高溫高壓井ECD校核與控制技術要點探究

韋小奇，秦張斌(中海油田服務股份有限公司鉆井事業部深圳作業公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

在高溫高壓井鉆井中，液密度不作為常數出現，其液流變性會隨著當前條件的變化而發生改變，ECD校核與控制技術作為全過程執行的重要組成部分，需要從獲取各項參數方面入手進行調整和優化，在不同工況與環境條件下合理選擇相應的控制技術，以此進一步控制井筒壓力、降低鉆井成本，避免執行過程中出現地層壓漏或相關問題，最終降低井漏噴塌等復雜情況的發生概率，為工程后續工作開展做好鋪墊，保證全過程能夠實現安全鉆進，防止風險問題的發生。

1 高溫高壓井ECD校核與控制技術發展趨勢

在高溫、高壓鉆井條件下，可能會因復雜現場情況而引發建設風險問題，若想保障建設全過程的安全性和穩定性，需要加大油氣勘探力度，關注溫度壓力對鉆井液密度的影響，隨后結合實際對鉆井液密度進行計算，掌握溫度與壓力對鉆井液密度規律，做好高溫、高壓工況下的ECD預測并展開相關工作，通過精確計算井底壓力獲取鉆井液的循環當量密度值[1]。高溫高壓井ECD校核與控制對安全性和穩定性有著重要影響，為此要綜合考慮高溫高壓對鉆井液密度，近年來我國對相關工具開發進行了較多的研究，最終目的是攻克高溫、高壓條件下風險高、難度大的問題，結合鉆井液循環當量密度做好調整，獲取靜態當量密度與環空壓耗相關參數，研究發現鉆速提升后循環當量密度會隨之增大，為此要控制鉆進的鉆速保證ECD大小符合預期，使環空濃度保持在適當的范圍內。

高溫高壓井ECD校核與控制主要是針對當量循環密度開展的工作，為了更好地控制電子俘獲檢測器數值，要做好井眼的清潔保證洗井徹底，鉆屑能夠及時地排除。在執行過程中，可以結合實際需求選擇使用流變性較低的流體，配合可膨脹的管柱來保持井眼尺寸，更好地對井底進行清洗，在井口提升鉆井液的排量以降低摩擦率，最終使當量泥漿密度值(ECD)能夠降下來[2]。傳統思路控制在當前環境下應用仍然存在一些缺陷，若想契合工程的實際建設需求，必須考慮ECD校核與控制技術發展趨勢，研究動態壓力控制系統(DAPC)與不間斷循環系統，結合各類參數信息數據改變鉆井液的流變性，從而降低靜態當量密度，發揮ECD校核與控制的作用，通過不間斷循環的方式減少鉆井作業費用支出。

在此基礎上，未來還要關注高溫高壓下的密度模型，要求以經驗模型與復合模型為主，全面考慮到現存的各類影響因素，通過解析法推導出鉆井液密度與外部環境之間的關系，配合高溫高壓的鉆井液密度的試驗，對模型當中的特性常數進行確定，結果保持高度的一致性，比傳統模型能夠得出更加真實準確的數據，最終達到降低ECD的目的[3]。為了能夠更加精準的描繪流動方式，要精確估算鉆井液密度與摩擦壓降。注意到高溫高壓的工況的穩定性問題，通過實例驗證并計算鉆井液密度變化對靜態壓力的影響，得到在既定條件下的流變性能，確保實測值偏差可以控制在標準范圍內，最終滿足現場工作開展的實際需求。

2 高溫高壓油基鉆井液流變性分析

2.1 高壓油基鉆井液流變性模式

隨著超深井的發展，不僅衍生出了一系列的特殊鉆井工藝，且鉆井液體系也開始逐漸復雜化[4]。高溫高壓井ECD由當量靜態密度與附加當量循環密度組成，與巖屑、巖屑床、鉆柱偏心與旋轉等都有很大的關系，為了能夠有效對高溫高壓鉆井液流變性進行分析，需要對傳統模式進行優化，借助冪律、赫巴、羅斯等化學方程式開展后續參數獲取工作，得到準確的密度計算模型，調整環空循環壓耗與鉆井液的流變模式，從而進一步滿足現場的實際要求。

