基于事件树的深水钻井呼吸效应识别研究

李成，吴谦，苑晓荣

1.中国石油大学（华东）石油工程学院（山东青岛266580）2.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院（河南濮阳457000）

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基于事件树的深水钻井呼吸效应识别研究

李成1，吴谦1，苑晓荣2

1.中国石油大学（华东）石油工程学院（山东青岛266580）
2.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院（河南濮阳457000）

为识别深水钻井过程中发生的呼吸效应，对其发生机理进行研究，分析呼吸效应的过程特征。从钻井液密度、钻速、关井立压套压、外溢速度和外溢量等5个参数出发，将其与溢流进行对比。应用事件树分析方法，以外溢量和关井立压套压作为判断标准，建立了基于事件树的深水钻井呼吸效应识别方法。该方法将深水钻井过程中可能引起井口处发生外溢的5种情况的原因甄别为4种，其中两种确定是发生呼吸效应，一种确定是发生溢流，一种疑似呼吸效应，一种疑似地层流体侵入，分别按照继续钻进、关井压井和用原钻井液循环这三种方法进行处理。该研究有助于深水钻井现场作业时更加快捷识别呼吸效应，并能够及时采取相应措施，避免深水井控事故的发生。

呼吸效应；溢流；事件树；深水钻井；压井

呼吸效应是深水钻井过程中发生的一种极易与溢流相混淆的现象，处理不当会造成时间和资金的损失[1]。自20世纪80年代末以来，Gill[2]、Ram Ba⁃bu[3]、Lavrov和Tronvoll[4]、Ozdemirtas[5]、Shahri[6]等人针对陆地天然裂缝性地层，开展了呼吸效应机理和影响因素的研究。林雍森[1]应用决策树分析法建立深水钻井过程中呼吸效应的识别方法，但部分分支有待商榷。鉴于此，笔者在对呼吸效应与溢流进行对比定性分析的基础上，采用事件树分析法，建立了深水钻井呼吸效应与溢流的甄别方法。

1 深水钻井呼吸效应发生机理与危害

1.1呼吸效应的机理及特征

所谓的呼吸效应就是在正常钻进循环时，部分钻井液漏失进地层中，在循环停止后，之前漏失进地层中的钻井液回吐到井筒内，从而在井口观察到钻井液外溢的现象[1，5]。深水浅部地层压实程度低，压力窗口窄，致使井内钻井液循环当量密度易达到地层破裂压力当量密度而产生新的裂缝，再加上天然裂缝重新张开，钻井液产生漏失。循环停止后，井内压力减小，裂缝闭合，之前漏失的钻井液回吐进井筒内，进而观察到外溢的现象[7]。

呼吸效应的特征可以概括为，当钻井液当量循环密度超过地层破裂压力当量密度时发生漏失，并在钻井液当量循环密度低于地层破裂压力时会有钻井液回吐；另外，由于裂缝存储空间有限，及地层与井筒内压差值有限，所以漏失和回吐量均是有限的，且漏失和回吐量几乎相等。

1.2呼吸效应的危害

呼吸效应的危害主要表现在它和溢流的误判。如果将呼吸效应误判为溢流，则会直接关井、压井。这一过程耗时很长，对于深水钻井来说，由于其平台作业费相当高，如果误判的话就会带来高昂的资金损失。此外，由于深水浅部地层较为脆弱，如果发生的是呼吸效应而又加重钻井液循环的话，无疑会对地层造成一定的破坏，甚至会导致井漏事故发生[7]。相反，如果发生的是溢流，且没有按照规定进行关井、压井，那将会发生井涌甚至是井喷。

2 呼吸效应与溢流对比分析

溢流是因地层流体侵入井内引起井口返出的钻井液量比泵入量大，停泵后井口钻井液自动外溢的现象[8]。对比呼吸效应与溢流可以发现，两者所引起的现象在最初的时候都是井口外溢。但溢流是地层流体侵入导致环空钻井液密度降低，环空液柱压力下降。而呼吸效应中回吐到井筒内的流体是之前漏失进地层中的钻井液，呼吸效应前后钻井液密度是保持不变的[9]。

关井期间，钻柱内、环空以及地层这三处压力的关系满足下列平衡式[10]：

式中：psp为关井立管压力，MPa；phi为钻柱内静液柱压力，MPa；po为地层压力，MPa；psa为关井套管压力，MPa；pha为环空内气液混合静液柱压力，MPa。

如果发生的是呼吸效应的话，回吐的是原钻井液，密度没有变化，从而phi和pha必然相等，对应的psp和psa也相等。

由于回吐的钻井液量几乎等于之前的漏失量，因此在压差作用下，井口处观察到钻井液的外溢是会逐渐减小直至停止，而对于溢流来说，外溢会越来越严重，如图1所示。呼吸效应与溢流的区别见表1。

