西非S深水區塊裂縫性碳酸鹽巖地層控壓鉆井技術

趙德 趙維青 盧先剛 張欽岳

1. 中海油能源發展工程技術公司；2. 中國海洋石油國際有限公司

西非S深水區塊平均水深大于1500 m，泥線以下1000 m內淺部地層存在多套深水快速沉積復合體，存在淺層氣/淺層流風險，造成地層巖石剪切強度不足，地層破裂壓力較低，由于區域可參考鄰井資料較少，地層壓力不確定性較大，對鉆前地層壓力準確分析和鉆中壓力精細控制提出較大挑戰。另外，下部目標儲層為多套碳酸鹽巖裂縫性地層，裂縫發育為中等至高度發育，根據已有區域鄰井參考資料，碳酸鹽巖裂縫性地層漏失嚴重。同時，根據鄰井地層取樣資料顯示，區域地層存在含硫化氫風險。綜合以上情況，S深水區塊上部地層鉆井作業面臨地層壓力窗口較窄的風險(壓力窗口小于0.06 g/cm3)，下部碳酸鹽巖儲層存在嚴重漏失風險和含硫化氫地層井控風險。

控壓鉆井技術是解決S區塊鉆井挑戰的優選手段。目前應用比較成熟的控壓鉆井技術主要包括井底恒壓鉆井技術、雙梯度鉆井技術、泥漿帽鉆井技術和其他通過井下工具等實現的輔助控壓鉆井技術［1-4］。井底恒壓鉆井技術中的環空壓力動態控制鉆井技術在陸地和海洋鉆井中大范圍推廣應用，有效地解決了這些地區地層壓力窗口窄、溢流漏失頻繁、高溫高壓地層鉆井難度大等問題［5-7］。雙梯度鉆井技術主要用來解決海洋鉆井面臨的窄安全密度窗口問題， 該技術已實現商業化應用，逐步在墨西哥灣、北海等各個海洋區域推廣［8-9］。泥漿帽鉆井技術中的加壓泥漿帽鉆井技術在巴西深水鹽下碳酸鹽巖儲層應用成熟，實現該類復雜地層的安全、高效、經濟鉆進［10-11］。加壓泥漿帽鉆井技術是泥漿帽鉆井技術的一種特殊應用，其工藝對應用的工況要求非常嚴苛，主要適用于碳酸鹽巖高壓裂縫性油藏，鉆井液完全漏失、含有硫化氫等酸性氣體且硫化氫在地面不容易被安全處理的井［12］。

經過對比分析，發現各單項控壓鉆井技術無法同時解決S區塊面臨的窄壓力窗口、碳酸鹽巖裂縫性漏失及含硫化氫地層井控問題。基于只有加壓泥漿帽鉆井技術可有效解決嚴重漏失情況下地層硫化氫上竄風險，而環空壓力動態控制鉆井技術可有效解決地層窄壓力窗口和常規碳酸鹽巖漏失問題，且兩種技術方案控壓裝置及工藝技術相似，研究制定一種將兩者技術組合應用的控壓鉆井組合技術方案，以解決S區塊的特殊問題。

1 控壓鉆井組合技術方案

1.1 控壓鉆井組合技術方案可行性分析

環空壓力動態控制鉆井技術和加壓泥漿帽鉆井技術均采用地面環空控壓裝置和控壓管匯實現環空壓力控制，兩者控壓設備存在通用性，可以滿足技術組合應用要求，見圖1。

圖1 海上環空壓力動態控制鉆井技術和加壓泥漿帽技術裝備Fig. 1 Offshore equipment for annular pressure dynamic control drilling technology and pressurized mud cap technology

環空壓力動態控制鉆井技術和加壓泥漿帽鉆井技術主要差異為鉆井工藝，兩者實現井下恒壓控制的媒介不同：前者為動態的環空循環鉆井液，后者為靜態的低密度環空液(低密度鉆井液或海水)，見圖2。

