海洋窄壓力窗口鉆井技術

霍宏博，李金蔓，張磊，岳明，劉海龍

1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（四川成都 610500）

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司（天津 300459）

0 引言

渤海油田中深部區域勘探開發潛力巨大[1]，但儲層埋藏較深且為裂縫型，裸眼段長，鉆遇多套壓力體系及破碎帶[2]，鉆井安全密度窗口窄，導致同一井段涌漏同存，最嚴重的井，漏失多達十余次，累計漏失鉆井液達2 460 m3，常規堵漏效果不理想，且下鉆、開泵或劃眼時復漏頻發，損失大量鉆井液，導致井涌、井壁失穩甚至井眼報廢[3]。涌漏同存是渤海油田中深層區域高效開發中亟待解決的問題[4]。

精細控壓鉆井技術在陸地窄安全密度窗口區域已被廣泛應用，可保證鉆井安全，降低井涌、井漏發生頻次[5]，但是精細控壓鉆井裝備體積龐大，不太適合海洋鉆井狹窄的作業空間。統籌考慮施工成本與鉆井安全，高效堵漏提高地層承壓能力，應用簡易控壓裝備，輔以精良的壓力預測模型，改變安全密度窗口，主動適應地層。海洋窄壓力窗口鉆井技術在渤海中深層鉆井中得以應用，取得了較好的使用效果。

1 提高地層承壓能力技術

提高地層承壓能力首先需要確定漏層位置，并根據漏層巖性、漏失井段長度、井漏嚴重程度等判斷漏失類型。但漏失通道性質的確定較困難，現場主要是通過綜合分析方法判斷。在此基礎上，根據不同的漏失通道確定堵漏及提高承壓能力的方法。在探索中形成了針對惡性漏失的膠凝駐留輔助多級分段堵漏技術。

1.1 膠凝駐留輔助堵漏技術

在漏失處理過程中，凝膠類材料是提高承壓的主要材料之一[6]。凝膠類材料通過高分子聚合物分子鏈間作用，形成超分子聚集體結構性溶液。凝膠類材料在水中形成均勻分散的不增黏體系，加入適量凝膠促進劑，加熱到適當溫度后，體系將逐漸增黏，直至形成高摩阻凝膠。凝膠過程可通過調節凝膠促進劑加量和溫度來控制，形成隔絕地層流體與井筒之間聯系的凝膠段塞，凝膠的封堵性如圖1所示。

圖1 凝膠封堵性實驗

在進入漏失通道后，凝膠材料有很高的靜結構強度，能充滿漏失裂縫空間，形成流動阻力很大的結構性流體，自動停止流動，具有一定的啟動壓力，可起到輔助防止漏失的作用。減緩后續堵漏材料在漏失通道內的移動速度，提供充分凝固或架橋時間，使封堵層更加致密，以此消除漏失。

1.2 裂縫性地層堵漏提高承壓能力技術

基礎配方通過片狀合成樹脂片在裂縫中搭建架構，纖維材料形成網架，充填大顆粒、小顆粒材料建立基礎的堵漏框架，調整配方中各成分的配比，適應不同類型的漏失需求。裂縫性地層堵漏機理如圖2所示。

圖2 堵漏材料機理示意

堵漏材料包括：合成樹脂片、礦物纖維、核桃殼、酸溶性堵漏片、隨鉆堵漏材料、快速失水堵漏劑等。

合成樹脂片是經高壓壓制的片狀橋接堵漏材料，可抗高溫高壓，化學穩定性良好，與泥漿的兼容性好，密度為1.30～1.55 g/cm3，不與弱酸和堿性材料反應，不溶于水基、油基與鹽水泥漿，最大酸溶度為21.5%。材料呈薄片狀，易在裂縫內翻轉架橋，承壓能力強，長時間浸泡不變形。進入漏層后形成封堵層，承壓能力高，顆粒間摩阻大，不易反吐。