式中：K為稠度系數；n為流性指數。

式中：τ0為屈服值；K為稠度系數；n為流性指數。

式中：A為稠度系數；C為剪切速率校正值；B為流性指數。

控制速率與流變模型參數誤差，以此為后續工作開展提供相應的參考。

2.2 高壓油基鉆井液流變性計算

在鉆井的過程中為了提升ECD的精度，必須合理開展高壓油基鉆井液流變性計算工作，對各項參數進行計算，利用旋轉黏度計測得的原始數據，提升高溫高壓井底 ECD 的精度，避免在初始階段存在問題。在執行中也可以運用流變模型方程通過傳統公式推導將計算過程簡化，通過測量力矩與轉速推導出流體在變性條件下的所受力，該方法在整體上更為便捷且可靠性更高，適用于冪律、羅斯等流變模型。在實際應用中需要確定鉆井液流變參數，得出圓筒壁面剪切速率與轉速關系如下：

式中：R2為旋轉黏度計外筒直徑(cm)；R1為內筒直徑(cm)；N為旋轉黏度計轉子轉速(r/min)。

通過方程推導得出修正系數值，確定鉆井液流變參數，隨后結合現場鉆井液的相關參數進行處理，分布規律按牛頓流體流變規律進行確定，通過修正進行后續流變參數計算，保證最終結果的準確度。

2.3 高壓油基鉆井液流變性總結

在高溫高壓井當中會遇到窄密度窗口情況，而鉆井液密度受溫度壓力影響較大，溫度產生膨脹效應；壓力產生壓縮效應，在此條件下密度與流變性都會發生一定的改變，溫度較低時鉆井液黏度呈現急速下降趨勢，溫度超過120 ℃后，鉆井液流變特性隨溫度變化不明顯，如不對此關注則可能出現測量值偏差。現有高溫高壓流變參數預測模型會囊括三參數流變模型、四參數流變模型，隨著技術的發展與進步，現如今已經可以準確描述鉆井工作流變特性，后續則應建立一套適用于所有流變模型的高溫高壓流變參數計算方法，保證工作開展的準確性[5]。

3 高溫高壓井ECD校核與控制技術

3.1 當量泥漿循環密度ESD與ECD的計算

井底壓力計算是研究過程中重點內容之一，鉆井液的數值不再是井口測定的固定數值，井下溫度與壓力增大對鉆井液密度產生影響，在相關工作開展過程中要注重各類外部影響因素，如當前建設區域的泥漿窗口密度比較窄，則需要對當量泥漿密度加大關注，對井筒內鉆井液密度、壓力變化進行預測，據物相平衡原理分析鉆井液、水基鉆井液不同溫度壓力下密度，以HTHP組份法為主建立鉆井液密度模型，在該模型中假定鉆井液由基油、水、鹽、加重材料等固相及化學處理劑組成，假定常溫常壓下鉆井液中各組分體積分別為Vo、Vw、Vs1、Vs、Vc，總體積可表示為：

鉆井液總質量為：

式中：ρo為常溫、常壓下鉆井液中油相的密度；ρw為常溫、常壓下鉆井液中水相的密度；ρs為常溫、常壓下鉆井液中鹽的密度；ρs1為常溫、常壓下鉆井液中加重材料的密度；ρc為常溫、常壓下鉆井液中化學處理劑的密度。

遇到窄窗口密度的情況，需要考慮壓耗與波動壓力，針對ECD的計算結果與記錄數據進行校核，在遇到高溫高壓的情況下更加準確地控制井下壓力，為鉆井提供數據支撐，實現安全穩定鉆井[6]。

