深水救援井动态压井设计方法及应用

赵维青刘正礼宋吉明黄小龙姜清兆庞东豪.中海油能源发展股份有限公司工程技术公司； .中国海洋石油有限公司深圳分公司

深水救援井动态压井设计方法及应用

赵维青1刘正礼2宋吉明1黄小龙1姜清兆2庞东豪1
1.中海油能源发展股份有限公司工程技术公司； 2.中国海洋石油有限公司深圳分公司

通过救援井向井喷井高排量泵入不同密度的压井液进行压井的方法，已成为救援井压井方案的首选。简单阐述了动态压井技术原理，给出动态压井设计的关键点和设备选型的方法。通过1口井实例给出了动态压井设计的流程，并根据最恶劣工况（WCD： Worst Case Discharge）进行了多层储层井喷时动态压井模拟，基于动态压井给出了压井液密度、平台设备选择等方法。认为深水动态压井设计应考虑井喷井流体类型、井喷流通通道、水深影响下的井筒流量等因素。与常规压井方法相比，深水动态压井具有排量大（最大达到12 m3/min）、地面泵压高（最高达到26 MPa）、所需压井液体积大（最大达到2 100 m3）等特点，可以为救援井动态压井设计思路、平台钻井液泵、钻井液储存能力等设备选型提供参考。

深水钻井；救援井；动态压井；流通通道；设备选型

救援井是指井喷失控后，在距离井喷井附近一定的安全位置钻一口井至井喷井储层层顶部或井喷井井筒内的井［1］，通过注水泥、水淹、动态压井等方法使井喷井恢复正常作业或压封喷层的井［2-3］。

自1978年Mobil Oil公司在印度尼西亚Arun油田第一次通过救援井成功实施动态压井后，随着探测工具和定向井工具的发展，动态压井技术得到了广泛的应用，特别是1980年主动探测工具的出现和1988年旋转导向工具的出现，使救援井和井喷井直接连通的成功率大大提高。目前钻救援井直接与井喷井连通采用动态压井进行压井的技术已成为三级井控处理的首选方案［4-5］。

动态压井完全不同于常规压井，其主要特点是排量大（有时高达100 m3/min）、地面泵压高（150 MPa）及所需压井液体计量大［6-7］。为了能够模拟最恶劣工况下的情况，对多层储层流体在最恶劣工况下的井喷情况进行了动态压井模拟，研究探讨了动态压井设计的流程、压井液密度、排量及所需压井液体积的确定方法并形成了流程图版，根据图版可进行设备选型。

1 救援井压井技术介绍Introduction of well killing technique through relief well

1.1救援井压井技术发展

Development of well killing technique through relief well

救援井压井技术主要是随着定向井工具、磁探测工具发展而发展，主要可以分为3个阶段。早期利用斜向器钻2到3口以上的井至喷层顶部或者井喷井附近，通过：（1）救援井大排量泵水，形成冲刷裂缝；（2）救援井进行水力压裂；（3）救援井进行酸化压裂等方式，实现救援井与井喷井的连通，然后通过救援井大排量泵水，通过水淹等方法压井，对于深井、高油气比井、储层渗透率较低的井成功率低。中期利用特殊电缆探测工具或者被动探测工具找寻井喷井套管方法，使救援井直接与井喷井连通成为了可能，1978年Mobil Oil利用该技术第1次成功的应用了动态压井技术。后期1980年主动探测工具和1988年旋转导向工具的出现，使得救援井直接与井喷井连通已经不再受地层、岩性、轨迹控制、井眼不确定等因素的影响。1989年，北海2/4-14井通过旋转导向及磁探测技术只经过9次探测后就实现救援井与井喷井之间的连同，并通过动态压井技术成功实施了压井［8］。1998年多相流模拟软件OLGA的出现，使动态压井方法已经成为井喷压井的首选方案［9］。

