控壓鉆井解決碳酸鹽巖地層環空壓力波動研究

薛佳楠

（大慶鉆探工程公司新疆鉆探項目部，新疆 庫爾勒 841009）

據數據調查發現，全球范圍內沉積巖中有20%的碳酸鹽巖，而碳酸鹽巖中油氣儲量占全球油氣總儲量的60%以上。由此可見，碳酸鹽巖地層油氣開采是我國能源產業發展的重中之重。我國碳酸鹽巖主要分布于四川盆地、珠江口盆地、渤海灣盆地和塔里木盆地等地區。新時期下，隨著碳酸鹽巖地層開采規模的不斷擴大，鉆井作業也面臨諸多問題，例如儲層保護難、地層易漏失等方面。而地層壓力精細化管理有利于合理調整鉆井作業中的精神結構設計和鉆井液密度設計，對減少井噴、井漏等安全事故和提高鉆井作業安全性具有重要意義。為此，本文重點研究能夠解決碳酸鹽巖地層環空壓力波動的精密控壓鉆井技術方案。

1 碳酸鹽巖地層特點與鉆井難點

1.1 碳酸鹽巖組成及其地層特點

碳酸鹽巖的主要成分是膠結物、基質、孔隙和顆粒。依據結構—成因可將其劃分為三類，分別是生物礁巖、正化灰巖和異化顆粒巖。依據支撐物可將其劃分為兩類，分別是礫狀石灰石和石灰浮石。碳酸鹽巖地層的顯著特點是壓力系數低、儲層裂縫、洞穴復雜。而復雜的孔隙結構是導致碳酸鹽巖地層特點的主要原因，一方面，碳酸鹽巖的化學活動性較強，在長期掩埋中很容易發生溶蝕，另一方面，不同地質使其的生物類型和發展程度存在較大差異，再加上孔隙發育的影響，導致碳酸鹽巖孔隙結構復雜，進而導致碳酸鹽巖地層結構復雜，這給鉆井作業帶來較大難度。

1.2 碳酸鹽巖地層鉆井難點

第一，鉆井作業期間難以有效堵漏。由于碳酸鹽巖大多屬于化學沉積巖，縫洞發育不規則，地層壓力成因復雜，這就導致溶洞儲層中很難用常規的堵漏手段[1]。一旦鉆井作業中發現地層中出現較大裂縫，則需要平衡壓差才能制漏，而這勢必也會導致溶洞儲層中融入氣體量增加，一定程度上會提高鉆井風控工作的難度，增大鉆井事故風險。

第二，含有硫化氫的地層鉆井難度大。硫化氫是一種有毒氣體，無色，具有像腐爛臭雞蛋的氣味，同時能溶于水。鉆井作業中，為避免硫化氫氣體泄露常采取平衡鉆井作業，但這一操作勢必會造成一定量鉆井液流失，一方面易造成井底壓力失衡，增加鉆井作業安全風險。另一方面鉆井液遺漏也會危害儲層。

第三，難以掌握氣井井控。碳酸鹽巖地層鉆井作業期間，由于地層的特殊性，很難采用常規壓井方法，而一旦提高密度，同樣會導致壓力增大，進而造成遺漏量增大[2]，對鉆井作業造成一定影響，同時也增大了井控風險。

第四，稠油儲層鉆井工作難度大。稠油具有高密度和高粘度的特點，而且稠油中瀝青和膠質含量高，輕質硫含量少，這給鉆井作業帶來較大難度，采用常規鉆井作業方式很容易造成井漏[3]。而一旦采用欠平衡鉆井技術，則會導致稠油流動到井口附近，堵塞井控，同樣增加鉆井作業難度。

第五，地層壓力來源復雜，鉆井液密度窗口較窄。當鉆遇裂縫、溶洞時即使鉆井液密度與裂縫、溶洞內充填的地層流體當量密度相當，甚至更低。而且由于裂縫、溶洞通道較大，在循環壓耗、下鉆激動壓力等作用下，很容易導致鉆井液與地層流體發生置換[4]，出現有噴又漏的現象。

2 精細控壓鉆井概述

2.1 精細控壓鉆井概念

精細控壓鉆井是一種高精尖鉆井技術，是在鉆井全過程中對環空壓力進行精細化控制的一種鉆井技術。與傳統在鉆井技術相比，精細控壓鉆井技術可以實現對實時動態了解井下地層環空波動壓力，通過合理調整鉆井技術有效控制地層環空壓力，從而降低鉆井過程中的井壁失穩和井漏發生機率，提高鉆井作業安全性[5]。一般情況下，精密控壓鉆井期間，工作人員借助PWD 測壓工具可以實時動態監測井底壓力，而后利用節流管匯調整井口回壓，使井底始終處于平衡狀態。

2.2 精細控壓鉆井方案

目前常見的精細控壓鉆井方案主要有兩種，一種是回壓補償系統在環空內實時補漿，另一種是實時調節井口回壓保持井底壓力恒定。其中回壓補償系統在環空內實時補漿基礎上在鉆井作業期間通過自動調節節流開度，始終保持井筒內液柱高度不變，從而降低環空波動壓力[6]。常規作業下，由于井筒內液面高度與井底壓力密切相關，未灌滿泥漿更是引起鉆井作業時井底溢流、井涌的主要原因。再加上鉆具上下移動速度不一，很容易造成環空壓力波動較大，一旦井筒內液柱下降低，會導致井底壓力失去平衡，增大井底事故發生風險，常規控制手段也難以起到作用[7]。為此，可以通過自動調節手段實現實時補漿，保證井筒內液柱不變，從而解決鉆井作業時的波動壓力問題。

