深水钻井井口及井筒安全相关风险评价方法

摘要

深水钻井由于深水复杂环境载荷和海底浅部地层土壤特性等会导致海底井口存在失稳的风险；同时，深水高静压环境、海底低温、浅层地质灾害、窄安全密度窗口、天然气水合物以及钻井地质参数难确定等因素，会导致深水钻井过程中井筒安全相关的风险。而目前相关设计或计算模型中的经验系数、地质参数等多采用定值，并没有考虑参数不确定性带来的风险问题。因此有必要在研究深水钻井海底井口力学稳定性、气侵时井筒压力场计算、水合物生成区域预测以及井身结构设计方法等基础上，分析深水钻井过程中风险较高的井口失稳、气侵井喷、井筒中天然气水合物生成以及井身结构设计等问题的风险，并利用概率统计等方法重点研究其中的不确定性参数及经验性系数的特点及影响规律，建立考虑不确定性参数的深水钻井井口及井筒安全相关的风险评价方法，从而对诸多风险的风险类别和概率进行定量评价分析并给出相应的风险规避建议或方案，进而建立一套系统的深水钻井井口及井筒安全相关的工程风险评估平台，为深水钻井中的风险预防与控制、优化深水钻井设计施工方案提供技术支持。 针对深水钻井海底井口力学稳定性问题，从海底井口倾斜和下沉两方面分别研究了各因素对井口倾斜和下沉特征参数的影响规律，通过敏感性分析，筛选出了对实例深水井海底井口倾斜（横向力学稳定性）及下沉（纵向力学稳定性）的特征参数影响较大和较为敏感的因素。在此基础上，结合对敏感因素的不确定性分析，建立了考虑不确定性因素的海底井口横向与纵向失稳风险判别方法，并对实例深水井的海底井口力学稳定性做出了判别，同时给出了提高其稳定性的建议。利用本方法不仅可对钻前设计中的井口失稳风险进行评估，还可根据求出的风险门限JA对应的水面海流流速uwA和平台平均漂移量SwA对海底井口的横向失稳风险进行实时监测和评估。 针对深水钻井气侵早期监测及井控风险大的问题，通过分析气侵压井风险因素及其影响规律，发现压井时的溢流量及地层压力预测误差对压井安全影响很大，且存在不确定性问题。通过引入最大允许关井套压、环空气体到达位置和含可信度地层压力预测方法等，建立了溢流量预警值精确计算方法，可针对具体井位和井深对安全溢流量预警值进行精确计算。在此基础上，通过分析深水钻井气侵规律与溢流量的关系，提出了在隔水管进行气侵早期监测及风险评价的新思路，并论证了其可行性及优势。通过实验和数值模拟研究，初步探讨了隔水管超声波透射监测法的可行性及效果。在此基础上，提出了基于隔水管处气侵监测数据的井筒气侵程度定量描述方法，该方法有望在准确检测气侵的同时对井筒气侵程度进行实时定量评估，进而为下一步合理的井控提供数据支撑。 侵的同时对井筒气侵程度进行实时定量评估，进而为下一步合理的井控提供数据支撑。 针对深水钻井井筒中天然气水合物生成风险问题，通过引入过冷度密度，建立了施工参数与水合物生成风险的定量关系，解决了难以定量评价水合物生成风险的问题。通过计算不同施工参数条件下的过冷度密度，并利用无因次分析，建立了基于施工参数的水合物生成风险定量评价方法，可定量评价各施工参数对水合物生成风险的影响。针对本文所举深水井，为了减小井筒中天然气水合物的生成风险，应根据敏感因子和实际情况减小钻井液导热系数，增大钻井液入口温度、排量和NaCl浓度等。同时，基于层次分析法并结合水合物预测生成区域内的风险等级划分，建立了井筒中水合物生成风险半定量评价方法，该方法综合考虑了专家现场经验及其他因素的影响，得出的各影响因素排序及其权重有利于优化钻井设计和采取施工补救措施。 针对深水钻井安全密度窗口窄、地层压力不确定以及井身结构设计等风险问题，建立了基于概率统计的随钻地层压力预测方法，该方法可根据随钻测井数据实时修正下部未钻地层的含可信度压力分布带，提高了未钻地层压力预测精度，在此基础上依据压力平衡约束准则建立了动态井身结构风险评价方法，可对下部未钻地层井身结构的漏喷塌卡风险进行实时定量评价。同时，通过分析现有井身结构设计方法中的安全密度窗口约束条件，发现其经验性安全系数取值过大且没有考虑循环钻进防漏，不利于深水窄安全密度窗口地层的设计。为此，建立了考虑 ECD 和设计系数精确计算的钻前精细井身结构设计方法；同时提出了钻井过程中动态井身结构设计方法，可在钻井过程中对下部未钻地层进行实时动态的井身结构设计，从而在设计层面最大程度的规避工程风险。 在以上理论研究的基础上，编制了深水钻井井口及井筒安全风险评价软件，形成了一套系统的、适用于深水钻井的、与井口和井筒安全相关的钻前设计和钻井过程中的风险评估平台，可对深水钻井的相关工程风险进行系统评估。

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