井戸制御

坑井制御は、掘削、坑井改修、坑井完成などの石油・天然ガス事業において、静水圧と地層圧力を維持して坑井への地層流体の流入を防ぐ技術です。この技術には、地層流体圧力、地下構造の強度の推定、ケーシングと泥の密度の使用が含まれており、予測可能な方法でそれらの圧力を相殺します。^[1]圧力と圧力の関係を理解することは坑井制御において重要です。

石油事業の目的は、環境に悪影響を与えることなく、すべての作業を安全かつ効率的に完了することです。この目的は、油井を常に制御して初めて達成できます。油井の噴出を検知し、適切かつ迅速な措置を講じることができる経験豊富な人員が圧力と圧力の関係を理解することは、油井の噴出を防ぐ上で重要です。

流体とは流れる物質のことです。例えば、油、水、ガス、氷はすべて流体の例です。極度の圧力と温度の下では、ほとんどすべてのものが流体として機能します。流体は圧力をかけますが、この圧力は流体柱の密度と高さによって生じます。石油会社は通常、密度をガロンあたりの重量ポンド (ppg) または立方メートルあたりのキログラム (kg/m ³ ) で測定し、圧力を平方インチあたりの重量ポンド (psi) またはバールまたはパスカル(Pa) で測定します。圧力は流体の密度とともに増加します。既知の密度の流体が単位長さあたりに及ぼす圧力の量を調べるには、圧力勾配を使用します。圧力勾配は、密度による単位深さあたりの圧力増加として定義され、通常は平方インチあたりの重量ポンド/フィートまたはバール/メートルで測定されます。数学的には次のように表されます。

${\displaystyle 圧力勾配=流体密度*変換係数}$。

密度を圧力に変換するために使用される変換係数は、ヤード・ポンド法では 0.052、メートル法では 0.0981です。

水圧は圧力をかける水または流体を意味し、静圧は動いていない、または静止していることを意味します。したがって、静水圧は、油井内の任意の点に作用する流体柱の重量によって生じる流体の総圧力です。石油およびガス事業では、数学的に次のように表されます。

${\displaystyle 静水圧=圧力勾配*真の垂直深度}$

または

${\displaystyle 静水圧=流体密度*変換係数*真の垂直深度}$。

真の垂直深度とは、井戸が地面の下まで達する距離です。測定深度とは、角度や水平部分を含む井戸の長さです。2つの井戸XとYを考えてみましょう。井戸Xの測定深度は9,800フィート、真の垂直深度は9,800フィートです。一方、井戸Yの測定深度は10,380フィート、真の垂直深度は9,800フィートです。底穴の静水圧を計算するには、重力が穴に垂直に作用（引っ張る）するため、真の垂直深度が使用されます。^[2]

地層圧力は、地層岩石の細孔空間内の流体の圧力です。この圧力は、地層の上にある表土（岩石層）の重量によって影響を受ける可能性があり、表土は粒子と細孔流体の両方に圧力をかけます。粒子は固体または岩石材料であり、細孔は粒子間の空間です。細孔流体が自由に移動または逃げることができる場合、粒子は支持力を失い、互いに近づきます。このプロセスは圧密と呼ばれます。^[3]細孔圧力の大きさに応じて、正常、異常、または異常と説明されます。^{[4] [5]}

通常の孔隙水圧または地層圧力は、表面から検討対象の表面地層まで広がる地層流体の静水圧に等しいです。言い換えると、構造物が開かれ、地層の深さに等しい長さの柱が満たされると、柱の底部の圧力は地層圧力と同程度になり、表面の圧力はゼロになります。通常の孔隙水圧は一定ではありません。その大きさは、溶解塩の濃度、流体の種類、存在するガス、温度勾配によって変わります。

通常圧力がかかっている地層が、その過程で間隙水が失われないようにしながら地表に向かって上昇すると、通常圧力 (深部) から異常圧力 (浅部) に変化します。この変化が起こった後に地層を掘削すると、制御のために最大 20 ppg (2397 kg/m ³) の泥水重量が必要になる場合があります。このプロセスは、世界中の浅部で異常圧力がかかっているゾーンの多くで発生します。断層が存在する地域、塩層またはドームが予測される地域、または過度の地熱勾配が知られている地域では、掘削作業で異常圧力に遭遇する可能性があります。

