精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在近平衡鉆井中的應(yīng)用

張興全，丁丹紅，周英操，劉 偉

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206)

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精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在近平衡鉆井中的應(yīng)用

張興全1，丁丹紅2，周英操3，劉 偉3

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206)

針對(duì)碳酸鹽巖地層在常規(guī)近平衡鉆井過(guò)程中易噴、易漏等問(wèn)題，分析了近平衡鉆井井底壓力控制中存在的問(wèn)題，井深的增加使附加壓力、循環(huán)壓耗增加，井底過(guò)大的正壓差難以滿(mǎn)足近平衡鉆井要求；根據(jù)精細(xì)控壓鉆井壓力控制特點(diǎn)，采用隨鉆測(cè)量工具輔助壓力控制方法和以流量為目標(biāo)的壓力控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)井底壓力近平衡鉆井，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。研究表明，精細(xì)控壓鉆井方法能夠?qū)崿F(xiàn)近平衡鉆井，該技術(shù)對(duì)近平衡鉆井理論和實(shí)踐的發(fā)展具有重要意義。

近平衡鉆井；井底壓力；精細(xì)控壓鉆井；壓力控制

0 引 言

在塔里木油田、四川油氣田碳酸鹽巖地層鉆井過(guò)程中，由于鉆井安全密度窗口窄，近平衡鉆井易發(fā)生井噴、井漏等復(fù)雜問(wèn)題。隨著鉆井深度的不斷增加，井底形成的過(guò)平衡度越來(lái)越大，過(guò)大的正壓差無(wú)法滿(mǎn)足近平衡鉆井壓力控制要求，因此，有必要開(kāi)展對(duì)近平衡鉆井壓力控制的研究[1-9]。在前人研究的基礎(chǔ)上，分析了近平衡鉆井井底壓力控制過(guò)程中存在的問(wèn)題，并針對(duì)性地提出了精細(xì)控壓方法。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，利用精細(xì)控壓方法可實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井。

1 近平衡鉆井井底壓力控制中存在的問(wèn)題

近平衡鉆井主要通過(guò)控制鉆井液附加密度值、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、控制起下鉆速度、優(yōu)化鉆井液流變性和鉆井液排量等來(lái)控制井底壓力。近平衡鉆井鉆井液附加密度值：油井和注水井鉆井液密度為0.00～0.05 g/cm3或井底壓差為0.0～1.5 MPa；氣井鉆井液密度為0.00～0.07 g/cm3或井底壓差為0.0～3.0 MPa。然而，隨著鉆井深度的不斷增加，鉆井液附加密度值、環(huán)空壓耗等因素使近平衡鉆井井底壓力過(guò)大。如當(dāng)井深達(dá)到7 000 m時(shí)，氣井的附加密度值達(dá)到2.1 MPa；循環(huán)壓耗也隨著井深的增加而增加。而現(xiàn)有的近平衡鉆井壓力控制方法無(wú)法消除鉆井液附加密度、循環(huán)壓耗、起下鉆、環(huán)空巖屑重力、異常工況等對(duì)井底壓力的影響，這些因素共同影響使得近平衡鉆井井底過(guò)平衡度過(guò)大，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義的近平衡鉆井。同時(shí)，碳酸鹽巖等地層對(duì)壓力敏感，鉆井過(guò)程中開(kāi)泵即漏、停泵即侵等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，對(duì)井底壓力的控制精度要求進(jìn)一步提高，而常規(guī)的近平衡鉆井井底壓力控制方法已不能滿(mǎn)足鉆井要求。

2 近平衡鉆井中的精細(xì)控壓方法

近平衡鉆井的核心是實(shí)現(xiàn)井底壓力的控制，而精細(xì)控壓鉆井通過(guò)改變井口回壓能夠?qū)崿F(xiàn)井筒壓力的精細(xì)控制[10-11]，使井底壓力接近地層壓力，從而實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井。精細(xì)控壓鉆井主要有2種壓力控制方法。

2.1 隨鉆測(cè)量工具輔助壓力控制方法

在井下鉆具組合中安裝隨鉆地層測(cè)試工具(FTWD)和隨鉆測(cè)壓工具(MPD)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)地層壓力和井底壓力值，根據(jù)井底壓力和地層壓力的差值，調(diào)整精細(xì)控壓鉆井井口回壓值，使井底壓力等于地層壓力，達(dá)到近平衡鉆井目的。如MPD測(cè)量的井底壓力值比FTWD測(cè)量的地層壓力高0.5 MPa時(shí)，精細(xì)控壓鉆井控制系統(tǒng)可增大節(jié)流閥開(kāi)度，使井口回壓值降低0.5 MPa，使井底壓力趨近于地層壓力。

2.2 流量為目標(biāo)的壓力控制方法

當(dāng)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力和地層壓力時(shí)，可以通過(guò)出入口流量輔助進(jìn)行壓力控制。當(dāng)出口流量大于入口流量時(shí)，表明井底壓力小于地層壓力，井底為欠平衡壓力狀態(tài)，應(yīng)逐漸增大井口壓力；當(dāng)出口流量逐漸等于入口流量時(shí)，井底壓力等于地層壓力，井底為近平衡狀態(tài)，如圖1a所示。