1.2动态压井技术

Dynamic well killing technology

1.2.1原理 动态压井是指通过救援井向井喷井高排量泵入压井液，使压井液与喷出的地层流体形成的混合流体的静液柱压力、混合流体在井喷井流通通道内高速上返时产生的摩擦阻力以及井喷井井口压力3个压力之和不断接近地层压力，以减少井喷井产量。当井底压力等于地层孔隙压力时，地层流体不再进入井筒，继续泵入压井液直到有无污染的压井液返出井口时，压井结束。

1.2.2计算模型 通过动态压井的原理可知动态压井期间井底压力由三部分组成：（1）压井液与喷出的地层流体形成的混合流体的静液柱压力；（2）混合流体在井喷井流通道内高速上返时产生的摩擦阻力；（3）井喷井井口压力，如套压，存在水下井口时，海水静液柱压力等

选择合适的压井液密度和合理的压井排量是成功实施压井的关键，动态压井过程中需保持井底压力逐渐上升，但要小于地层破裂压力

对油藏参数，如渗透率、孔隙度、井眼尺寸、储层厚度、地层流体黏度、地层流体密度、地层压力和供给半径等参数预测，可求出井喷井的IPR曲线，进而得到不同井底流压下的产量。为了简单起见将产量表示为井底流压的函数

则初始条件下，即只有地层流体流动

当泵入压井液与地层流体混合后，流体密度增大，因此井底压力也增加，则可求出任意t时刻时井喷井产量为

将压井点或连通点到井口距离分为n段，根据混合流体在井筒中的流态可求出第i段混合液密度，继而求出井底压力，即流压

则由公式（6）、（7）可求出t时刻的产量为

式（8）可以看出，当pbh=pwf=pf时，地层产量为0，继续泵入压井液直到无污染的压井液从井口返出，此时井筒为单相流，压井结束。

1.3动态压井关键点

Key points in dynamic well killing

动态压井是通过压井/阻流管线从救援井环空泵入压井液进行压井，利用救援井钻具地面压力来检测动态压井期间井底压力是否大于地层压力。

pbh=pdp+ phdp>pf（9）

动态压井要选择合理的压井排量和压井液密度，既要保证在压井过程中井底压力是不断在增加，又要满足井底压力小于地层破裂压力。

2 深水动态压井设计Design of deepwater dynamic well killing

救援井设计的核心内容包括：（1）连通点选择；（2）连通方式选择，目前由于拥有先进成熟的探测技术和定向技术，均采用直接连通技术；（3）救援井轨迹设计和探测设计；（4）动态压井设计。其中动态压井的关键内容包括预测产量、计算IRP曲线、井喷井状态、井喷井流通通道定义、动态压井模拟计算。

2.1井喷井产量预测及IPR曲线计算

Estimation of blowout well production and calculation of IPR curve

井喷井产量预测及IPR曲线计算是动态压井模拟的基础，主要收集以下资料：（1）油藏流体参数，如密度、黏度、油气比、油水比、凝析油含量、流体体积系数、天然气压缩因子；（2）储层物性参数，如储层厚度、压力、孔隙度、渗透率、供给半径、温度梯度；（3）井喷井井身结构，如井眼尺寸等。对于新区块探井，当以上数据缺乏，且邻井资料参考性不大时，给产量估算及IPR计算带来巨大挑战，国际上推荐使用P90数据计算 ，同时用P10和P50计算结果作为参考。

2.2井喷井状态描述

Status description of blowout well

对于动态压井主要是考虑井口回压，主要分两种情况：（1）井喷井平台存在且井口可以施加回压；（2）井喷井平台不在井位，此时井口压力为深水静液柱压力。

对于井喷井流通通道一般可分为以下几种情况：（1）井口完全敞开，井内无钻具；（2）井口完全敞开，井内有部分钻具或者全部钻具；（3）井口部分敞开，井内有钻具；（4）井口部分敞开，井内无钻具。

