南海深水海域避台风期间井控安全作业周期研究

王金波， 王志远， 张伟国， 谢 华， 孙宝江

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580；2.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518067)

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南海深水海域避台风期间井控安全作业周期研究

王金波1， 王志远1， 张伟国2， 谢 华2， 孙宝江1

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580；2.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518067)

我国南海深水海域夏季台风活动频繁，在撤离平台避台风期间，井筒中流体长时间处于静止状态，如果气体侵入井筒并上升至风暴阀处，给解封、开井作业带来较高的井控风险。为此，针对南海避台期间井控作业的特点，根据钻井液黏度、密度、表面张力、气泡直径以及壁面效应等因素对气体上升速度的影响，对拖曳力系数模型进行了修正，建立了避台风期间井筒内气体上升速度的计算模型，并对所建模型进行了验证，验证结果表明，模型计算结果与现场实测数据吻合较好。利用所建气体上升速度模型对避台风期间影响气体上升速度的因素进行了分析，结果表明，气体上升速度随井深的减小而增大，随钻井液密度增大而增大，随钻井液黏度增大而减小，随地层孔隙度增大而增大。结合我国南海实际情况，绘制了不同井眼条件下的安全作业周期图版，现场工作人员可通过该图版判断风暴阀下是否圈闭有高压气体，从而有针对性地采取井控措施。

深水钻井 台风 钻井液性能 地层参数 安全作业周期 数学模型

我国南海深水海域已成为继墨西哥、巴西和西非海岸深水油气勘探开发“金三角”之后，世界上第四大深水油气资源勘探海域。加强我国南海深水海域的油气勘探开发，不但拓展了我国石油工业发展的空间，也将为保障我国能源安全、推进海洋强国战略做出贡献[1-2]。我国南海海域为热带和亚热带气候，每年夏季台风活动频繁，大大增加了油气勘探开发的难度。每次撤离平台避台风前，除了关闭防喷器之外，还要在井筒内海床泥线以下100 m处放置一个可回收的风暴阀，风暴阀通过机械坐封后封闭钻具和环空间隙，方可安全撤离平台。避台风期间，尤其是在已经揭开了目的层的条件下，地层流体会侵入井筒，发生气侵、溢流的概率较高。这是因为，即使在井底压力大于地层压力的条件下，如果钻遇高渗透率、高产能的储层，且产层与井眼接触面积较大、静止时间较长，地层中的气体会通过气液两相的扩散与置换[3]进入井筒。进入井筒的气体在一定条件下上升并在风暴阀处聚集，避台风回来后进行解封、开井作业时井口压力较高，存在安全风险，对井控作业安全有较大的影响。从避台风开始至井筒内气体上升至风暴阀之前的时间，称之为安全作业周期。准确掌握避台风期间井控安全作业周期，是判断井下压力是否正常、能否进行解封开井作业的重要参考依据[4]。目前国内外尚未有关于避台风安全作业周期的研究报道，因此深入研究避台风期间井筒内气体上升速度，得到避台风期间安全作业周期，可为提前做好井控工作、降低井控风险，提供理论依据。

1 气体上升速度模型

气体上升速度是计算安全作业周期的核心参数之一。气体的上升速度会受到钻井流体性能参数(如密度、黏度、表面张力及气泡直径等)的影响，在建立气体上升速度模型时需要综合考虑这些因素。

1.1 拖曳力系数模型

拖曳力系数模型是描述气体在非牛顿流体中上升速度的重要方法。该模型的思路为，首先对气泡所受浮力和上升阻力进行受力分析，得到拖曳力系数与气体上升速度的函数式；然后结合试验或理论推导得到拖曳系数与雷诺数等准数的表达式；最后将两式联立，迭代求解得到气体的上升速度。

可通过气泡的受力分析推导得到气泡上升过程中拖曳力系数的表达式[5]：

(1)

式中：CD为拖曳力系数；ρl，ρg分别为液体和气体的密度，kg/m3；de为气泡的当量直径(与气泡具有相同体积的等效球体直径)，m；dh为气泡在水平投影上的直径，m；E为气泡变形率，E=de/dh；uB为气泡上升速度，m/s。

在以下计算中，假设气泡变形率E为1，即气泡当量直径de等于气泡在水平投影上的直径dh。

建立拖曳力系数与雷诺数的关系式的方法主要有Tzounakos法、Margaritis法、Rodrigue法和Rodrigue小雷诺数法[5-6]。

通过数值模拟计算结合试验数据对比发现，根据Margaritis法建立的拖曳力系数与雷诺数的关系式经过修正后，在计算不同黏度液体、不同直径气泡及不同密度液体条件下的气泡上升速度时，具有较高的精度。根据Margaritis法建立的拖曳力系数与雷诺数的关系式为：