3 深水钻井呼吸效应识别方法的建立

林氏方法[1]仅将环空摩阻作为判断标准，但现场很难进行实测和准确计算。笔者以外溢量和关井立压、套压作为判断依据，应用事件树分析法建立甄别呼吸效应和溢流的方法。

图1 外溢量与时间的关系示意图

表1 溢流与呼吸效应各项参数对比表

3.1呼吸效应事件树建立

事件树分析是一种按事件发展顺序推导所有可能发生后果的分析方法，其中所有事件在顺序上存在着因果的逻辑关系[10]。根据之前所分析的呼吸效应的机理，以及与溢流的区别，采取4个步骤来识别呼吸效应，绘制事件树如图2所示。

3.2呼吸效应事件树分析

如图2所示，将井口出现钻井液外溢现象的5种情况的原因甄别为4种，具体分述解释如下。

A：井口观察到有钻井液外溢后，如果外溢在到达警戒量之前停止，则说明为呼吸效应，此时可以继续作业。

图2 呼吸效应甄别事件树

A_BCD：如果外溢量即将达到警戒值且无停止的征兆，为了井控安全需要立即关井。关井后如果测得关井立压为零，说明原钻井液密度足以平衡地层压力。此时观察关井套压，如果关井套压为零则可以开井，放出少量钻井液便无流动或者流动明显减小，说明此时发生的是呼吸效应，情况恢复正常后可以继续钻进。

综上所述，结合事件树图的分析结果，判断为呼吸效应的情况为A，；判断为溢流的情况为；疑似呼吸效应的情况为；疑似地层流体侵入的情况为。可以继续钻进的情况为A，；需要进行压井作业的情况为；需要用原钻井液循环的情况为。

4 结论

1）在研究深水钻井呼吸效应发生机理基础上，从钻井液密度、钻速、关井立压套压、外移速度和外溢总量等参数方面，开展了呼吸效应和溢流的定性对比分析。

2）根据呼吸效应和溢流发生的事件顺序，以外溢量和关井立压套压作为判断参数，建立了深水钻井呼吸效应和溢流甄别的事件树。

3）根据所建立的事件树，将深水钻井过程中井口出现钻井液外溢现象的原因甄别为二种呼吸效应、一种溢流，一种疑似呼吸效应，一种疑似地层流体侵入，并分别按照继续钻进、关井压井和用原钻井液循环这三种方法进行处理。

4）仅从定性方面进行研究，未对呼吸效应的机理和影响因素进行定量分析。另外未针对呼吸效应的某个机理或影响因素单独进行研究，这将是下一步研究的主要任务。

[1]林雍森.深水井控中地层呼吸效应的识别与处理探讨[J].海洋石油，2014,34（1）：72-76.

[2]Gill JA.How Borehole Ballooning A lters Drilling Responses [J].Oil&Gas Journal,1989,87(11):43-52.

[3]Ram Babu.Effect of P-ρ-T behavior ofmuds on loss/gain during high-temperature deep-well drilling[J].Journal of Pe⁃troleum Scienceand Engineering,1998,20(1):49-62.

[4]Lavrov A,Tronvoll J.Mechanicsofborehole ballooning in nat⁃urally-fractured formations[C]//SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference.Society of Petroleum Engineers, 2005.

[5]Ozdem irtas M,Babadagli T,Kuru E.Numerical Modelling of Borehole Ballooning/Breathing-Effectof Fracture Roughness [C]//Canadian International Petroleum Conference.Petro⁃leum Society of Canada,2007.

[6]Shahri M P,ZeyghamiM,Majidi R.Investigation of fracture ballooning and breathing in naturally fractured reservoirs:ef⁃fect of fracture deformation law[C]//Nigeria Annual Interna⁃tional Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engi⁃neers,2011.

[7]Majidi R,Miska SZ,Yu M,et al.Fracture ballooning in natu⁃rally fractured formations:mechanism and controlling factors [C]//SPEAnnual Technical Conference and Exhibition.Soci⁃ety ofPetroleum Engineers,2008.

[8]刘刚，金业权.钻井井控风险分析与控制[M].北京：石油工业出版社,2011：3,12-13.

[9]陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术[M].东营：中国石油大学出版社,2000：232-237.

[10]陈国华.风险工程学[M].北京：国防工业出版社,2007：124-126.

Themechanism and the characteristics of the breath effect in deepwater drillingare studied in order to effectively identify it. Five parameters of drilling fluid density,drilling speed,shut-in casing pressure and riser pressure,overflow rate and overflow quantity when breath effecthappens are compared with thosewhen overflow happens.Takingoverflow quantity and shut-in casing pressure and riser pressure as judging standard,the identificationmethod of the deepwater drilling breath effectwas established based on the event treeanalysis.The causes leading to the leakageat thewellhead in the deepwater drilling processare classified 5 types,among them,two types are caused by breath effect,one type is caused by overflow,one type is doubted tobebreath effect,and one type is doubted to be formation fluid invasion.And they are dealtwith separately according to continuing drilling,shuttingand killingwell and circulatingus⁃ingoriginaldrilling fluid.Thisstudy ishelpful to themore rapid identification ofbreath effect in deepwater drillingand to take appropri⁃atemeasures in time to avoid the occurrence of deepwaterwell controlaccidents.

breath effect;overflow;event tree;deepwater drilling；wellkilling

王梅

2016-01-15

李成（1991-），男，主要从事井控风险评价方面的研究。