異常な間隙水圧は、間隙空間を占める地層流体の静水圧よりも高い間隙水圧として定義されます。これは、過剰圧力または地圧と呼ばれることもあります。異常に圧力がかかった地層は、井戸の履歴、地表地質、坑井のログ、または地球物理学的調査を使用して予測できることがよくあります。

亜正規間隙水圧は、所定の深さにおける対応する流体の静水圧よりも低い地層圧力として定義されます。^[6]亜正規圧力の地層は、圧力勾配が淡水よりも低いか、0.433 psi/ft (0.0979 bar/m) 未満です。自然に発生する亜正規圧力は、表土が剥ぎ取られて地層が表面に露出したときに発生することがあります。蒸発、毛細管現象、希釈によって元々の間隙水が枯渇すると、0.433 psi/ft (0.0979 bar/m) 未満の静水圧勾配が生じます。亜正規圧力は、地層流体の枯渇によっても引き起こされる可能性があります。地層圧力 < 静水圧の場合、圧力がかかっています。地層圧力 > 静水圧の場合、圧力が過剰です。

破壊圧力とは、地層の岩石構造を永久的に変形させるのに必要な圧力の量です。地層圧力を克服しても、通常は破砕を引き起こすのに十分ではありません。より多くの流体が自由に移動できる場合、地層への流入速度が遅いと、破壊は発生しません。間隙流体が移動できない場合、地層の破壊と永久変形が発生する可能性があります。破壊圧力は、勾配 (psi/ft)、流体密度相当 (ppg)、または地層での計算された全圧力 (psi) として表すことができます。破壊勾配は通常、表土圧力の増加により、深さとともに増加します。深く、高度に圧縮された地層では、既存の地層圧力と抵抗する岩石構造を克服するために、高い破壊圧力が必要になる場合があります。沖合の深海で見られるような緩く圧縮された地層は、低勾配でも破砕する可能性があります (表面上の総「表土」の一部が、同等の陸上の井戸に存在するより重い岩石ではなく海水であるという事実によって、状況は悪化します)。特定の深さにおける破壊圧力は、その地域の地質により大きく変化する可能性があります。

底穴圧力は、穴の底に作用するすべての圧力の合計を表すために使用されます。圧力は穴の壁に加えられます。圧力の大部分は静水圧流体柱によって発生しますが、流体を環状部まで移動させる圧力も壁に作用します。直径が大きい場合、この環状圧力は小さく、200 psi (13.79 bar) を超えることはほとんどありません。直径が小さい場合、400 psi (27.58 bar) 以上になることがあります。背圧またはチョークに保持される圧力によって底穴圧力がさらに増加し​​ます。これは、環状部 (ケーシング) 側で作用するすべての既知の圧力を合計することで推定できます。底穴圧力は、次の作業中に推定できます。

流体が動いていない場合、井戸は静止しています。底穴圧力 (BHP) は、環状部の静水圧 (HP) に等しくなります。キックにより閉ざされている場合、底穴圧力は、環状部の静水圧とケーシング (坑口圧力または表面圧力) 圧力の合計に等しくなります。

循環中、底穴圧力は、環状側の静水圧と環状圧力損失 (APL) の合計に等しくなります。

回転ヘッドによる循環中、底穴圧力は、環状側の静水圧、環状圧力損失、および回転ヘッドの背圧の合計に等しくなります。

底穴圧力は、環状側の静水圧、環状圧力損失、チョーク (ケーシング) 圧力の合計に等しくなります。海底の場合は、チョーク ラインの圧力損失を追加します。

掘削およびその後の段階では、ケーシング セメント作業と地層の正確な評価が重要です。地層完全性テスト (FIT) から得られる情報は、井戸の寿命全体にわたって、また近隣の井戸にも使用されます。ケーシングの深さ、井戸の制御オプション、地層の破壊圧力、および流体の制限重量は、この情報に基づいて決定されます。地層の強度と完全性を判断するには、リーク オフ テスト (LOT) または地層完全性テスト (FIT) を実行します。

FIT とは、ケーシングと地層の間のセメントシールを確認する方法です。LOT は、ケーシングの下のテストゾーンが耐えられる圧力および/または流体重量を決定します。井戸内の流体は、既知の一貫した密度であることを確認するために、きれいな状態で循環させる必要があります。泥を使用する場合は、適切に調整し、ゲルの強度を最小限に抑える必要があります。使用するポンプは、高圧、低容量のテスト ポンプまたはセメンティング ポンプである必要があります。泥ポンプに電動ドライブが装備されており、ゆっくりと回転できる場合は、リグ ポンプを使用できます。リグ ポンプを使用する必要があり、ポンプを低速で簡単に制御できない場合は、リークオフ手法を変更する必要があります。すべてのリークオフ テストについて、圧力と時間または容量の関係を示すグラフを作成することをお勧めします。^[7]

