國產(chǎn)精細控壓鉆井裝備在塔里木盆地的應用

石林 楊雄文 周英操 李懷仲 王瑛

1.中國石油集團鉆井工程技術研究院 2.中國石油塔里木油田公司塔中項目經(jīng)理部

國產(chǎn)精細控壓鉆井裝備在塔里木盆地的應用

石林1楊雄文1周英操1李懷仲2王瑛1

1.中國石油集團鉆井工程技術研究院 2.中國石油塔里木油田公司塔中項目經(jīng)理部

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖地層屬于典型的窄密度窗口地層，常規(guī)鉆井存在諸多技術難題，井下復雜情況頻發(fā)，水平井常常因井漏溢流而被迫提前完鉆。針對該區(qū)塊地層特點、鉆井難點及控壓鉆井的應用情況，對比分析了國產(chǎn)精細控壓鉆井與國外相關公司的裝備特征，重點介紹了國產(chǎn)精細控壓鉆井裝備在塔里木盆地碳酸鹽巖復雜地層實施中的適應性、對策及應用效果，其中在TZ26－H7井創(chuàng)造了進尺1 476 m的新紀錄（水平段進尺1 345 m，全井水平位移1 647 m）。該區(qū)3口井水平段鉆井應用的結果證明：國產(chǎn)精細控壓鉆井裝備及技術能夠適應塔里木油田碳酸鹽巖裂縫性儲層的鉆井需求，有利于儲層油氣的發(fā)現(xiàn)和保護，可有效控制溢流、漏失等井下復雜對鉆井作業(yè)的影響，減少非生產(chǎn)時間損失；國產(chǎn)裝備的各項性能和指標均達到或超過國際先進水平，為常壓壓裂縫性窄密度窗口油氣層安全鉆井提供了一種技術手段，具備投入規(guī)模化工業(yè)應用的條件。

塔里木盆地 控壓鉆井 裝備國產(chǎn)化 碳酸鹽巖 對策分析 適應性評價 現(xiàn)場應用

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖地層縫洞系統(tǒng)發(fā)育且分布無規(guī)律，屬于典型的窄密度窗口地層［1］，常規(guī)鉆井過程復雜情況頻發(fā)，常未鉆至設計井深就被迫完鉆。精細控壓鉆井技術［1－2］是實現(xiàn)窄密度窗口安全鉆井的主體技術之一，可有效解決井下復雜情況。自2009年以來，中國石油塔里木油田公司引進Halliburton公司的控壓鉆井系統(tǒng)在該區(qū)塊進行精細控壓鉆井服務，至今，精細控壓鉆井技術在塔中地區(qū)應用超30口井，成功地解決了窄窗口地層噴、漏、卡等復雜問題，有效延長了水平段長度，鉆井周期明顯縮短。

中國石油集團鉆井工程技術研究院依托國家科技重大專項自主研制開發(fā)的PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)是一套全新的MPD系統(tǒng)，以流量和壓力為控制目標，具備全自動、自適應、高精度和響應速度快等技術特點，滿足鉆井工藝和井下控制的需求，此前該裝備已在川渝地區(qū)［3－4］、華北古潛山成功進行4口井的現(xiàn)場試驗，2011年確定在塔里木中古105H、TZ26－H7井和TZ26－H9井碳酸鹽巖復雜地層進行現(xiàn)場試驗，以促進國產(chǎn)控壓鉆井技術與裝備迅速發(fā)展和規(guī)?；F(xiàn)場應用，本文重點介紹國產(chǎn)精細控壓鉆井在塔里木盆地碳酸鹽巖復雜地層的對策分析、適應性評價、應用效果和評價分析。

1 地層特點和鉆井難點

1.1 地層特點

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲層，壓力系數(shù)低，儲層裂縫、洞穴十分發(fā)育，縫洞一體，雖然碳酸巖地層相對穩(wěn)定，但產(chǎn)層對作用其上的壓力相當敏感，儲層壓力與漏失壓力相近，實施近平衡壓力鉆井時的鉆井液安全密度窗口小于循環(huán)附加壓力，鉆井施工中經(jīng)常井漏和溢流同時發(fā)生，幾乎找不到平衡窗口。