自从墨西哥湾井喷事故后，美国、英国、加拿大及澳大利亚政府相继出台了深水井控应急预案规定，其中对动态压井的要求是按照最恶劣工况考虑：（1）井喷井完全敞喷；（2）井喷井内没有钻具；（3）井喷井内流体物性按照天然气计算；（4）井喷井平台不在井位；（5）裸眼所有渗透层，如油气层、水层都要考虑。

2.3动态压井软件模拟计算流程

Analog calculation flow by dynamic well killing software

动态压井模拟是基于不同排量和压井液密度不断重复计算，其流程如图1所示。

图1　动态压井模拟计算流程Fig.1 Analog calculation flow for dynamic well killing

3 深水动态压井设计案例Case study on deepwater dynamic well killing design

3.1南海某井基础数据

Basic data of some well in South China sea

3.1.1救援井及井喷井基础数据 南海某深水井及救援井，见图2，水深607 m，转盘面海拔高度26 m，储层流体为天然气，Ø311 mm井眼裸眼完钻，完钻垂深2 276 m，救援井连通点深度为1 500 m，救援井平台有内径为11.43 cm的压井、阻流管线各一条，4台14P-2200泥浆泵。

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

3.1.2油气层IPR曲线 根据地质数据显示，该井2个目的层段厚度均为30 m，其中T1层油藏参数：地层压力17.9 MPa，地层温度50℃，地层流体黏度0.021 MPa·s，地层渗透率5 mD，地层孔隙度12.9%；T2层油藏参数：地层压力21.2 MPa，地层温度60℃，地层流体黏度0.03 mPa·s，地层渗透率5 mD，地层孔隙度12.9%。用Forchheimer二项式方程计算IRP，具体参考油藏工程原理［10］、天然气工程［11］、试井分析方法。该井IPR曲线，如图3所示。

图3　T1/T2层IPR曲线Fig.3 IRP curve of T1/T2 layers

3.2动态压井模拟

Simulation of dynamic well killing

3.2.1井喷井工况假设 在假设最恶劣工况条件，对该井进行了动态压井模拟。该井Ø311 mm井眼初始钻进钻井液密度1.13 g/cm3，完全敞喷下的井底流压、产量及井喷过程如图4、5所示。

图4　T1T2层同时井喷模拟Fig.4 Simulation for T1T2 reservoir blowout at the same time

图5　T1T2层井喷过程中井底流压Fig.5 Flowing bottomhole pressure （FBHP） during T1/T2 reservoir blowing out

从图4、5中可以看出，水下井口完全敞开时，最大喷速为155×104m3/d，从发现溢流到完全达到最大喷速时间需要38 min。

3.2.2最小压井液密度确定 由于该井是水下井口，平衡地层压力最小压井液密度由式（10）求得，为1.17 g/cm3，取压井液密度的安全附加值为0.13 g/cm3，则最小压井液密度由式（11）求得，为1.30 g/cm3。

对于高产井，即使用破裂压力计算的压井液密度都无法实施动态压井，此时通常可先采用高比密度压井液，喷量减少后再泵入较轻密度压井液的方式进行压井，这样既可以用较小的地面泵压，还可以使用较少的压井液体积，以减缓平台储存能力不足的限制。

3.2.3动态压井模拟计算 选取动态压井液密度为1.30，1.40和1.50 g/cm3进行计算，绘制了不同压井液密度下，成功实施动态压井所需的压井排量及压井地面最大泵压，见图6。绘制了不同压井液密度和排量下，压井所需的最少压井液体积，见图7。

图6　不同压井液密度所需的压井排量和地面泵压Fig.6 Killing rate and surface pump pressure required by killing fluids with different densities

图7　不同压井液密度和排量下所需的压井液体积Fig.7 Volume of killing fluid required under different killing fluid density and flow rate