酸溶性堵漏片主要以高酸溶、抗高溫合成礦物類片狀材料為主，輔配其他可酸溶堵漏材料，應用于儲層漏失，方便后期解堵。采用間隙擠注或循環堵漏進行儲層防漏、堵漏。

礦物纖維是由不同種類的微?；袡C纖維及礦物質混合而成的抗高溫合成材料，輔配其他隨堵類材料，進行隨鉆防漏、堵漏的技術。

在2015年，中央一號文件中指出了我國農業成本存在的問題。我國所有農產品的價格較高、成本高，在高價格和高成本雙重壓迫下，農業生產形勢越來越嚴重。再加上國內資源被過度開發，生態環境嚴重破壞，為我國農業的可持續發展帶來嚴重影響。面對上述兩種情況，我國需要利用國內市場和國外市場的資源，擴大對外投資規模和加強利用農業外資，促進農產品加工業出口貿易發展，對我國農產品對外貿易有重要意義。

在壓差和流速作用下，不同級配堵漏顆粒迅速的鍥入、堆積、鍥緊，形成高穩壓層。片狀材料在裂縫、孔隙中翻轉時易卡住架橋，為隨后顆粒提供屏障。堵漏材料在近井壁對地層進行加固，可進一步提高地層承壓能力。

高承壓堵漏漿配方：基漿+6%復合堵漏劑+5%礦物纖維+9%核桃殼+5%酸溶堵漏劑+4%NTS-S+1%隨鉆堵漏纖維+1%NT-T。

針對不同的縫寬，采用堵漏儀對上述配方進行評價（圖3）。結果表明，對3 mm 縫板、5 mm 縫板封堵承壓均可達10 MPa以上。

圖3 常規泥漿與堵漏材料封堵性對比

2 海洋鉆井井筒流動控制技術

精細控壓鉆井技術集恒定井底壓力和微流量控制功能于一體，鉆井過程中實現不間斷循環及實時精細控制井筒壓力，井底壓力波動小，控制精度可達0.35 MPa，而常規鉆井井底壓力波動達幾個兆帕。該技術應用于窄安全密度窗口地層安全鉆進，可防止井漏、溢流、漏噴同存等復雜情況發生。但是海洋鉆井作業環境不同于陸地，鉆井平臺作業空間極為有限，對壓力控制設備管匯撬的體積和重量有明確要求，無法照搬陸地精細壓力控制設備，亟需適合海洋鉆井井筒流動安全控制的相關裝備和技術[8]。

2.1 海洋鉆井井筒流動試驗模擬

針對涌漏同存情況，構建海洋鉆井井筒流動的計算模型，分析各種工況下井下壓力狀況。

井底壓力低于孔隙壓力時，儲層發生氣侵溢流，壓差越大溢流速度越大，儲層滲透率越高，氣侵越快；當液柱壓力超過井底壓力發生井漏，壓差越大，漏失速度越快，地層滲透率越高漏失速度越大。

而裂縫性儲層涌漏同存的嚴重程度與裂縫大小有關，同等井底壓力下，大縫地層其漏失速率及氣侵溢流量要遠高于中縫和小縫地層，小縫地層最小[9]。

國內外對井筒流動進行了大量研究，模擬多相流井筒過程中壓力、流體相態的變化，用于壓力的模擬分析?；诤Ｑ筱@井特殊溫度場、地層-井筒復雜耦合流動、鉆井液密度及流變性時變特性等，建立了多種計算模型[10-14]。

基于漂移流動模型建立海洋鉆井井筒氣液兩相瞬態流動數學模型，假設井筒內流體為多相流一維流動；巖屑及鉆井液固相含量為均值；不考慮井壁、鉆桿、套管彈性變形；不考慮相態變化?；谝陨霞僭O，建立海洋鉆井井筒鉆井液氣液兩相瞬態流動的一維流動基本控制方程。