(3)

式中：Re为雷诺数；μ为液体黏度，Pa·s。

式(2)与式(1)联立求解，即可得到无修正的气泡上升速度。

1.2 拖曳力系数模型的修正

(4)

1.3 气泡直径的确定

从式(1)及式(2)可以看出，气泡的上升速度与气泡直径有关。若忽略气泡在上升过程中的聚并和破碎，在已知进入井筒的初始气泡直径的基础上，可通过气体状态方程计算得到井筒中任一位置处的气泡直径。

气泡的初始直径与地层的孔隙直径有关[8]，其计算式为：

(5)

式中：dei为气泡的初始直径，m；σ为表面张力，N/m；D0为孔隙直径，m；ρg为气体密度，kg/m3。

经过统计大量砂岩岩心的孔隙直径与孔隙度，得到两者的关系式为：

D0=(17.396φ2+0.927 3φ-0.019)×103

(6)

式中：φ为地层孔隙度。

将式(6)代入式(5)，得到地层孔隙度与气泡初始直径的关系为：

(7)

结合气体的状态方程，可得到任一位置处的气泡直径为：

(8)

式中：deh为井筒任一位置处的气泡直径，m；Zh为井筒任一位置处的气体压缩因子；Th为井筒任一位置处的温度，K；ph为井筒任一位置处的压力，Pa；Z0为井底处的气体压缩因子；T0为井底温度，K；p0为井底处的压力，Pa。

2 模型的验证

南海海域某高温高压气井实钻井深2 615 m，井眼直径212.7 mm，钻井液密度2.0 kg/L，钻井液黏度27 mPa·s，通过测后效测得气体上窜速度115.0 m/h。根据地质设计报告，该井地层孔隙度20.4％～23.4％。利用上述模型计算气体上升速度，并与现场实测的气体上升速度进行对比，结果见表1。

从表1可以看出，当孔隙度取该井地层孔隙度范围中的2个极端值时误差偏大，但取中间值时误差仅为5.4％，说明模型计算结果与现场实测数据吻合较好。

表1 模型计算结果与现场实测数据对比

3 避台风期间气体上升速度的影响因素分析

3.1 基本数据

为了研究避台风期间气体上升速度受钻井液流变参数、地层物性参数的影响规律，选取南海东部某气井的基本数据：井深3 500 m，水深300 m；钻井液密度1.1 kg/L，钻井液黏度20 mPa·s；套管外径244.5 mm，内径222.4 mm，下入深度3 000 m；钻杆外径114.3 mm，内径97.3 mm；避台风期间钻具通过风暴阀悬挂于泥线以下150 m深处；钻头位于套管鞋处；井眼直径215.9 mm；地温梯度0.03 ℃/m；气层孔隙度15％。

3.2 影响因素分析

避台风期间，井口封闭，钻井液长时间处于静止状态，假设气体从井底3 500 m处侵入井筒，利用上述模型计算不同井筒深度处气体上升速度随钻井液密度、黏度和地层孔隙度的变化规律，结果如图1—3所示。

图1 不同钻井液黏度下气体上升速度随井深的变化曲线Fig.1 Curve of gas rising speed at different mud viscosity

图2 不同钻井液密度下气体上升速度随井深的变化曲线Fig.2 Curve of gas rising speed at different mud density

图3 不同地层孔隙度下气体上升速度随井深的变化曲线Fig.3 Curve of gas rising speed at different formation porosity

从图1和图2可以看出：在其他条件不变时，气体上升速度随井深的减小而略有增大，因为井深变浅环空压力变低，气泡直径变大，因此速度增大；但由于避台风期间井口是封闭状态，气体的膨胀受到抑制，因此气体上升速度随着井深的变浅增加不大；在其他条件不变时，气体上升速度随钻井液密度增大而增大，这是因为液体密度变大，气泡所受浮力增大，气体在浮力增大的作用下上升速度变大；在其他条件不变时，气体上升速度随钻井液黏度增大而减小，这是因为随着黏度的增大气泡所受的上升阻力变大，使其上升速度变小。

从图3可以看出，在其他条件不变时，随着地层孔隙度的增大，气体上升速度增大，这是因为较大的地层孔隙度往往伴随着较大的孔隙直径，而气泡的初始直径随着地层孔隙直径的增大而增大，气泡所受浮力增大，因此地层孔隙度较大时，气体上升速度也较大。

