深水钻井中浅层水流的预防与控制方法.pdf

第 3 3卷 第 1 期 2 0 1 1年 1月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LL I NG PRODUCT1 0N TECHNOLOGY V0 1 ． 33 No ．1 J a n ．2 0 1 1 文章编 号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 1 0 1 0 0 1 9 0 4 深水钻 井 中浅层水流 的预 防与控 制方法 张 辉 高德利 刘 涛 唐海雄 1 ． 中国石油大学石油工程学院 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中海油深圳分公司 ， 广 东深圳5 1 8 0 6 7 摘要浅层水流是深水钻井中常见的地质灾害之一， 由此所造成的经济损失是十分 巨大的。如何避免和减轻可能要面对 的浅层水流灾害是一个很有挑战性的课题。因此非常有必要开展相关预防与控制方法研究。介绍了诱发浅层水流的4种机理， 分别为 高压砂体机理 、 裂缝诱 导机 理、 流体储 藏诱导机理 以及 高压传递机理 。根据 浅层砂体 的特 性和浅层 水流诱 导机理 ， 提 出了浅层水流钻前预 防方法和钻井过程 中浅层 水流预防方法 。针 对 已识 别的浅层水 流， 归纳 总结 了控 制浅层水流发 生的 5 种 方法 提 高钻井液 密度 、 使 用海底 分流器 、 使 用化 学钻 井液 、 泡沫胶结 固井以及使 用导 管穿过 浅层水流层 。该研 究对于深水钻 井中有效地预防和控制浅层水流的发生具有重要意义。 关键词深水；浅层水流； 诱导机理；高压砂体 ； 泡沫水泥 中图分类号 T E 5 2 文献标识码 A Pr e v e n t i o n a nd c o n t r o l me t ho ds f o r s ha l l o w wa t e r flo w i n de e p wa t e r d r i l l i n g Z H A NG H u i ， G A 0 De l i ， L I U T a 0 ， T A N G H a i x i 0 n g 1 ． De p a r t me n t o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 C NO OC S h e n z h e n B r a n c h ， S h e n z h e n 5 1 8 0 6 7 ， C h i n a Ab s t r a c t S h a l l o w wa t e r fl o w S WFi s a k i n d o f c o mmo n g e o l o g i c a l h a z a r d s i n d e e p wa t e r d ril l i n g ， wh i c h h a s c a u s e d a l a r g e a mo u n t o f fi n a n c i a l l o s s ． De e p wa t e r h y d r o c a r b o n r e s o u r c e i s b e i n g e x p l o r e d i n Ch i n a ， a n d i t i s a v e r y c h a l l e n g i n g i s s u e t o a v o i d a n d a l l e v i a t e t h e p o t e n t i a l h a r m o f S W F ． S o i t i s e s s e n t i a l t o s tud y o n t h e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l me t h o d f o r S WF ． F o u r d i f f e r e n t me c h a n i s ms c a us i ng S W F we r e i n t r o du c e df r a c t ur e i nd uc i ng ，s t o r a ge i nd uc i ng ，ge o pr e s s ur e d s a n ds i n c o nd uc t or i n t e r v a l s a n d t r a ns mi s s i o n o f g e o p r e s s u r e t h r o u g h c e m e n t c h a n n e l s ． Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f g e o p r e s s u r e d s a n d s a n d t h e me c h a n i s ms c a u s i n g S W F , t h e c o r r e s p o n d i n g p r e c a u t i o n s o f S W F b e f o r e d r i l l i n g a n d i n t h e p r o c e s s o f d r i l l i n g we r e p r o p o s e d ． Ba s e d o n t h e i d e n t i fi e d S W F , fi v e me a n s f o r p r e ve n t i ng SW F we r e s u mma riz e d i nc r e a s i n g mud we i g ht ，us i ng a s e a flo o r di ve r t e r , us i n g c he mi c a l g r ou t ，c e me n t i ng wi t h f o a me d s l u r r y a n d d r i v i n g t h e c o n d u c t o r t h r o u g h t h e S W F z o n e ． T h e r e s e a r c h p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n p r e v e n t i n g a n d c o n t r o l l i n g t h e d e e p wa t e r S W F e f f e c t i ve l y． Ke y wo r d s d e e p wa t e r ； s h a l l o w wa t e r fl o w； c a u s i n g me c h a n i s m ； g e o p r e s s u r e d wa t e r s a n d s ； f o a m e d c e me n t 浅层水流 S h a l l o w Wa t e r F l o w， S WF 出现在深 水超压 、 未 固结砂层中， 是深水油气开发 中常遇到的 地质灾害问题。其压力之高以至于在井孔 内产生强 大的砂水流 ， 导致钻井 的巨大损失。高压砂层 的这 种现象通常发生在海底以下较浅 泥线下 2 5 0 1 2 0 0 1T I 的深度范围内， 因此称其为 “ 浅水流 ”或 “ 浅层 水 流 ” 。据统计 ， 在墨西哥湾 1 2 3口深水井 中有 9 7 口井存在浅层水流问题 ， 其 中有 3 0口井 因浅层水流 问题而无法完成钻井。在里海 、 挪威海及北海同样 报道了浅层水流问题 ， 。 国家重大专项项 目国家油气重大专项 “ 海洋深水油气田开发 工程技 术 ” 项 目 编号 2 O 0 8 z xO 5 O 2 6 。 作者简介 张辉 ， 1 9 7 1年生。1 9 9 4年毕业于石油大学 华东 钻 井工程专业 ， 现主要从事油 气井信息 开发与应 用方 面的研 究， 博士 ， 副教授。 电话 0 1 0 8 9 7 3 3 7 0 2 。E ma i l z h a n g h u i 3 7 0 2 1 6 3 ．c o m。 2 0 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 1月 第 3 3卷 第 1 期 目前 ， 国外许多 国家都 已经将深水油气勘探作 为新的油气增长点 ， 而深水钻井 中出现的地质灾害 问题 已引起深水油气开发者 的重视。在墨西哥湾频 频发生的浅层水流灾害就是其中之一。浅层水流的 危害可概括为以下几点 1 冲蚀浅部地层 ， 导致井 口失稳； 2 冲蚀套管 ， 严重时导致套管弯 曲破裂； 3 引起井涌、 井喷等井控问题； 4 延长钻井作业的非 生产时间， 造成严重的经济损失。