圖2 環空壓力動態控制鉆井和加壓泥漿帽鉆井工藝對比Fig. 2 Comparison between annular pressure dynamic control drilling technology and pressurized mud cap drilling technology

根據2種技術的工藝不同，可通過在不同地層分階段應用、關鍵井段工藝轉換，實現兩者的銜接應用。針對上部薄弱泥頁巖地層和非嚴重漏失碳酸鹽巖地層使用環空壓力動態控制鉆井技術，實現對窄壓力窗口地層的漏失風險管控；針對下部裂縫性碳酸鹽巖嚴重漏失地層，轉換為加壓泥漿帽鉆井技術，控制嚴重漏失的同時防控地層硫化氫風險。

在上部泥頁巖地層，主要解決地層壓力窗口窄、井壁易失穩問題，采用環空壓力動態控制鉆井技術，盡量減少套管下入層次，為處理下部井段復雜情況預留應急套管下入空間。

在下部裂縫性碳酸鹽巖地層，主要解決嚴重漏失和含硫化氫地層井控風險問題，正常鉆井時使用環空壓力動態控制鉆井技術，井下鉆遇嚴重漏失層時，轉換為加壓泥漿帽鉆井技術，實現對嚴重漏失地層的安全有效控制。

綜合判斷分析，環空壓力動態控制鉆井技術和加壓泥漿帽鉆井技術組合應用從控壓裝備和控壓工藝兩個方面均具備可行性。

1.2 控壓鉆井技術轉換方案

環空壓力動態控制鉆井技術屬于常規控壓鉆井技術，設備及工藝操控相對簡單，整體可調控性較強。加壓泥漿帽鉆井技術需要將上返鉆井液和巖屑擠入漏失地層，對漏失地層容納鉆井液和巖屑的能力有較為苛刻的施工要求。對2種技術的轉換臨界條件進行準確判斷從而安全高效完成轉換方案是實現2種技術組合應用的關鍵。

1.2.1 環空壓力動態控制鉆井技術向加壓泥漿帽鉆井技術轉換

在正常使用環空壓力動態控制鉆井技術鉆遇嚴重漏失層后，需要對鉆井液環空攜巖效率進行評估，判斷環空壓力動態控制鉆井技術繼續使用的可行性。如無法繼續使用環空壓力動態控制鉆井技術，通過漏失地層擠注試驗確認地層的漏失容量，判斷加壓泥漿帽鉆井技術實施可行性。

(1) 鉆井液環空攜巖效率評估。如果井下發生嚴重漏失，環空返速低于最小攜砂要求，無法繼續使用環空壓力動態控制鉆井技術鉆進，進行地層擠注試驗。

(2) 地層擠注試驗評估。評估包括3項內容：隨鉆測井工具最小工作排量、繼續鉆進海水注入液最小攜巖排量和擠注壓力評估。

地層擠注測試時排量應滿足井下隨鉆工具最小工作排量。繼續鉆進過程中需要進行隨鉆測井，一方面滿足勘探地質資料收集要求，另一方面進行地層巖性識別和卡層，及時判斷裂縫性碳酸鹽巖漏失層厚度及是否有泥頁巖夾層，以確認中完深度，并防止井壁垮塌和卡鉆事故。

繼續鉆進時海水注入液最小攜巖排量。由于漏失地層物性較為復雜，為滿足加壓泥漿帽鉆井技術應用中地層對擠入鉆井液及巖屑容納量，應盡量使用較小的鉆進排量。在滿足上述隨鉆工具最小工作排量后，繼續鉆進時海水注入液的攜巖問題可以通過間隔泵入稠塞鉆井液攜砂以及適當控制機械鉆速的工程方案解決，以維持盡可能低的繼續鉆進排量，減小因巖屑進入漏失層過快導致裂縫堵塞的復雜情況。