實時調節井口回壓保持井底壓力恒定的技術方案主要是通過先進的鉆井設備實現。目前國際上常用的精密控壓鉆井設備有四種，分別是PCDS-Ⅰ（中國石油集團鉆井空城技術研究院）、MPD 系統（Halliburton 公司）、DAPC 系統（Schumberger 公司）和MFDC 系統（Westherford 公司）。四種精密控壓鉆井先進設備的控壓形式、基本原理和技術特征整理如表1所示。

表1 四種精密控壓鉆井先進設備統計

3 鉆井作業中的波動壓力計算

現場鉆井作業期間，地層環空波動壓力主要包括鉆具慣性引起的波動壓力、泥漿粘滯力產生的波動壓力和泥漿靜切力引起的波動壓力。其中鉆具慣性引起的波動壓力是由于鉆井中鉆具上下移動導致環空泥漿向相反方向流動，從而產生的慣性力；泥漿粘滯力產生的波動壓力是指泥漿在與鉆具相反方向流動時，由于鉆具表面不是“完全光滑”，從而在流動過程中對泥漿產生摩擦力，從而引起的波動壓力；泥漿靜切力引起的波動壓力是鉆井作業時鉆具啟動瞬間產生靜切壓力引起的波動壓力。三種壓力計算方法如下：

（1）鉆具慣性引起的波動壓力。一般情況下鉆井作業時的鉆具慣性引起的波動壓力計算數學表達式如下：

當鉆具安裝有止回閥時：

式中：ρ——泥漿密度；

p波——波動壓力，Pa；

H——環空液面至鉆頭的高度，m；

a——鉆具上下移動的加速度，m/s2；

D1——鉆井井眼的直徑，m；

D2——鉆柱子的外徑，m。

（2）泥漿粘滯力產生的波動壓力。首先，計算環空平均流速大小。

式中：VL——環空平均流速，m/s；

VQ——下鉆速度，m/s；

Q1——管柱內流量。

其次，計算波動壓力大小。

當泥漿流態是絮流時，則有：

式中：H——鉆井深度，m；

?——范寧阻力系數。

當泥漿流態是層流時，則有：

（3）泥漿靜切力引起的波動壓力。一般情況下鉆井作業時的漿靜切力引起的波動壓力計算數學表達式如下：

由上述三種壓力計算方法可知，鉆具慣性引起的波動壓力與鉆具上下移動的加速度成正比。泥漿粘滯力產生的波動壓力與泥漿密度成正比。泥漿靜切力引起的波動壓力與靜切力成正比。相比較之下，鉆具慣性引起的波動壓力最大，對碳酸鹽巖地層中的施工安全具有重要意義。

4 案例分析

4.1 案例介紹

H 井位于鄂爾多斯盆地，井斜深、垂深分別為4582m、4218m，水平段長29m，最大井斜角為78.47°。H井井眼采用直—增—穩結構，三次開鉆后利用PCDS-Ⅰ系統實現精密控壓鉆井。

4.2 數據整理

表2為井深4100~4200m時系統實時監測的有關參數數據。

精密控壓鉆井作業期間，為降低加速度、井深等因素對波動壓力的影響。首先利用PCDS-Ⅰ系統控制鉆具上下移動加速度在0.3m/s2以內。其次，保證井底壓力一定時，井口壓力與波動壓力密切相關。啟動鉆具時，波動壓力與井口回壓變化規律大致一致，呈現波形圖變化。而起下鉆時，波動壓力與井口回壓波動方向正好相反，即波動壓力由最小值時，井口回壓最大。結合上述圖表數據和公式可知，起鉆時，波動壓力主要表現為抽吸壓力。井口控壓理想值為0.2MPa，計算得到環空壓耗為1.50MPa，波動壓力峰值為1.88MPa，則鉆井作業時井口附加壓力峰值為3.38MPa。下鉆時，波動壓力主要表現為激動壓力。隨著波動壓力的降低，井口回壓同時也會降低。同樣計算井口控壓理想值為0.2MPa 時，環空壓耗為1.54MPa，波動壓力谷值為0.59MPa，則鉆井作業時井口附加壓力谷值為2.13MPa。同時整理起下鉆回壓實時參數可知，H 井4100~4200m 作業期間利用PCDS-Ⅰ系統實現精密控壓鉆井有效解決了鉆井作業期間的噴漏問題，保證井底恒壓，實現零漏失、零復雜。

5 結論

綜上所述，利用PCDS-Ⅰ系統實時精密控壓鉆井技術方案能有效解決碳酸鹽巖地層環空壓力波動問題，降低鉆井作業期間井噴、井漏等事故發生幾率，既可以提高鉆井作業效率，避免人力資源浪費，又能保證不發生嚴重溢流，提高鉆井作業安全性。