為保證窄密度窗口安全鉆井，基于PWD強化ECD實時監測，對多參數實時聯動調控微壓差，相對于傳統鉆井增加井下 PWD工具，主要優勢是設備簡單、占地面積小，井底ECD數據可以直接傳輸至控制中心，自動發出調整指令預測允許ECD值，結合當前實際情況選擇關閉位于連接器中部的盲板，上部壓力腔壓力被釋放，下壓力腔進入鉆桿而使鉆井液循環，結合快速混漿裝置等設備實現正常鉆井，此時壓力腔中充入鉆井液平衡鉆柱內外壓力，卸開鉆柱公螺紋和母螺紋，分成上下2個壓力腔，依靠司鉆房操作直流鉆井液泵完成工作。鉆井液經過管匯聚集，比對排量、轉速、鉆井液密度等推薦值，如條件不允許則可以選擇關閉連接器上下閘板，密封腔重新充壓，壓力腔的卸壓、加壓都通過連接器完成，滿足要求后鉆井過程再次開始，鉆具后釋放連接器壓力腔中的壓力，回流的鉆井液通過管路進入鉆井液池，流向鉆柱鉆井液從未停止過，避免鉆井液的損失和浪費。在后續循環短節的調整過程中，要從高壓儲層段鉆井、循環方面入手，在連接過程中需要對管匯和閥門進行控制，壓力和流量一直處在連續控制中，從而使上下鉆井液壓力達到平衡，ECD恒定高于地層壓力0.01～0.02 g/cm3，而微壓差定量精確控制，復雜時效由65%降至5%以下，保證后續工作開展的安全性和穩定性。

3.2 高溫高壓井ECD控制技術

3.2.1 井底壓力控制的基本原理

在高溫高壓井當中，井筒內氣液混合物會造成直接影響，為實現對高溫高壓井ECD的控制，需要結合需求調節泥漿密度，在井筒流體不循環的時候，要合理選擇鉆井液的密度，確定好井筒的環空壓力剖面，針對安全泥漿窗口適當施加回壓，實現對井底壓力的控制，以此保證鉆井的安全快速，滿足在高溫高壓條件下控制當量密度的要求。在高溫高壓井當中，井底壓力控制要對參數進行選擇，通過控制節流閥來調整套壓，可結合鉆井區域情況在井口適當增加回壓，使高溫高壓井井底壓力在安全窗口之內，在降低泥漿密度的同時控制井內ECD變化，優化靜態壓力與動態壓力，泥漿安全密度窗口較窄的情況下也能實現有效壓力控制。

鉆井與停泵的過程中，現場中一般會預設井內的套壓為0，結合部地層壓力不確定等復雜地質條件做好排量選取，設計出合理和安全的井身結構。如高溫高壓井安全壓力窗口窄，則需要做好不確定性分析，評估套管鞋處地層是否滿足承壓要求，隨后要做好雙向迭代設計，考慮溫度效應的井壁穩定性，確定套管最大允許下深和最大允許全角變化率，以此避免出現時效低、成本高的問題。在此基礎上，需要做好地質條件下地層壓力和分析，基于高溫高壓井控原則，利用專業軟件計算出套管的最大懸重，通過模擬不同工況條件，從井控角度評估套管下深是否合理，立足一級井控及時控制二級井控，全井眼ECD和ESD井套壓不超過上層套管鞋處破裂壓力，固井評估則關注漏失層的漏失壓力，要求最大ECD不超過薄弱點破裂壓力，最后評估補償器提升能力和鉆機提升能力，進而規避風險。