FITを実施する主な理由は次のとおりです。^[8]

• ケーシングシュー周囲のセメント結合の強度を調査し、上位層との接触がないことを確認します。
• ケーシングシュー周囲の破砕勾配を決定し、現在のケーシングの下のオープンホールセクションのプライマリー井戸制御の上限を確立します。
• ケーシングシューの設置深度に関する井戸工学計画をテストするために、ケーシングシューの下の圧力に耐える井戸の能力を調査します。

井戸を U 字型の管として視覚化すると役立つことがよくあります。管の Y 列は環状部を表し、X 列は井戸内のパイプ (ストリング) を表します。U 字管の底は井戸の底を表します。ほとんどの場合、流体はパイプと環状部の両方に静水圧を生成します。大気圧は両方の列に同じように作用するため省略できます。パイプと環状部の両方の流体の密度が同じであれば、静水圧は等しくなり、流体は管の両側で静止します。環状部の流体の方が重い場合、下向きの圧力が大きくなり、ストリングに流れ込み、軽い流体の一部をストリングから押し出して、表面に流れが生じます。次に、環状部の流体レベルが下がり、圧力が均等になります。静水圧に差がある場合、流体はバランスの取れた点に到達しようとします。これは U 字管と呼ばれ、接続時にパイプから流れが発生することが多い理由を説明しています。これは掘削速度が速い場合によく見られる現象で、切削によって環状部の有効密度が増加するためである。^[9]

等価循環密度（ECD）は、摩擦による密度の増加として定義され、通常は1ガロンあたりのポンドで表されます。等価循環密度（順方向循環時）は、井戸内の実際の流体密度に環状摩擦を加えた結果生じる見かけの流体密度として定義されます。^[10]

${\displaystyle ECD=MW+{\frac {P_{a}}{0.052*TVD}}}$またはECD = MW +( p/1.4223*TVD(M)

どこ：

• ECD = 等価循環密度 (ppg)
• Pa = 表面での環状圧力と深度での環状圧力の差 TVD (psi)
• TVD = 真垂直深度 (フィート)
• MW = 泥の重量（ppg）

掘削泥が静的状態（循環なし）にある場合、どの点でも圧力は掘削泥の重量のみによるもので、次のように表されます。

静的条件下での圧力 =

0.052 * 泥の重量（ppg） * TVD（フィート）

循環中は、掘削泥の重量による圧力と、掘削流体を循環させるために泥ポンプによって加えられる圧力によって圧力がかかります。

循環状態での圧力

= 静的状態での圧力

+ その地点でのポンピングによる圧力またはシステム内の圧力損失

環状空間内の循環状態での圧力を密度に換算するとECDと呼ばれる。

上記の式を両辺に 0.052*TVD で割ると次のようになります。

ECD = (静的状態での圧力 + 環状圧力損失) / (0.052 * TVD)

ECD = MW + 環状圧力損失 / (0.052 * TVD)

（静的条件下での圧力 = 0.052 * TVD * MW）を使用

移動中（上下）にドリル ストリングは大きなピストンとして機能し、下降時にドリル ストリングの下の圧力が上昇して掘削流体が地層に押し出されます。これをサージと呼びます。同様に、上昇時にはドリル ストリングの下に低圧ゾーンが形成され、地層流体が坑井に吸い込まれます。これをスワブと呼びます。

坑井に作用する全圧力は、パイプの上下運動によって影響を受けます。坑井へのパイプの出し入れは、仕上げおよびワークオーバー中によく行われるもう 1 つの操作です。残念ながら、統計によると、キックの大半は出し入れ中に発生します。したがって、仕上げ/ワークオーバー操作では、トリッピングの基本概念を理解することが大きな懸念事項となります。

チューブの下向きの動き (トリップイン) により、井戸の底に圧力がかかります。チューブが井戸に入ると、井戸内の流体はチューブによって消費された容積から排出するために上向きに動かなければなりません。チューブの下向きの動きと流体の上向きの動き (またはピストン効果) の組み合わせにより、井戸全体の圧力が上昇します。この圧力の上昇は、一般にサージ圧力と呼ばれます。