因此 ， 国内在进入 深水钻探领域之际， 开展浅层水流预防与控制方法 研究具有重要意义。 1 浅层水流诱导机理 浅层水流形成的必要条件是海底必须存在被低 渗透率 的泥岩或泥 页岩封闭的浅层水流砂体 ， 该砂 体在外界条件 的持续作用下产 生异常超压。因此 ， 浅层水 流的发生需要有 3个条件 砂质沉积物 、 有 效 的封闭层和异常高压 _ 5 J 。根据大量的文献调研 ， 引发浅层水流 的机理可归纳为以下 4种 1 高压砂体机理 。深水钻井 时， 在下入隔水管 和 防喷器之前钻遇高压砂体是 引发 S WF的主要原 因， 这种机理引发的浅层水流通常造成的损害较大 ； 2 裂缝诱导机理。套管鞋处产生的压力超过了 地层孔隙压力 ， 从而导致裂缝的产生， 为井内流体流 到井筒表面提供了通道 ； 3 流体储藏机理。在钻进或者下人套管时， 钻 井液液柱充填了正常压力下大孔隙可渗透性砂岩或 者粉砂岩层。当循环停止时 ， 被填充的地层压力高于 井筒 内的液柱压力， 导致流体回流 ， 诱发浅层水流。 4 高压传递机理 。套管胶结失败 ， 高压通过水 泥孔道传递到井筒 内， 诱发浅层水流。 目前 ， 大部分 的浅层水流都是 由于钻遇高压砂 体所 引起 的。综合前人的研究成果 ， 浅水流层 中异 常高压 的形成常常是多种因素综合作用的结果 ， 这 些 因素与地质作 用、 构造作用 和沉积速度等有关。 目前 ， 被普遍公认 的成因主要有快速沉积压实 、 水热 增压 _ 7 ] 、 构造作用 ] 、 成岩作用等 。另外 ， 海底天 然气水合物 出现的位置大致和 S WF出现 的位置相 当， 因此天然气水合物的分解也被认 为是造成 S WF 砂体的高孔隙压力的一个原因 ’ 。 2 浅层水流预防方法 2 ． 1 钻前预防方法 浅层水流钻前预防的关键是 根据地层 的地球 物理特性钻前识别和预测 S WF 。浅层水流层具有高 孔隙度 、 低密度、 高渗透率以及超高压等特点， 在地球 物理属性上表现为高的 值或者高的泊松 比 ] ， 这已被许多研究所证实。通过大量的文献调研 ， 浅层 水流层的识别标志可概括为 4个方面 1 存在位置 是否合适。 浅层水流多发生在泥线下 2 5 0 ～ 1 2 0 0 m处。 2 堤 否为快速沉积区。浅层水流层的沉积速率较高 ， 大于每百万年 5 0 0 英尺。 3 是否存在异常高压。浅 层水 流层是异常高压的 ， 且存在封闭层。 4 v／ 是 否较大。浅层水流层有高的 值 ， 可以达到 1 0的 数量级甚至更高 ’ ， m ， 如图 1 所示。 篁 划 燃 蜒 图 1 浅 层 水 流 区与 高 v／ v 值 对 应 利用钻前地震 资料来预测地层孑 L 隙压力 ， 从而 来识别高压砂体 ， 也可帮助预测浅层水流。常用 的 方法有 伊顿法和 F i l l i p p o n e 法 ， 虽然预测压力的常 规方法并不是专 门针对浅层水流 的， 但对预测浅层 水流的存在性有很大的帮助。 2 ． 2 钻井过程中预防方法 在钻井过程中， 对于深水浅层水流的预防 ， 需要 根据上文所述的 4种不同的诱导机理 ， 提出不同的 预防方法。 针对裂缝诱 导机理 ， 预防浅层水流发生的关键 是 准确地预测地层破裂压力 ， 防止裂缝 的产生。在 钻进过程 中保持井 眼清洁 ， 防止岩屑在环空堆积 ， 从 而防止人为引起的地层破裂和地层能量积累。 针对流体储藏机理， 预防浅层水流发生的措施 是使失水量 、 E C D、 钻井液密度和激动压力最小化 ， 从而减少诱发流体填充地层孔隙的发生机率 。 对 于高压传递机理所诱发 的浅层水流， 可设计 一 个有效固井方案来防止高压沿水泥孔隙的传递。 如果钻遇高压砂体， 则应该根据不 同的情况， 采 用不同的处理方法。 1 若高压砂体位置确定 ， 预防浅层水流发生的 措施是 下套管 到高压砂体之上 ， 然后下防喷器 和 隔水管钻进。若高压砂体位置不确定 ， 则可先钻领 眼来了解地层情况。 张辉等深水钻井中浅层水流的预防与控制方法 2 1 2 在一些情况下 ， 井身结构设计要求钻穿 已识 别的浅层高压砂体并下入表层套管 。尽管这个方法 危险性较大 ， 但是采用有效固井技术可以实现。 采 用 这 个方 法 的 时候 ， 推 荐 做 法 如 下 a ． 用 MWD工具钻进 ， MWD电阻率和伽马工具来探测是 否存在砂岩体 ； b ． 