控壓鉆井解決碳酸鹽巖地層環(huán)空壓力波動(dòng)研究

康 健，郭慶豐，許朝輝，門明磊，張 鑫

（中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102200）

石油鉆井過程中，起下鉆、接單根引起井底壓力變化會(huì)影響鉆井作業(yè)從而造成井控風(fēng)險(xiǎn)。大量的實(shí)踐表明，25%以上的井噴、井漏及井壁坍塌等復(fù)雜鉆井情況是由波動(dòng)壓力造成的[1]。如何有效地減小井內(nèi)的波動(dòng)壓力一直是鉆井設(shè)計(jì)及施工的難點(diǎn)。裂縫性發(fā)育的碳酸鹽巖地層多半為氣井，為了降低波動(dòng)壓力對(duì)井底壓力的影響，現(xiàn)場通常在泥漿密度設(shè)計(jì)中增加安全附加值（油水井0.05～0.1g/cm3,氣井0.07～0.15g/cm3），對(duì)于地層壓力窗口正常的井這樣是可行的，但對(duì)于裂縫性碳酸鹽巖地層井，為了保證井下安全，波動(dòng)壓力必須保持在地層所允許的壓力窗口范圍之內(nèi)。

精細(xì)控壓鉆井技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)精確控制井底壓力，有效實(shí)現(xiàn)安全鉆井的技術(shù)，主要解決窄密度窗口鉆井難題[2]。使用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的井多數(shù)都較為復(fù)雜，其中在窄密度窗口下，應(yīng)用較為廣泛。在鉆井作業(yè)中，任何造成壓力波動(dòng)的工序都可能出現(xiàn)安全事故，對(duì)波動(dòng)壓力準(zhǔn)確地計(jì)算和精確地控制是必須面臨的挑戰(zhàn)。精細(xì)控壓技術(shù)控制在鉆井作業(yè)中產(chǎn)生的波動(dòng)壓力具有顯著的效果。

1 波動(dòng)壓力分析計(jì)算

現(xiàn)場鉆井作業(yè)過程中，波動(dòng)壓力主要是由泥漿在井筒內(nèi)流動(dòng)所產(chǎn)生的[3]，其中主要包括泥漿流動(dòng)克服靜切力、粘滯力和上提下放鉆具慣性造成的波動(dòng)壓力。

1.1 泥漿靜切力引起的波動(dòng)壓力

現(xiàn)場調(diào)配的泥漿一般都有靜切力。泥漿泵再次開啟、起下鉆過程中，瞬時(shí)波動(dòng)壓力主要是泥漿靜切力產(chǎn)生的。計(jì)算公式如下：

P波=

4ρ0H

(D2-D1) （1）

式中：P波——波動(dòng)壓力，Pa；

ρ0——泥漿密度，Pa；

H——環(huán)空液面至鉆頭的高度，m；

D1——井眼直徑，m；

D2——鉆柱外徑。

由式（1）能夠看出，在其他變量一定的情況下，泥漿靜切力引起的波動(dòng)壓力隨著靜切力增大而增大。對(duì)于壓力敏感地層，引發(fā)井漏原因往往是由開泵、起下鉆泥漿靜切力較大，泥漿靜切力產(chǎn)生的阻力，使得井底壓力大于漏失壓力。所以現(xiàn)場調(diào)配合理的泥漿靜切力對(duì)減小波動(dòng)壓力尤為重要。

1.2 泥漿粘滯力產(chǎn)生的波動(dòng)壓力

下鉆過程中，鉆具下放，泥漿反方向流動(dòng)，由于鉆具表面的粘附因素，使得泥漿在環(huán)空內(nèi)向上的流動(dòng)中發(fā)生的摩擦損失造成的壓力。

（1）環(huán)空平均流速計(jì)算：

式中：VQ——起下鉆速度，m/s；

Q1——管柱內(nèi)流量；

其他符號(hào)如上。

（2）波動(dòng)壓力計(jì)算：首先計(jì)算雷諾數(shù)，分析不同的泥漿流態(tài)情況，計(jì)算波動(dòng)壓力。

層流時(shí)：

式中：H——井深,m；

其他符號(hào)如上。

絮流時(shí)：

式中：f——范寧阻力系數(shù)，其他符號(hào)如上。

1.3 鉆具慣性引起的波動(dòng)壓力

在起下鉆時(shí)，鉆具上提或者下放具有一定的加速度，環(huán)空的泥漿也會(huì)跟著反方向流動(dòng)產(chǎn)生了慣性力，即是鉆具慣性力引起的波動(dòng)壓力，計(jì)算如下。