チューブの上方への動き（トリッピングアウト）も、井戸底の圧力に影響を与えます。パイプを引き抜くと、流体は下方に移動し、チューブが占めていた容積を置き換える必要があります。上下の動きの正味の影響により、底部の圧力が低下します。この圧力の低下はスワブ圧力と呼ばれます。サージ圧力とスワブ圧力はどちらも次の要因によって影響を受けます。^[11]

• パイプの速度、またはトリップ速度
• 流体の密度
• 流体の粘度
• 流動性ゲル強度
• 坑井孔の形状（ツールとケーシング間の環状クリアランス、チューブの開口端または閉鎖端）

パイプの動きが速いほど、サージとスワブの影響が大きくなります。流体の密度、粘度、ゲル強度が大きいほど、サージとスワブの影響が大きくなります。最後に、環状クリアランスが小さいパッカーやスクレーパーなどのダウンホール ツールも、サージとスワブの影響を大きくします。実際のサージとスワブの圧力は、WORKPRO および DRILPRO の計算プログラムまたは油圧マニュアルを使用して決定できます。

坑井制御において、差圧は地層圧力と坑底静水圧の差として定義されます。^[12]これらは、オーバーバランス、アンダーバランス、バランスに分類されます。

• オーバーバランス – 穴の底に作用する静水圧が地層圧力よりも大きい。つまり、HP > FP

• 不均衡 – 穴の底に作用する静水圧が地層圧力よりも低い。つまり、HP < FP

• バランスが取れている – 穴の底に作用する静水圧は地層圧力に等しい。つまり、HP = FP

掘削片とは、ドリルビットの作用によって地層から削り取られたり、削られたり、押しつぶされたりした岩石の破片のことです。掘削片のサイズ、形状、量は、地層の種類、ビットの重量、ビットの鋭さ、圧力差（地層と流体の静水圧）によって大きく異なります。掘削片のサイズは、通常、ビットの重量、地層の種類、圧力差が一定であれば、掘削中にビットが鈍くなるにつれて小さくなります。ただし、圧力差が変化すると（地層圧力が上昇すると）、鈍いビットでもより効果的に掘削できるようになり、掘削片のサイズ、形状、量が増加する可能性があります。

キックとは、望ましくない地層流体の坑井への流入と定義されます。キックを放置すると、ブローアウト（坑井への制御不能な地層流体の流入）に発展する可能性があります。キックを制御できないと、作業時間の損失、坑井の損失、さらには掘削装置と人命の損失につながる可能性があります。^[13]

静水圧が地層間隙水圧より低くなると、地層流体が井戸に流れ込むようになります。これは、次のいずれかまたは組み合わせが発生した場合に発生します。

• 不適切な穴の埋め方
• 泥の密度が不十分
• スワブ/サージ
• 失われた循環
• 異常な地層圧力
• ガスカット泥
• 井戸の計画が不十分

パイプが穴から抜けると、取り外されたパイプの体積に応じて坑井流体が減少します。 穴内の流体レベルが下がると、その流体が及ぼす静水圧も下がり、静水圧の低下が地層間隙水圧を下回ると、坑井から流体が流出する可能性があります。 したがって、地層圧力を制御するために十分な静水圧を維持するために、穴を埋める必要があります。 抜ける間、パイプは条件に応じて乾燥または湿潤する可能性があります。 API7G ^{[明確化が必要]}では、正確なパイプ変位を計算する方法を示し、正しいチャートと表を提供しています。 乾燥したパイプを抜けるときに坑井を埋める体積は次のとおりです。

${\displaystyle バレル充填量=配管容積(バレル/フィート)*長さ(フィート)}$

濡れたパイプを引き抜くときに井戸を満たすための体積を計算するには、次のようにします。

${\displaystyle バレル充填量=(配管容積(bbls/ft)+配管容量(bbls/ft))*長さ(ft)}$

井戸によっては、掘削時に充填量をモニタリングすることが、穿孔による損失によって困難になる場合があります。井戸は最初は流体で満たされているかもしれませんが、時間が経つにつれて流体が貯留層に浸透します。このような井戸では、充填量は常に、井戸から取り除かれたパイプの計算値または理論値を超えます。一部の油田では、貯留層圧力が低い井戸があり、流体の柱全体を支えることができません。これらの井戸では、一時的に低圧ゾーンを橋渡しする何らかの橋渡し剤を使用しない限り、穴を流体で満たすことは基本的に不可能です。一般的な方法は、井戸から引き上げるときに理論上の充填量をポンプで汲み上げることです。^[14]