对每个砂体都进行流体检测直到 确定钻至异常高压层的顶部； C ． 如果井喷 ， 立刻用重 钻井液压井 ， 储备两倍井筒体积的压井液 ； d ． 尽可能 的减小循环次数， 因为每次驱替都可能对高压砂层 处造成井径扩大 ； e ． 确定末段钻井液可以覆盖所有 的高压层 ； f在两个管柱间使用机械封隔器来 阻止 井 口溢流的发生。 3 浅层水流控制方法 针对 已识别 的浅层水流 ， 控制浅层水流 的发生 具有重要意义。通过大量 的文献调研 ， 可归纳总结 出 5种控制方法。 1 尽可能提高钻井液密度 ， 抑制浅层水流发生 。 2 使用海底分流器。海底分流器能够将回压加 在高压砂层 ， 从而阻止浅层水流 的发生。但 过高的 回压可能会导致井漏 ， 甚至会导致油井扩径的产生 ， 如图 2所示。 图 2海底分流器 3 使用化学钻井液。这种解决办法是将化学钻 井液填充在含水砂层的孔 隙中， 堵塞流体通道 的同 时也使胶结不好 的砂层更稳固。 化学钻井液凝 固后 ， 钻井作业便可继续 ， 如图 3所示 。 j 鳜 ⋯一 图 3 A MS化学钻井液处理 S WF砂 层过程示意 图 4 泡沫胶结法 。泡沫水泥的密度可调 、 强度高 、 可膨胀填充、 黏性大并且在低温下可 以快速凝 固， 因 此泡沫水泥有时能够成功阻止浅层水流的发生。浅 层水流泡沫固井采用高速喷射稳定剂 工艺 ， 即将水 泥浆 、 橡胶 或者其他稳定材料 由钻杆 喷射 到高压砂 层井眼扩大部位 ， 待完全将井眼扩大部位密封好之 后 ， 把钻杆取出并进行循环来清洗钻杆 内部。待水 泥完全凝 固后 ， 可安全钻穿水泥继续钻进。具体步 骤如 图 4所示 。 图 4高速喷射稳定剂工艺 5 使用导管穿过 S WF地层 ， 以消除 S WF流动 环空 ， 如 图 5所示 。驱动导管 的方式 有两种 顶部 打桩 和底 部驱 动。将 导管下人 至 泥线 以下 1 8 2 ． 8 8 m， 大多数情况下是可行 的， 两种驱动方式都可 以实 现。在一些情况下， 通过底驱将导管下至泥线以下 6 7 0 ． 5 6 m 在技术上是可 以实现的 ， 但实现这一 目的 需要很长的时间和非 常高 的成本 ， 而顶驱方式 不能 将导管下至 6 7 0 ． 5 6 m。 图 5 在 浅层 水流 区下入导 管 4 结束语 1 诱导浅层水流发生的机理主要有 4种 高压 砂体机理 、 裂缝诱导机理 、 流体储藏诱导机理 以及高 压传递机理 ， 其 中高压砂体是 引起浅层水流发生的 最 主要 原 因。 2 根据浅层砂体的地球物理特性和浅层水流诱 导机理 ， 提出了浅层水流钻前预防方法 和钻井过程 中浅层水流预防方法 。 2 2 石油钻采3 - 艺 2 0 1 1 年 1 月 第 3 3卷 第 1 期 3 针对已识别的浅层水流 ， 归纳总结了控制浅 层水 流发生 的 5 种方法 提 高钻井液密度 、 使用海 底分流器 、 使用化学钻井液 、 泡沫胶结固井以及使用 导管穿过 S WF层。 参考文献 [ 1 ] 刘志斌， 郝召兵， 伍向阳 ． 深水钻探面临的挑战浅层 水流 灾害问题 [ J ]． 地球 物理 学进展， 2 0 0 8 ， 2 3 2 5 5 2 55 8． [ 2 ] 董冬冬， 赵汗青， 吴时国， 等 ． 深水钻井中浅层水流灾害 问题及 其地球 物理识 别技术 [ J ]． 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t u r e i n d e v e l o p m e n t o f a b n o r ma l p r e s s u r e z o n e s l J j． AA P G B u l l ， 1 9 7 2 ， 5 6 2 0 6 8 2 0 7 1 ． [ 8 ] 戴启德 ， 黄玉杰 ． 油田开发地质 学 [ M ]． 山东东营石 油大学出版社 ， 1 9 9 9 1 2 2 3 4 2 3 8 ． 1 9 J HU F F MA N A R， C A S T A G NA J R T h e p e t r o p h y s i c a l b a s i s fo r s h a l l o w wa t e r fl o w p r e d i c t i o n u s i n g m u l t i c o mp o n e n t s e i s mi c d a t a l J j． T h e L e a d i n g E d g e ， 2 0 0 1 1 0 3 0 1 0 3 6 ． 