正常情況下鉆：

鉆具裝有止回閥：

式中：a——加速度，m/s2；

其他符號(hào)如上。

分析以上3種常見的引起波動(dòng)壓力的因素，其中在現(xiàn)場起下鉆由于鉆具慣性造成的波動(dòng)壓力最大，在裂縫性碳酸鹽巖地層極其容易引發(fā)井下復(fù)雜事故。

2 精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)解決波動(dòng)壓力方案

2.1 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)井口回壓保持井底壓力恒定

井口回壓的調(diào)節(jié)主要通過控壓鉆井裝備來實(shí)現(xiàn)，

雪花飄一走，我再也聽不到刷夜這個(gè)詞了。村莊安靜了一些時(shí)候。后來我有幸被一位老干部看重，到鄉(xiāng)政府當(dāng)了副科長，而這時(shí)田青青已是縣政府辦公室副主任。我們都成家了，她的丈夫是公安局刑警隊(duì)長，我的妻子是村里的養(yǎng)豬飼養(yǎng)員，這種差距使我在心理上很不平衡。我知道自己做了許多有益的工作，但很少有人發(fā)現(xiàn)。肉埋在飯里吃，誰看得見肉呢？

在鉆井過程中通過控壓鉆井裝備與工藝的有效結(jié)合

[4]。根據(jù)采集的排量、套壓和井底壓力等數(shù)據(jù)，結(jié)合水力計(jì)算軟件合理的邏輯判斷，實(shí)時(shí)對(duì)比實(shí)際井筒壓力與目標(biāo)壓力，發(fā)出控制節(jié)流閥的信號(hào)。通過精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)節(jié)流系統(tǒng)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度實(shí)時(shí)控制井口回壓，實(shí)現(xiàn)控制井筒壓力的目，保持井底恒壓，從而減小井筒波動(dòng)壓力。各壓力關(guān)系如圖1所示。

圖1 井底壓力模式組成

在正常起下鉆過程中，受波動(dòng)壓力影響很大，井底壓力保持恒定的情況下有：

式中：Pj——井底壓力；

Pb——波動(dòng)壓力；

Po——靜液柱壓力。

其中起鉆過程中波動(dòng)壓力取正值，下鉆過程中波動(dòng)壓力為負(fù)值。

2.2 回壓補(bǔ)償系統(tǒng)在環(huán)空內(nèi)實(shí)時(shí)補(bǔ)漿

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)鉆過程中波動(dòng)壓力控制

以塔里木某井為例，該井斜深5403m，垂深4837m，水平段長365m。該井在三開后進(jìn)入A點(diǎn)（5038m）前100m（4938m），開始進(jìn)入精細(xì)控壓鉆進(jìn)流程。以該井三開后井深為5100～5200m為例，起下鉆過程中波動(dòng)壓力及井口壓力的控制。

3.1 基本參數(shù)

（1）井身結(jié)構(gòu)（見圖2）。

（2）泥漿性能。泥漿密度1.08～1.30g/cm3，漏斗粘度45～60，動(dòng)切力5～15，塑性粘度6～18，初切力2～4，終切力5～15，API失水不大于5，HTHP不大于14，含砂量不大于0.2，pH值不小于11。

（3）鉆具組合。?171.5mm鉆頭+?127mm螺桿鉆具+轉(zhuǎn)換接頭×331×NC38（母）×0.5m+?120.7mm浮閥+?120.7mm無磁鉆鋌+?120.7mmPWD+?120.7mm無磁懸掛短接（MWD）+?88.9mm無磁承壓鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭×NC38（公）×HT40（母）+?101.6mm斜坡鉆桿S135I+?101.6mm加重鉆桿S135I+?101.6mm斜坡鉆桿S135I。

（4）井深5100～5200m正常鉆進(jìn)參數(shù)。表1為井深在5100～5200m正常鉆進(jìn)時(shí)精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄的部分參數(shù)。