坑井内の泥は、地層の間隙水圧に等しい十分な静水圧をかけなければなりません。流体の静水圧が地層圧力より低ければ、坑井は流動することができます。流体の密度が不十分になる最も一般的な理由は、予想外の異常圧力の地層を掘削することです。この状況は通常、予測できない地質学的条件に遭遇したときに発生します。たとえば、掘削する地層を突然変える断層を横切って掘削する場合などです。地表での泥の取り扱いを誤ると、流体の重量が不十分になる多くの例の原因となります。たとえば、ポンプの吸引マニホールドのバルブを間違って開き、軽量の流体のタンクを汲み上げてしまった場合、水バルブをバンプして意図したよりも多くの流体を追加した場合、シェールシェーカーを洗い流した場合、またはクリーンアップ作業の場合などです。これらすべてが泥の重量に影響を与える可能性があります。

スワビングは、坑井内でパイプが上向きに動くことで発生し、坑底圧力の低下を招きます。場合によっては、坑底圧力の低下が大きくなり、坑井のバランスが崩れて地層流体が坑井内に流入することがあります。初期のスワビング作用に静水圧の低下 (坑井に入る地層流体による) が加わると、坑底圧力が大幅に低下し、地層流体の流入量が増加します。したがって、掘削時にスワビングを早期に検出することが、キックの大きさを最小限に抑えるために重要です。坑井の状態によっては、掘削時にスワビングが発生する可能性が高くなります。パイプを速く引っ張ると、スワビング (ピストン) 作用が強まります。粘度やゲル強度が高いなどの流体特性が悪い場合も、坑井内でスワビングが発生する可能性が高くなります。さらに、外径 (OD) の大きいツール (パッカー、スクレーパー、フィッシング ツールなど) はピストン効果を高めます。これらの状態は、仕上げ/作業オーバー作業中に井戸がスワブインする可能性を減らすために認識される必要がある。前述のように、サージ圧力とスワブ圧力を推定できるコンピュータおよび計算機プログラムがいくつかある。スワブインは、トリップ中に穴の充填量を注意深く監視することで検出される。たとえば、3バレルの鋼鉄（チューブ）が井戸から取り除かれ、穴を埋めるのに2バレルの流体しか必要ない場合、1バレルのキックが坑井にスワブインされた可能性がある。統計によると、ほとんどのキックはトリップ中に発生するため、穴の充填量には特に注意を払う必要がある。^[15]

完成/改修作業中にキックが発生するもう 1 つの原因は、循環の喪失です。循環の喪失により、井戸内の流体レベルと静水圧の両方が低下します。静水圧が貯留層圧力を下回ると、井戸がキックします。循環の喪失の主な原因は次の 3 つです。

• 過度の圧力オーバーバランス
• 過度のサージ圧力
• 地層の完全性が低い

ワイルドキャット井または探査井を掘削する場合（多くの場合、地層圧力は正確にはわかっていません）、ビットが突然異常な圧力の地層に突き刺さり、泥の静水圧が地層圧力よりも低くなり、キックが発生します。

ガスが表面まで循環すると、膨張して静水圧が下がり、キックができるようになります。泥の密度は表面で大幅に減少しますが、ガスの膨張は底部ではなく表面近くで発生するため、静水圧はそれほど低下しません。

キックの 4 番目の原因は、計画の不備です。泥とケーシングのプログラムは、井戸の制御に影響します。これらのプログラムは、ケーシング ストリングを徐々に深く設定できるように十分に柔軟でなければなりません。そうしないと、キックを制御できない状況や循環が失われる状況が発生する可能性があります。

掘削中、キックは通常、前方循環しながらドリラー、エンジニア、または同時実行と呼ばれるハイブリッド方式を使用して停止されます。選択は以下によって異なります。

• 井戸内のキック流体の量と種類
• リグの装備能力
• 開いた穴の最小破壊圧力
• 掘削会社と運営会社は政策を統制します。

改修や仕上げ作業では、他の方法がよく使用されます。ブルヘッディングは、改修や仕上げ作業中に井戸をキルする一般的な方法ですが、掘削中に使用されることはあまりありません。リバースサーキュレーションは、掘削に使用されない改修に使用される別のキル方法です。^[16]

• ブローアウト（井戸掘り）
• 噴出防止装置
• 油井
• 油井管理