(3) 擠注壓力評估。滿足上述排量的擠注壓力應小于地面控壓設備和隔水管的額定工作壓力。

轉換方案：地層擠注試驗評估合格后，環空擠入低密度環空液，將原環空鉆井液擠入漏失層，鉆桿泵入海水注入液，使用加壓泥漿帽鉆井技術繼續鉆井。

1.2.2 加壓泥漿帽鉆井技術向環空壓力動態控制鉆井技術轉換

在加壓泥漿帽鉆井技術鉆進過程中如果發生漏失層裂縫被注入巖屑封堵，鉆井液擠注壓力升高，環空背壓超過控壓裝置額定工作壓力限制，無法滿足繼續鉆進要求時，應考慮安全轉回環空壓力動態控制鉆井技術或下入應急套管，提前中完。

(1) 加壓泥漿帽鉆井技術鉆進過程中鉆井液擠注壓力超過控壓裝置額定工作壓力，進行鉆井液環空攜巖效率評估。

(2) 在地面控壓管匯控制下重新確認漏失量，如漏失量減小，鉆井液環空返速滿足攜砂最小排量要求，可轉回常規控壓鉆井技術。

(3) 如果漏失量仍然較大，鉆井液環空返速無法滿足攜砂最小排量要求，下入應急套管，提前中完。

轉換方案：鉆井液環空攜巖效率評估合格后，鉆桿泵入常規鉆井液，頂替置換環空低密度鉆井液，建立地面鉆井液循環回路，恢復環空壓力動態控制鉆井技術鉆進。

綜上所述，組合技術的轉換方案是一種動態互換過程，需要根據井下漏層情況實時調整，轉換方案決策流程見圖3。

圖3 控壓鉆井組合技術方案實施決策流程Fig. 3 Decision-making process for implementing the technical scheme of the managed pressure drilling combined technology

2 現場試驗

S區塊X-1井水深1600 m，設計井深5600 m，碳酸鹽巖儲層上部為大套泥頁巖，沉積多套深水快速沉積層，地層強度較低，?444.5 mm井段最大地層壓力窗口0.07 g/cm3，下部儲層為多套裂縫性碳酸鹽巖地層，裂縫發育程度為中～高，地層流體存在含硫化氫風險，本井鉆遇碳酸鹽巖層厚約800 m，設計井身結構見圖4。

圖4 S區塊X-1井地層和井身結構Fig. 4 Formation and well structure of Well X-1 in Block S

2.1 X-1井控壓鉆井組合技術基本方案

(1) 在上部?444.5 mm井段和?311.2 mm井段泥巖地層和常規漏失碳酸鹽巖地層使用環空壓力動態控制鉆井技術鉆進，使用接近或略低于預測地層壓力的鉆井液密度(預測目標井段最大地層壓力1.18 g/cm3，選擇鉆井液密度1.20 g/cm3)，通過井口環空控壓裝置主動施加環空背壓，保持井底當量密度恒定，有效避免常規泥巖地層因破裂壓力過低導致的人工壓裂性漏失，同時滿足井控和井壁穩定性要求，解決地層薄弱帶來的地層壓力窗口窄問題。

(2) 在下部?311.2 mm和?215.9 mm井段碳酸鹽巖地層，發生嚴重漏失后，經綜合評估，轉換為加壓泥漿帽鉆井技術鉆進，環空置換為低密度環空液(密度1.03～1.05 g/cm3)，減少井下漏失量，期間通過井口控壓裝置被動施加環空背壓，保持地層壓力平衡，防止地層氣體進入井筒，當采用加壓泥漿帽鉆井技術鉆進期間發生井下氣體滑脫上移時，使用硬頂壓井法，通過環空低密度鉆井液將侵入氣體擠回地層。另外，鉆桿內頂替海水為鉆進海水注入液(密度1.03 g/cm3)，繼續鉆進裂縫性碳酸鹽巖地層，鉆進產生的巖屑通過海水注入液攜帶至裂縫性漏失層內。

(3) 如漏失層因巖屑注入發生封堵，無法繼續使用加壓泥漿帽鉆井技術鉆進，經綜合評估后，轉換回環空壓力動態控制鉆井技術鉆井或下入應急套管提前中完。

2.2 轉換臨界條件判斷及轉換方案

(1)鉆井液環空攜巖效率評估。計算環空攜砂最小排量，見表1。以?215.9 mm井段為例，當正常排量鉆進過程中發生漏失時，環空返出鉆井液量減少，為滿足環空攜砂要求，返出量應大于850 L/min。

