2 深水鹽下井呼吸效應形成機理

由于世界范圍內人們對呼吸效應的了解和研究有限，呼吸效應在國外被稱為Borehole Ballooning，但大多側重于陸地鉆井。呼吸效應即當循環鉆進時，呼吸效應在深水鉆井中循環當量鉆井液密度(ECD)達到或超過安全密度窗口的上限的情況下更容易發生。同理，呼吸效應由于地層的安全密度窗隨著水深增加的減小，導致其更容易發生。

目前對地層呼吸效應的廣泛認可的主流解釋是由于開泵循環條件和停泵靜態條件過程中產生的井下壓力波動從而導致裂縫的打開和閉合。

因此，為了研究呼吸效應的機理并采取預防措施，井內循環壓力的變化必須要首先做到確定和控制，主要包括環空循環壓力損失和鉆井液靜水壓力。

鉆井液循環當量密度(ECD)一般用來在工程實際中表示，即：

式中：ESD為靜態當量鉆井液密度(g/cm3)；ΔρLa為環空循環壓耗當量密度(g/cm3)。

其中深水鉆井井中溫度對鉆井液密度的影響不容忽視。深水溫壓場下鉆井液靜態密度預測計算模型國內外目前主要有兩種，一種是復合模型，該模型將鉆井液按照各組分分別在對應溫壓下鉆井液密度，但該方法較為復雜故實際應用性不強。另一種方法就是通過對大量試驗數據進行整合得出的經驗模型，只需對所應用鉆井液進行實驗確定系數，即可算出ESD。

若要計算整個循環過程中，鉆井液造成的壓力損耗，則需要確定不同鉆井液的流變模式，進而描述鉆井液在鉆柱內和環空中的流動，從而得到ECD所需的環空循環壓耗。

而針對地層呼吸效應的數學模型，則需要考慮裂縫的變形定律，即裂縫開度和流體壓力之間的關系：

式中：w是指定點的裂縫孔徑(m)；w0是線性化參數(m)；P是裂縫內部該點處的壓力(Pa)；Kn是裂縫開度增量與流體壓力增量的比例系數，稱為裂縫的法向剛度(MPa/m)。

然后根據質量守恒原理，則可以通過雷諾潤滑理論方程，得到地層呼吸效應的控制方程，即：

3 深水鹽下井呼吸效應處理分析

石油行業對井控的要求愈發嚴格，目前各石油公司的企標中均規定，若發現鉆井液外溢現象，立即關井處理。如果失誤將呼吸效應判斷為溢流從而進行關井壓井等作業，極大浪費作業成本。反之如果失誤將溢流判斷成呼吸效應而不壓井的話，則將會導致井控失事。中海油南海海上作業給出了判斷呼吸效應的原則：前提是必須有鉆井液損失，并且在溢流過程中回流速度逐漸降低。如果是否為呼吸效應還無法確定，則必須要遵循井控相關的程序進行關井。

2020年10月在墨西哥區塊S井施鉆時，在12-1/4 in井段發生溢流壓井，在兩套鹽之間包裹地層遇到異常高壓砂體，僅鉆入新地層74.7 m，其中鹽層30.5 m，鹽下泥巖44.2 m，未鉆遇砂巖地層，且鉆進期間無油氣顯示；結合鉆進期間觀測到的地層呼吸效應情況，初步判斷本次“溢流”為呼吸效應導致。29日15:30采取環空泄壓方式判斷驗證，如圖2所示：第一次泄壓，套壓從7.9 MPa降至6.3 MPa后升至7.8 MPa；第二次泄壓，套壓從8.2 MPa降至6.1 MPa后升至7.6 MPa；第三次泄壓，套壓從7.3 MPa降至5.2 MPa后升至6.5 MPa；第四次泄壓，套壓從6.5 MPa降至0；觀察循環池液面穩定，無溢流。現場確認本次溢流為呼吸效應導致。

圖2 井下呼吸效應驗證

29日15:30套壓釋放至0，立壓仍顯示6.5 MPa，未泄壓；根據鉆井船方井控檢查規定進行進一步“井控風險”排除操作：保持上萬能防噴器關閉，上下活動鉆具，觀察立壓無明顯變化；關閉閘板防噴器，循環檢查“BOP圈閉氣”，未發現圈閉氣；保持萬能防噴器關閉，計量罐觀察環空，無溢流；打開萬能防噴器，開井觀察，無溢流；循環一周檢查，未見異常。30日11:00“井控風險”排除，恢復起鉆作業。

4 深水鹽下井呼吸效應初步研究

本井的呼吸效應處理過程表明，亟需創建深水鹽下地層呼吸效應影響下的地層-井筒耦合模型，揭示呼吸效應導致井漏、溢流假象的本質，突破深水鹽下地層鉆井井涌難以準確識別的難題。在作業分析過程中，操作員使用事件樹進行分析。它是一種分析方法，根據事件的發展順序推斷所有可能的后果，其中所有事件在序列中都有因果邏輯關系。如圖3所示，從井下工藝設備分析、地層因素、人為管理因素三方面建立深水鹽下地層呼吸效應層次結構模型，基于鉆井液密度、鉆井速度、關井立壓力和套管壓力、溢流速度和溢流量五個參數，將其與溢流進行了比較。在隨后的深水鹽鉆井過程中，發生了兩次類似的井口鉆井液泄漏情況。根據建立的一種基于決策樹的深水鹽下鉆井呼吸效應對應識別方法，將其識別為呼吸效應和溢流，并按照連續鉆井和關井壓井的方法進行后續的處理。

圖3 墨西哥深水鹽下井呼吸效應處理決策樹

5 結論與建議

(1)深水鹽下井鉆井過程中在兩套鹽之間包裹地層遇到異常高壓砂體，形成下噴上漏，造成嚴重呼吸效應，浪費大量處理時間。

(2)根據建立的深水鹽下鉆井呼吸效應決策樹，確定后續深水鹽下鉆井中鉆井液溢流的原因為呼吸效應和溢流，并根據繼續鉆井和關井壓井進行處理。

(3)隨著石油勘探向深水鉆井和復雜地質條件下深井、超深井鉆井方向發展，基于決策樹的深水鹽鉆井呼吸效果識別方法的應用前景越來越廣闊。