根据动态压井计算结果，结合平台钻井泵能力及储存能力［21］，选择合适的压井排量及压井液密度，如图8所示是该平台泵的特性曲线，对于该井最少需要2台以上泵，考虑到动态压井结束后还要循环2倍井筒容积，约170 m3，建议使用压井液体积在600 m3左右，因此该井选用压井液密度1.50 g/cm3，排量6 000 L/min，所需压井液体积为685 m3，钻井泵使用计划如表1所示。

图8　泵排量与泵压特性图Fig.8 Characteristic diagram of pump displacement and pump pressure

表1　14P-220钻井泵使用计划Table 1 Drilling pump utilization plan

压井过程如图9所示，到A点井筒完成卸载，水下井口含气率达到100%，按照上述选择的排量及压井液密度，开始动态压井，到B点T1层井底流压等于地层压力T1层停产，到C点T2层井底流压等于地层压力T2层停产，继续压井直到D点水下井口无气体产出，动态压井结束。该曲线模拟压井作业全过程，对压井过程有了全面清晰的了解，当压井过程中产生的一些突发情况时，可为采取的应对措施提供一定的参考。

图9　动态压井模拟Fig.9 Dynamic well killing simulation

4 结论Conclusions

（1）根据油藏参数计算IPR曲线是井喷模拟的关键基础，对于资料缺乏的井按P90数据进行计算，本模型是按照最恶劣工况计算的，因此能满足各种工况下的压井作业。

（2）动态压井模拟时首先确定最小压井液密度，然后按照压井流程不断试算得出最大压井液密度及对应的压井排量，最终根据得出最小压井液密度与最大压井液密度得出压井排量、压井地面泵压、压井液所需体积之间的图版。在压井作业过程中，首先可根据平台钻井泵能力及钻井液储存能力选择合适的压井排量及压井液密度，若无法满足则应该考虑先用高密度压井液后利用低密度压井液的方式或者采用多口救援井、拖撬泵组的方式进行压井。

（3）该模型可模拟压井的全过程，对压井过程有了全面清晰的了解，当压井过程中产生突发情况时，可为采取的应对措施提供一定的参考。

符号说明

Nomenclature：

pbh为井喷井或者连通点处压力，MPa；phbo为井喷井筒内混合液柱压力，MPa；pwh为井喷井井口压力，MPa；pfbo为混合流体在井喷井流通通道高速上返时由摩擦阻力，MPa；pf为井喷井储层压力，MPa；pfr为井喷井薄弱地破裂压力，一般指最后一层套管鞋处破裂压力，MPa；qr为井喷井产量，104m3/d；pwf为井喷井井底流压，MPa；pwf0为井喷井初始条件下的井底流压，MPa；qr0为井喷井初始条件下的产量，104m3/d；qrt为井喷井t时刻的产量，104m3/d；pwft-1为井喷井t-1时刻的井底流压，MPa；n为计算步长，即从压井点或者连通点到井口的分段数，无量纲；pdp为救援井钻具地面压力，MPa；phdp为救援井钻具钻井液在井底或者连通点的静液柱压力，MPa；ρmin为平衡地层压力最小压井液密度，g/ cm3；ρs为海水密度重1.03 g/cm3；ρ∆为压井液密度的安全附加值，气井为0.07～0.15 g/cm3；ρkmin为最小压井液密度，g/cm3；hf为面至井底垂深，m；hs为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）

〔编辑 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”国家重大专项子课题“深水钻完井及其救援应用技术研究”（编号：2011ZX05026-001-04）。

赵维青（1985-），2007年毕业于西南石油大学石油工程学院石油工程专业，现主要从事海上石油钻完井监督及设计工作。通讯地址：（518606）广东省深圳市南山区蛇口太子路金融中心7楼。电话：0755-26023856。E-mail：zhaowq@cnooc.com.cn

引用格式：赵维青，刘正礼，宋吉明，黄小龙，姜清兆，庞东豪.深水救援井动态压井设计方法及应用［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：186-190，200.