3.2.2 ECD控制技術的相關參數的影響

ECD控制技術的相關參數的影響必須加大關注力度，在實際執行過程中需要收集相關數據并對其進行劃分，考慮到鉆井液性能的變化會造成井筒溫度場與壓力場發生變化，在準備階段必須高效、高質地完成所有工作，并在此基礎上進行管段劃分，隨后評估風險級別，并在此基礎上結合當前現狀進行風險識別，以此進行深度優化[7]。在參數確認階段需要對收集到的信息進行整理和分類，結合當前實際情況明確檢測目的、方法以及時間，根據參數條件開展完整性評價，保障最終參數與測試結果保持一致，從而提高工作的整體效果。高溫高壓對鉆井液的密度影響較大，鉆井安全隱患排除工作必須做好識別，考慮井內實際泥漿密度與黏度等指標，結合鉆井的實際情況做好算例分析，對可能存在的風險進行了解，客觀評估風險和風險危害性。如井筒溫度壓力之間相互作用，則要獲取泥漿密度在高溫高壓下的變化，及時防范和制止各種不安全因素，運用科學合理的風險管控工具進行預測，避免出現人為意外風險。同時，要對參數信息資料、數據資料綜合考慮區域的泥漿密度，探求泥漿性能變化，以入口數值進行計算，否則很容易產生復雜情況。為此在進行高溫高壓井井筒壓力計算的過程中，要探求循環時間對ECD計算的影響，發現問題后需要向有關部門及時匯報，根據最后數據結果進行判斷，隨后制定切實可行的對策進行完善，將現存問題合理解決。在高溫高壓井的鉆井過程中，泥漿密度值比入口密度要大，為此要展開流變實驗研究，以某井為例，其井套管尺寸為311.2 mm，下入深度為 3 791 m，鉆井采用127 mm鉆桿，井底地層壓力測得為108.87 MPa，針對限定條件為不同循環時間下的井筒內的溫度分布情況進行探究，控制其循環時間作為自變量，發現鉆井液體積縮小ECD變大；鉆井液體積變大上部ECD減小。本次實驗循環時間為25 h，循環時環空壓耗大小與泵排量的1.8次冪成正比，在控制變量的情況下環空ECD會隨井段上部分的溫度增大，為此要優選參數達到最佳的安全配置。

3.2.3 不同工況下的ECD控制技術與方法

為了保證井底壓力處在合適的范圍內，需要及時掌握參數變化情況，通過調節節流閥控制井底壓力，在排量Q不變，泵壓P下降的情況下，隨著鉆井液的循環，油氣混合物上升。因此，要及時調節節流閥參數，使立壓恢復到初始大小，如泵壓出現較為明顯減小時，需要緊密關注泵壓的變化，保證井內恒壓，有氣體產生立壓會下降，此時需要做出有效判斷，精準下達后續執行指令，提高回壓促使泵壓升高。

環空保護液壓力自動平衡控制可解決測試期間因溫度變化引起 的壓力變化，井筒溫度升高環空流體膨脹；井筒溫度降低環空流體收縮，為保證測試期間壓力處于安全范圍值，必須關注作業過程中產生的波動壓力，節流閥不能夠對井內壓力進行控制時可認為增加回壓[8]。

排量Q不變，立壓套壓升高時，可以通過循環排氣的方式降低套壓，如發生節流閥不能操作的情況，則說明地層壓力預測值過小。為此要及時進行關井操作，根據壓差值設計加重值，在此過程中收集到的各類數據資料必須進行儲存，方便日后在有需要時進行調取和利用。且信息數據分類保存也可以為方便開展企業的相關工作，將隱患整改工作和相關措施貫徹落實，為該領域后續發展提供有效推動力。

在此基礎上，需要明確這些監管單位的具體責任，結合實際需求進行調整，做好鉆井保護、安全監督以及質量監管等工作，結合當前的實際情況制定出有效方案，從而避免風險問題的出現。排量不變立壓套壓下降明顯時，如果出口流量變小則可能存在漏失，可利用井筒多相流理論模型預測控制理論進行壓力控制設計，提早發現問題進行優化。且能夠為后續工作的開展提供保障，在執行的過程規范作業，切實發揮全過程監督管理的作用，避免因“小問題”而發展成“大隱患”。

在實際執行過程中，需要充分利用現代信息技術進行優化和完善，包括監測技術、勘察技術、信息技術、傳輸技術等，并在此基礎上設置應急預案處理各類突發性問題，以ECD校核與控制技術作為保障高溫高壓鉆井正常運行的一道防線，切實發揮各技術的實際作用，避免高復雜條件下發生風險問題。針對溫度壓力等級更高的井，亟需做好技術儲備，強化高溫高壓井對鉆井液技術應用，在現有技術基礎上進一步加強理論和工程技術研究，指導完成后續的施工作業。

4 結語

高溫高壓井ECD校核與控制技術對于鉆井安全有著直接作用，在實際工作開展中必須做好流變性測試實驗，關注鉆井液密度和流變參數所造成的影響。隨著循環時間的增加，環空鉆井液密度與稠度系數逐漸增加，環空壓耗和井底ECD會隨之增大。只有大力發展高溫高壓鉆完井技術，才能保障高溫高壓井的安全作業，為后續該領域的發現提供幫助，最終避免風險問題的發生。