3.2 波動(dòng)壓力實(shí)時(shí)控制

為了減小由于加速度對(duì)波動(dòng)壓力造成不定性因素，延長RCD膠芯壽命，在精細(xì)控壓施工過程中，控制起下鉆速度不大于0.3m/s。在鉆具內(nèi)裝有止回閥情況下，由公式（6）可知波動(dòng)壓力的大小與鉆桿下入深度H及起下鉆加速度a大小決定的。

表1 精細(xì)控壓數(shù)據(jù)監(jiān)測

圖3 起下鉆—波動(dòng)壓力與井口回壓模擬

波動(dòng)壓力隨著加速度a的周期性變化，保持井底壓力不變，井口壓力也要隨著波動(dòng)壓力的變化而變化，圖3為在精細(xì)控壓鉆井起鉆過程中，波動(dòng)壓力與井口回壓控制模擬曲線。

在起鉆過程中，波動(dòng)壓力表現(xiàn)為抽吸壓力，井底壓力隨著抽吸壓力在的增大而減小。由公式（7）可知，控制井底壓力Pj恒定，隨著波動(dòng)壓力Ph的增大，井口回壓PW同時(shí)也要增大。該井在正常鉆進(jìn)時(shí)，井口控壓值為0.2MPa，根據(jù)表1中PWD環(huán)空壓力監(jiān)測值計(jì)算環(huán)空壓耗為1.51MPa，由公式（6）代入數(shù)據(jù)得波動(dòng)壓力峰值為1.9MPa，則在其鉆過程中井口附加壓力峰值為3.61MPa。

在下鉆過程中，波動(dòng)壓力表現(xiàn)為激動(dòng)壓力。井底壓力隨著抽吸壓力的增大而增大，由公式（7）可知，控制井底壓力Pj恒定，隨著波動(dòng)壓力Ph的減小，井口回壓PW同時(shí)也要減小。該井在正常鉆進(jìn)時(shí)，井口控壓值為0.2MPa，根據(jù)PWD環(huán)空壓力監(jiān)測值，計(jì)算環(huán)空壓耗為1.57MPa，由公式（6）代入數(shù)據(jù)得波動(dòng)壓力谷值為0.65MPa，則在其鉆過程中井口附加壓力峰值為3.61MPa，圖4為使用精細(xì)控壓鉆井起下鉆過程中，實(shí)時(shí)控制波動(dòng)壓力井口回壓曲線。

圖4 起下鉆—回壓實(shí)時(shí)控制曲線

該井使用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)成功地解決了裂縫性碳酸鹽巖地層由波動(dòng)壓力造成的井下復(fù)雜問題，全井始終保持井底恒壓，實(shí)現(xiàn)零漏失，零復(fù)雜，安全鉆完目的層。

4 結(jié)論

（1）在裂縫性碳酸鹽巖地層，多數(shù)為高壓氣井，地層壓力系數(shù)敏感，鉆井過程中波動(dòng)壓力很容易誘發(fā)井下復(fù)雜事故。

（2）波動(dòng)壓力是不可避免的，影響因素較多，仔細(xì)的分析研究可能造成波動(dòng)壓力的因素很有必要。

（3）在裂縫性碳酸鹽巖地層鉆井過程中，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)通過實(shí)時(shí)控制井口回壓，可有效地解決在裂縫性碳酸鹽巖地層由于泥漿靜切力、鉆具提放慣性力等因素產(chǎn)生的波動(dòng)壓力，保持井底恒壓。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭宇建，李根生，宋先知，等.基于喝吧流體的偏心環(huán)空波動(dòng)壓力數(shù)值模擬[J].石油機(jī)械，2014.

[2] 周英操，楊雄文，方世良，等.窄窗口鉆井難點(diǎn)分析與技術(shù)對(duì)策[J].石油機(jī)械，2010.

[3] 周興權(quán).波動(dòng)壓力計(jì)算與討論[J].石油鉆采工藝，1988（4）：2-8.

[4] 周英操，楊雄文，方世良，等.PCDS-I精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)研制與現(xiàn)場試驗(yàn)[J].石油鉆探技術(shù)，2011（39）：7-11.