對于非儲層段有：

對于儲層段，考慮氣層段和漏失井段的環空流動，在連續性方程中考慮源項的影響：

式中：ρg、ρl分別為氣相、液相的密度，kg/m3；αg、αl分別為氣相、液相的體積分數，即持氣率、持液率，無量綱；ug、ul分別為氣相、液相的速度，m/s；Fgl為氣液兩相間的相間作用力，N/m；Ffg、Ffl分別為氣相、液相的壁面剪切力，N/m；ρm為氣液兩相混相的密度，kg/m3；um為氣液兩相混相的速度，m/s；p為壓力，MPa；Qkp為單位長度的氣侵速率，m3/s；Qlp為單位長度的漏失速率，m3/s；C0為氣體分布系數，無量綱；ud為氣體漂移速度，m/s；t為時間，s；θ為井斜角，°。

鉆井過程中，若環空出現氣液兩相流，地層氣侵或溢流時，井口氣體和液體的流量、壓力等可以通過測量得到，但井底的情況是未知的，據此可以定義其邊界條件，如公式（7）。

可根據實際情況調整邊界條件，比如可根據PWD等設備，調整定解邊界條件。

海洋井筒流動預測模型依托海洋井筒流動試驗模擬裝置預測正常鉆進、控壓、起下鉆、開關泵、井漏、氣侵、漏噴同存等多種控壓鉆井工況。

模型準確性的檢驗是制約現場實際應用的瓶頸，需要大型試驗模擬裝置驗證各種模型的準確性，并對模型的參數進行校正，實現對模型準確性的判斷，驗證了井筒流動計算模型的精度[15]，并據此調整計算模型參數，研究依托的試驗設備如圖4所示。

圖4 井筒流動性試驗模擬裝備

如圖5 所示，模型模擬的壓力與設備實測壓力數據相吻合，可實現對連續氣侵過程的壓力動態模擬，以及海洋鉆井井筒流動特性的精細預測。

圖5 井筒流動性試驗模擬數據

2.2 緊湊型井筒壓力控制設備的研制

通過提高井壁承壓增大安全密度窗口范圍，并研發井筒流動精細計算模擬實現井底壓力實時準確預測。井壁承壓能力提高，計算精度提高，可以降低對壓力控制設備精度要求，實現壓力控制設備的緊湊化、集成化。通過技術研發，形成緊湊型井筒壓力控制設備，減少設備占地面積，解決鉆井設備尺寸超限問題。

緊湊型井筒壓力控制設備包括旋轉控制頭、自動節流管匯、回壓補償撬，滿足了海洋平臺對井筒壓力控制設備尺寸及重要的限制，從而解決了井筒壓力控制設備上平臺的難題，保障了海上控壓鉆井的順利實施，緊湊型井筒壓力控制設備主要組塊如圖6所示。

此外，由于海上環境潮濕，高鹽高腐蝕，對設備的材質及防腐要求更為苛刻，因此，在管道材質滿足工作介質為鉆井液、原油、天然氣、硫化氫的前提下，要求控制管線和傳感器為不銹鋼材質，并且規定設備的防腐噴涂使用年限符合SY/T 6919—2012標準要求的12年以上。

圖6 緊湊型井筒壓力控制設備主要組塊

緊湊型井筒壓力控制系統額定工作壓力≥35 MPa；井底壓力控制精度范圍為±0.35 MPa；撬塊最大質量小于15 t；最大尺寸6.2 m×2.5 m×2.7 m，設備總占地面積僅41 m2；自動節流管匯配置主、備、輔助3個節流通道，能夠自動切換，鉆井作業中可在線維護。當其中一路節流閥堵塞后，自動開啟另外一路節流閥，同時聲光報警；根據設定的套管壓力能分別自動控制3 個節流閥的開啟和關閉，始終使管匯臺的壓力維持在設定值附近，正負不超過0.35 MPa；回壓補償系統能夠在循環或停泵的作業過程中，進行流量補償，維持節流閥有效的節流功能，適應復雜工況的控壓鉆井作業中壓力補償的要求；全自動操作控制，實現高精度入口流量監測和輸出流量穩定的功能要求，高壓區最高工作壓力35 MPa，低壓區最高工作壓力2 MPa，排量6～20 L/s，排量誤差≤±5%。