4 避台风期间不同工况下安全作业周期图版

利用气体上升速度计算模型，结合在钻井的基本参数即可计算得到气体上升至风暴阀处的时间，即安全作业周期。根据南海东部地区常用的井身结构参数、钻井液流变参数以及地层物性参数(见表2)，绘制了不同井眼尺寸、不同井深下安全作业周期图版(见图4)，为现场提供指导。

表2 不同井眼尺寸下钻井液流变参数和地层物性参数

图4 不同井眼尺寸下安全作业周期图版Fig.4 Chart of gas rising time at different hole size

以φ311.1 mm 井眼为例，说明该图版的使用方法。若φ311.1 mm井眼钻至井深5 000 m处时，需要下风暴阀避台风。由图4可知，气体由井深5 000 m处上升至风暴阀处的时间为216 h，即安全作业周期为9 d。当避台风时间小于9 d时，井筒内的气体还未上升至风暴阀处，在解除风暴阀时相对安全；当避台风时间大于9 d时，井筒内的气体已经上升至风暴阀处，使该处极有可能有高压气体，在解封风暴阀时应多加注意，以防止出现安全事故。当预计的避台风时间大于安全作业周期，可在下风暴阀之前向井底注入一段高黏液体段塞，降低气体的上升速度，延长安全作业周期，降低解封风暴阀时的风险。当预计的避台时间要小于安全作业周期，气体在此期间不会上升至井下风暴阀处，但解封开井过后，需立即关闭防喷器，进行节流循环作业，排除井筒内的气体，以保证井控安全。

5 结 论

1)针对南海避台风期间井控安全作业的工艺特点，综合考虑钻井液黏度、密度、表面张力、气泡直径以及壁面效应对气体上升速度的影响，对拖曳力系数模型进行了修正，建立了避台风期间的井筒内气体上升速度的计算模型，该模型计算结果与现场实测数据吻合较好。

2)气体上升速度随井深的减小而增大，随钻井液密度增大而增大，随钻井液黏度增大而减小，随地层孔隙度增大而增大。在撤离平台避台风之前，可以采取在井底注入高黏液体段塞的方法来降低气体的上升速度，从而延长气体上升时间，增大井控安全作业周期。

3)根据我国南海的实际情况，绘制了不同井眼条件下的安全作业周期图版，现场工作人员可通过图版查得安全作业周期，结合避台风时间，可判断井下风暴阀处是否圈闭气体，能否进行解封开井作业，以及是否需要进行节流循环排出井筒内气体等井控作业。

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WellControlSafetyOperationCycleduringTyphoonatDeepWatersofSouthChinaSea

WangJinbo1，WangZhiyuan1，ZhangWeiguo2，XieHua2，SunBaojiang1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong，266580,China；2.ShenzhenBranchCompany,CNOOC,Shenzhen,Guangdong，518067,China)

Typhoons frequent deep waters of South China Sea in summer.Drilling fluid in the well will stay for a long time when evacuating from platform during typhoon landing,and gas channeling into wellbore and rising up to the storm valve can bring high risk to well control during well unseal and open operations.Therefore,in view of the characteristics of well control operations during typhoon in the South China Sea,a variety of factors that affect the rising speed of the gas were considered,including drilling fluid viscosity,density,surface tension,bubble diameter and wall effect,etc.The drag coefficient model was modified to calculate the rising speed of the gas in the wellbore during typhoon.The model that calculates the rising speed of the gas was verified and the results showed a good agreement with field data.Factors that affect the rising speed of gas were analysed by applying the model,the results showed that gas rise velocity would go up with depth decrease and the drilling fluid density increase,and would go down with the increase of drilling fluid viscosity,but increase with formation porosity increase.According to the actual situation in the South China Sea,plots of safe operating cycle under different borehole conditions were drawn so that field staff could determine from these plots whether storm valve traps high-pressure gas,and take pertinent measures of well control.

deepwater drilling；typhoon;drilling fluid property；formation parameter；safety operation cycle；mathematical model

2013-03-01；改回日期2013-05-02。

王金波(1981—)，男，山东惠民人，2004年毕业于石油大学(华东)过程装备与控制工程专业，2007年获中国石油大学(华东)油气井工程专业硕士学位，在读博士研究生，主要从事深水溢流早期监测方面的研究。

联系方式：(0532)86981927，wbob516@126.com。

教育部“长江学者和创新团队发展计划”项目“海洋油气井钻完井理论与工程”(编号：IRT1086)、国家自然科学基金项目“页岩气储层超临界二氧化碳压裂裂缝中支撑剂输送机理研究”(编号：51104172)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“海洋油气钻探中的安全保障基础问题研究”(编号：13CX05006A)联合资助。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.010

TE21

A

1001-0890(2013)03-0051-05

[编辑 刘文臣]