由于深水钻井安全钻井液密度窗口狭窄,使得深水井控中各种变量的余量较小,而且在很多情况下如果超过了这些余量,其后果将比常规水深下的相似情形要严重得多;并且深水钻井中压井/节流管线较长,其循环压力损耗(摩阻)比较大,且深水地层承压能力低,压井时要考虑这部分压力损耗,防止压漏地层等事故的发生。
深水井控不同于陆地和浅水井控,在井控作业中会遇到许多困难或挑战,主要表现在以下几个方面:
1)溢流的早期发现相对困难
在深水当中,平台(船)的升沉与摆动会引起流量和泥浆池体积的波动,影响指示器的准确度,给溢流的早期发现带来了难度。
2)较低的地层破裂压力梯度
地层破裂压力梯度一般来说是随井深而增加的,但在深水中,相同井深的破裂压力梯度比浅水小,其原因是由于随着海水的深度增加,在同样井深条件下海水占据了很大的空间,从而导致上覆盖层应力低。由于海床至转盘面一段距离不存在岩石的基质应力,对于相同沉积厚度的地层,随着水深的增加,地层的破裂压力梯度降低,致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄,在压井过程中容易压漏地层,从而造成又喷又漏、地下井喷等复杂情况。
由于深水地层破裂压力梯度较低,因此造成了井控作业中的井涌余量、最大允许关井套压和隔水管钻井液安全增量随着水深的增加而减小。
井涌余量(kick tolerance)是指溢流发生后,关井和处理溢流过程中允许达到的最大井内压力的当量梯度密度(ρmax)与正常压井钻井液密度(ρk)的差值(ρmax-ρk)。
井涌余量与地层孔隙压力、破裂压力有关。在深水中,地层孔隙压力与破裂压力窗口窄(相对于浅水),导致了井涌余量随水深的增加而减小。
3)压井及节流管线的压耗大
陆地或海洋浅水钻井作业时,节流压井管线长度相对较短,其产生的循环压耗可以忽略。而海洋深水钻井作业时,节流压井管线长达数百米甚至数千米,加上其内径较小,所以不能忽略流体在其中流动时产生的压耗。(www.daowen.com)
在深水井控中,节流管线内摩擦损失将作用于地层,如果忽略节流管线中的循环压耗,采用常规压井方法压井,在保持立管压力不变与不超过最大允许套管压力的情况下控制节流阀,压井不可能成功。
相对于陆地钻井,深水钻井的地面节流压力因为节流管线中压耗的存在而有所减小,减小值即为节流管线中的压耗。若忽略节流管线中压耗的影响,在深水压井时将节流阀的控制回压等同于相应陆地同深度处井控时的关井套压,那么裸眼地层将会额外承受一个等于节流管线中压耗的压力。在压井过程中,这容易造成地层破裂压力梯度低的薄弱地层破裂,从而带来灾难性的后果。
在钻井过程中,钻井液正常的循环路径是经钻具、钻头、环空和隔水管到达平台泥浆池。环空和隔水管内的循环压耗是加在所钻地层上的,并且和钻具内的压耗相比要小得多。
在压井循环时,节流管线内的压力损失是由通过节流管线循环时流体和管壁的摩擦所造成的。在陆地或浅海钻井中,由于其节流管线较短,节流管线内的摩擦压力损失在压井循环时可以忽略不计;但在深水钻井中,却成为事关压井成败的关键因素。
由于地层破裂压力梯度低和节流管线压力损失的影响,在压井过程中特别是在开泵时,很容易造成薄弱地层破裂。
如果溢流体是气体,在气体进入节流管线后,体积迅速膨胀,节流管线压力损失迅速减小,环空压力减小,需要迅速调小节流阀来保持井底压力恒定,增加套压。随着气体从节流管线排出,泥浆进入节流管线,节流管线压力损失增加,环空压力增加,必须迅速打开节流阀来抵消井底压力的增加,减小套压。因此,对于节流阀操作者来说,要做到快速、精确地调节节流阀是有很大难度的,这也是深水井控的难点。
4)防喷器内圈闭气
由于防喷器组放置在海底,距离地面的井口较远,控制系统的传输距离较远,系统因此需要承受较高的静水压力和较大压差。防喷器控制通常须使用电液控制系统,尤其是水深超过1 500 m的超深水作业中,要在防喷器组上设有由水下机器人操作的应急操作盘,以应对深水作业中的紧急情况。
在处理气体溢流时,压井结束后有一些气体会聚积在关闭的防喷器内,称为“圈闭气”。对陆地和浅水钻井来说,这并不是什么问题,因为这部分气体的压力是很小的。然而,在深水钻井中,圈闭气的压力等于存在于节流管线内压井液的静液柱压力,由于节流管线很长,这个压力不容忽视。如果直接打开防喷器,高压圈闭气在隔水管内膨胀上升,到达地面将造成井喷,使隔水管内的钻井液喷出,严重时有可能挤毁隔水管。水越深,圈闭气压力越高,其危害就越大。
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