系統監測及自動控制系統測量精度2‰，動態響應時間小于1 s；系統采用PLC 雙冗余系統設計，包括控制器冗余、控制回路I/O冗余和電源的冗余，實現故障系統與備用系統的自動切換；具備第三方傳輸OPC Server 接口，實現檢測與自動控制系統與第三方軟件的雙向通訊功能；具有溢流漏失預警功能，進行聲光報警和溢流漏失計量功能。

同時自主研發井筒壓力自動控制軟件，由參數采集監測、實時流體力學計算和遠程自動控制軟件等構成，完成系統之間的通訊和數據交互，向液氣控制系統發出調整指令，并監控指令和閥門開關情況；與井場錄井數據進行對接通訊，穩定的同步采集顯示鉆井參數；與定向數據進行對接通訊，穩定的同步采集顯示MWD 和PWD 等鉆井參數；具備水力模型實時校正，計算誤差小于0.2 MPa。

3 現場應用

渤海探井A1 井，215.9 mm(8.5")井眼鉆進至3 195 m，發現溢流，關井求取地層壓力當量密度1.51 g/cm3；壓井期間上部地層發生漏失，循環漏速40 m/h，發生“上漏下涌”的復雜情況，薄弱層深度約3 030 m。

經對地層巖性、漏失情況綜合分析，漏失為縫隙、溶孔洞導致，堵漏還需兼顧儲層保護，綜合分析地層承壓堵漏材料及級配，選用酸溶性堵漏材料施工，用大顆粒材料架橋，片狀材料楔入，纖維類、細小材料填充，逐步提高地層承壓能力，達到施工目的。

堵漏配方：基漿24 m3（密度1.25～1.30 g/cm3，黏度40～50 s）+9%核桃殼（粗、中、細）+5%復合堵漏劑+5%合成樹脂片+5%礦物纖維+5%酸溶性片狀堵漏劑+1%隨鉆堵漏劑，總濃度30.5%左右。

通過3 次擠注，地層承壓當量密度達到1.81 g/cm3。完成堵漏后，安裝緊湊型井筒壓力控制裝備，控制鉆完井過程中井底當量鉆井液密度在1.60～1.75 g/cm3間波動，安全快速鉆進至3 890 m，順利完成該井的鉆井作業。

完井中，采用隱形酸完井液體系，溶解酸溶性堵漏材料，恢復儲層產能，該井試采過程中獲得平均日產油411 m3，日產氣25×104m3的高產。

4 結論與建議

海洋堵控結合窄壓力窗口鉆井技術在渤中、渤南、曹妃甸、蓬萊等區域的三百余口井中成功應用，有效完成了包括渤中19-6 油田、渤中34-9 油田在內的多個高難度、大型油氣田的勘探開發工作。海洋鉆井井筒流動安全及井控應急治理技術，在推廣應用過程中對施工工藝、設備逐步優化，成本適中，易于推廣，取得了巨大社會效益和經濟效益。

建議：后續作業中裂縫性儲層漏失要考慮堵漏對儲層的傷害，兼顧后期解堵；堵漏成功后，防止起下鉆時破壞井壁，保持承壓能力；地震資料確定的大斷裂帶容易造成復漏，建議采用高效堵漏方法；壓力未知區域勘探開發也可運用堵控結合窄壓力窗口鉆井技術，采用低密度開鉆，鉆遇高壓層后依靠控壓設備提供回壓保證井控安全；膨脹管堵漏可為涌漏同存提供裸眼段封固的技術手段，是未來研究的一部分。