若出口流量不大于入口流量，表明井底壓力不小于地層壓力，井底為近平衡或過(guò)平衡狀態(tài)，應(yīng)采用試探法進(jìn)行壓力控制，井口壓力降低0.5 MPa一段時(shí)間后恢復(fù)到原井口壓力值，若一個(gè)遲到時(shí)間后，出口流量大于入口流量，表明為近平衡鉆井，如圖1b所示；若一個(gè)遲到時(shí)間后，出口流量仍等于入口流量，應(yīng)逐次降低井底壓力后，采用試探法進(jìn)行近平衡鉆井壓力控制。

圖1 近平衡鉆井壓力控制方法示意圖

3 精細(xì)控壓鉆井實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井實(shí)例

3.1 基本情況

圖2為塔里木油田某井井身結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)完鉆井深為6 740 m，孔隙壓力當(dāng)量密度為1.1 g/cm3，設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)為4 680 m，井眼采用直—增—平結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)度為1 557 m，最大井斜角為89.63 °，設(shè)計(jì)二開(kāi)中完井深為4 955 m，三開(kāi)?168.3 mm鉆頭鉆進(jìn)。設(shè)計(jì)在進(jìn)入A點(diǎn)(5 183 m)前50 m(5 133 m)處使用精細(xì)控壓鉆井方法，以達(dá)到近平衡鉆井的目的。

3.2 近平衡鉆井壓力控制過(guò)程

采用精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井時(shí)，采用以流量為目標(biāo)的壓力控制方法，由于初始時(shí)井底為過(guò)平衡狀態(tài)，鉆井液密度為1.18 g/cm3，初始設(shè)計(jì)井底壓差為3～5 MPa，根據(jù)井下情況，逐漸降低鉆井液密度，鉆井液密度以每次0.01～0.02 g/cm3幅度降低，直到鉆井液密度降為1.10 g/cm3，井底變?yōu)榻胶忏@井。在降低鉆井液密度時(shí)應(yīng)時(shí)刻觀察出入口流量變化，調(diào)整井口回壓使出入口流量相等。下面以某一時(shí)段為例說(shuō)明精細(xì)控壓鉆井壓力控制過(guò)程。

圖2 井身結(jié)構(gòu)

(1) 16∶40時(shí)出口流量等于入口流量，井口壓力為2.5 MPa，井底為過(guò)平衡或近平衡壓力狀態(tài)，采用流量為目標(biāo)的壓力控制方法控制井底壓力，井口壓力由2.5 MPa降低至2.0 MPa，15 min后再升高至2.5 MPa，一個(gè)遲到時(shí)間后，出口流量依然等于入口流量，說(shuō)明井底壓力比地層壓力至少高0.5 MPa。

(2) 井口壓力降低0.5 MPa。

(3) 20∶15井口回壓由2.0 MPa降低至1.5 MPa，20∶30井口回壓由1.5 MPa升高至2.0 MPa，如圖3所示。在一個(gè)遲到時(shí)間后，井口出口流量增加，如圖4所示。說(shuō)明在20∶15時(shí)降低的井口回壓使地層流體進(jìn)入井筒，從而確定井口壓力在1.5～2.0 MPa時(shí)，井底壓力等于地層壓力，實(shí)現(xiàn)了近平衡鉆井。為保證井筒流動(dòng)穩(wěn)定性，井口壓力維持在2.0 MPa。

圖3 井口改變回壓曲線

圖4 井口出口流量增加曲線

精細(xì)控壓鉆井能夠?qū)崿F(xiàn)井底近平衡鉆進(jìn)，通過(guò)降低井口回壓后觀察出口流量能夠判斷井底壓力狀態(tài)。精細(xì)控壓鉆井能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井底壓力的精細(xì)控制，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)窄密度窗口地層及易噴、易漏地層的安全快速鉆進(jìn)。由于旋轉(zhuǎn)控制頭壓力控制能力有限，精細(xì)控壓鉆井過(guò)程中在遇到較大溢流和漏失時(shí)無(wú)法有效控制，需轉(zhuǎn)入常規(guī)井控程序。

4 結(jié) 論

(1) 由于過(guò)大的附加密度值、循環(huán)壓耗等，使得目前近平衡鉆井技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井。

(2) 精細(xì)控壓鉆井采用隨鉆測(cè)量工具輔助壓力控制方法和以流量為目標(biāo)的壓力控制方法可以實(shí)現(xiàn)井底壓力近平衡鉆井。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，精細(xì)控壓鉆井能夠?qū)崿F(xiàn)近平衡鉆井，該技術(shù)對(duì)近平衡鉆井理論和實(shí)踐的發(fā)展具有重要意義。

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編輯 孟凡勤

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.035

20160310；改回日期：20160709

國(guó)家自然基金“深水高溫高壓井鉆采過(guò)程中密閉環(huán)空壓力預(yù)測(cè)和套管柱力學(xué)研究”(51504284)

張興全(1986-)，男，工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)安全工程專(zhuān)業(yè)，2015年畢業(yè)于中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院油氣井工程專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣井流體力學(xué)研究工作。

TE242

A

1006-6535(2016)05-0141-03