表1 環空攜砂最小排量Table 1 Minimum displacement for carrying sand in annulus

(2) 地層擠注試驗評估。地層擠注試驗最小排量見表2。以?215.9 mm井段為例，如果地層擠注排量大于1100 L/min，轉換至加壓泥漿帽鉆井技術；如果地層擠注排量介于650～1100 L/min，下入應急套管，在?152.4 mm井段使用加壓泥漿帽鉆井技術；如果地層擠注排量小于650 L/min，無法使用加壓泥漿帽鉆井技術，需要選擇對地層進行堵漏。

表2 地層擠注試驗最小排量Table 2 Minimum displacement for formation squeeze testing

(3)擠注壓力評估。以某控壓裝置額定壓力為例，旋轉控壓器鉆井工況下額定承壓10 MPa，擠注試壓時環空使用的是常規鉆井液，加壓泥漿帽鉆井技術鉆進時環空使用的是低密度鉆井液，環空靜液柱壓差為6 MPa，允許擠注壓力為4 MPa。

2.3 控壓鉆井組合技術風險分析

在控壓鉆井組合技術應用過程中對工藝流程操作和井下工況判斷有其特殊要求，需要進行有針對性的風險分析和防控方案制定。

2.3.1 井控安全及天然氣水合物防治

在使用加壓泥漿帽鉆井技術繼續鉆進時，要重點關注環空地層氣體的侵入和滑脫，正常措施是及時將侵入氣體采用硬頂法擠回地層，但當漏失地層被巖屑封堵后，需要將環空低密度鉆井液置換為常規鉆井液時，在含氣環空低密度鉆井液經過海底隔水管附近時，存在由于海底低溫和高壓環境產生水合物的風險，需要進行專項天然氣水合物生成風險分析和制定防治方案。

2.3.2 設備穩定性

新區域新探井面臨鉆井船裝備的磨合問題，其中尤為突出的是控壓鉆井設備這種非常規鉆井設備，其操作流程相對復雜，使用過程中設備存在故障停工風險，從而導致井下異常復雜情況發生。所以需要提前對設備進行調試檢驗，為了增加井隊人員和第三服務商人員對設備操作的熟練度，應提前一開運行控壓鉆井設備，對設備和人員進行充分磨合。

2.3.3 后勤保障

井下發生嚴重漏失時，首先要考慮采用常規堵漏方法進行堵漏，現場應儲備足夠的堵漏材料，同時在加壓泥漿帽鉆井技術鉆進時要根據地層氣體侵入和滑脫情況需要在環空間隔泵入低密度鉆井液將其擠回地層，環空低密度鉆井液消耗材料需要進行充分準備。西非區域由于作業資源有限，需要提前做好后勤物資保障工作，保障作業安全、高效進行。

3 結論

(1) 西非S深水區塊裂縫性碳酸鹽巖地層鉆井面臨窄地層壓力窗口和裂縫性地層嚴重漏失雙重風險挑戰，同時存在硫化氫井控風險，為成功實現勘探鉆井任務，需要對環空壓力進行精細控制，單項控壓鉆井技術無法兼顧上述風險，環空壓力動態控制鉆井技術和加壓泥漿帽鉆井技術兩項技術相互結合可有效解決上述問題。

(2) 環空壓力動態控制鉆井技術和加壓泥漿帽鉆井技術使用的控壓鉆井設備較為相似，可通過優化設計實現兩者作業過程中高效轉換，整體應用方案安全可行。

(3) 控壓鉆井組合技術對設備和人員的綜合要求較高，轉換操作流程相對復雜，應用過程中對地層的識別判斷有較高經驗要求，需要對不同作業人員、不同區域、不同復雜地層進行針對性應用分析，以提高技術的適配性和安全性。