1 1 0 j MAL L I CK S ， DUT T A N C． S h a l t o w wa t e r f 1 O W pr edi ct i on us i ng pr es t ac k wave f or m i nve r s i on of c o n v e n t i o n a l 3 D s e i s mi c d a t a a n d r o c k mo d e l i n g[ J ]． T h e L e a d i n g Ed g e ， 2 0 0 2 ， 2 1 7 6 7 5 6 8 0 ． 修 改稿收到 日期2 0 1 0 ． 1 1 0 3 [ 编辑薛改珍 ] | ． | ． 上接第 1 8页 6 结论 1 气体钻井携岩关键点处 由于边界层分离而 形成尾 涡 回流 区， 岩 屑在这 些 回流 区容易滞 留、 堆 积， 导致携岩不畅。 2 气体 流经钻头喷嘴处 ， 由于截面突然增 大， 气体压力 突然 减小 ；气体 流经钻杆与钻铤交 接面 处 ， 压力 、 速度都相应地减小 ， 在此处的气体携岩动 能最小 ， 环空岩屑浓度最大 。 3 最小气量 的选择应该 以携岩关键点处所需 的最小能量为一个参考依据。 [ 3 ] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] 参考文献 l 8j [ 1 ] I KO K U C HI U， A Z A R J J ， WI L L I AMS C R A Y ． P r a c t i c a l a p p r o a c h t o v o l u me r e q u i r e m e n t s for a i r a n d g a s dri l l i n g [ R]． S P E 9 4 4 5 ． [ 2] WE I S MAN J ， KANG S Y ． F l o w p a t t e r n t r a n s i t i o n s i n v e r t i c a l a n d u p wa r d l y i n c l i n e d l i n e s[ J J． I n l J M ul t i ph a s e Fl ow,l 9 81 ．7 2 71 291 ． ANS ARI A M ．e t a 1 ． A c o mpr e h e ns i v e me c h a ni s t i c mo de l f o r u p wa r d t wo p h a s e flo w i n we l l b o r e s l R J． S P E 206 3 0一 M S． 20 02 ． LAGE A C V M ．TI M E R W ．M e c ha ni s t i c mode l f or u p wa r d t o w p h a s e fl o w i n An n u l i l C] ． S P E 6 3 1 2 7 ． HAS AN KABI R． A s t u d y o f mu l t i p h a s e flo w b e h a v i o r i n v e r t i c a l we l l s[ J ]． S P E P r o d u c t i o n E n g i n e e r i n g ， 1 99 8 0 5． SCHOEPPEL ROGER J ．SAPRE ASHOK R．Vol u m e r e q u i r e me n t s i n a i r d r i l l i n g l R J． S P E 1 7 0 0 ． M I TE HEL L R F ． S i mu l a t i o n o f a i r a n d m i s t d r i l l i n g f o r g e o t h e rm a l we l l s【 R J． S P E 1 0 2 3 4 ． 赵向阳， 孟英峰， 李皋， 等 ． 充气控压钻井气液两相流流 型研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 0 ， 3 2 2 1 0 ． 修改稿收到 日期2 0 1 0 1 1 - 0 3 [ 编辑薛改珍 ]