1.2 鉆井難點

此前人們對本區(qū)碳酸鹽巖儲層的鉆井難點進行了系統(tǒng)總結，在儲層段鉆進易于出現(xiàn)5大問題［5］。

1）地層壓力敏感，鉆井液密度窗口窄。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，甚至還低，由于裂縫、溶洞通道大，在循環(huán)壓耗、下鉆激動壓力等作用下，也會發(fā)生鉆井液與地層流體的置換，在實鉆過程中就會表現(xiàn)出既噴又漏的現(xiàn)象，嚴重時有進無出。

2）氣井井控難以掌握。常規(guī)壓井方法不適用，一旦提高密度，就會陷入惡性循環(huán)，越壓越漏，井控難以控制掌握。

3）含H2S地層安全鉆井難度大。為了控制H2S氣體的溢出，只能采取過平衡鉆進，造成鉆井液的大量漏失。在鉆進過程中又噴又漏，鉆井液漏失量大，對儲層造成傷害，對于水平井，安全問題更為嚴峻。

4）稠油儲層鉆井復雜事故多。常規(guī)鉆井也可能伴隨井漏，此時若使用欠平衡鉆井技術，稠油將上返到井口附近結塊、堵塞環(huán)空，導致鉆進困難。

5）堵漏難度大，勝算少。實踐證明，有些縫洞發(fā)育尤其是較大溶洞的儲層，堵漏的路基本是行不通的。如果地層具有較強漏失能力（如鉆遇中大裂縫），則可能需要較大欠平衡壓差方可制漏，較大的欠平衡壓差將會導致較多的氣體涌入量，這將增加井控安全的風險。

2 裝備對比與適應性分析

2.1 精細控壓鉆井的特點

國際鉆井承包商協(xié)會（IADC）定義控壓鉆井MPD技術為“用于更好地在全井精確控制環(huán)空壓力的一種鉆井流程”，MPD的目標在于確定井下壓力范圍，從而控制環(huán)空壓力剖面，減少井漏和井壁失穩(wěn)風險，是對付惡劣鉆井環(huán)境的關鍵技術［6－9］。

精細控壓鉆井使用低密度鉆井液，通過井底PWD測壓工具給地面提供實時的井底壓力［10］，通過節(jié)流管匯提供合理的井口回壓，在起下鉆和接單根過程中利用回壓泵配合自動節(jié)流閥保持井底處于微過平衡狀態(tài)（圖1）。

控壓鉆井力圖控制井底壓力不壓漏地層，同時又不發(fā)生過大的和不可控的溢流，介于平衡鉆井與欠平衡鉆井之間，其優(yōu)點為：在井漏情況下能夠迅速降低井底壓力；能夠更早的檢測到井漏、井涌；能夠在井口迅速提供回壓，阻止進一步井侵；能夠降低井底壓力，減少壓差卡鉆的風險；在井控狀況下能夠更好地控制井底壓力，能夠更好地保障鉆井作業(yè)安全。

圖1 PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)流程圖

2.2 精細控壓鉆井系統(tǒng)裝備對比

以哈里伯頓控壓鉆井技術為例，與常規(guī)鉆井相比，該技術增加井底隨鉆測壓儀器、自動節(jié)流管匯及回壓補償循環(huán)系統(tǒng)等。對井下溢、漏現(xiàn)象監(jiān)測更加精確，精度可達0.05 m3，對井底壓力控制更加穩(wěn)定，基本接近地層壓力，能實現(xiàn)真正意義上的控壓鉆井。

目前國際上成功應用于控壓鉆井實踐的裝備主要有3大類：Weatherford的MFC系統(tǒng)，Schlumberger的DAPC系統(tǒng)和Halliburton公司的MPD系統(tǒng)。表1為不同控壓鉆井系統(tǒng)的技術特點。

表1 不同控壓鉆井系統(tǒng)的技術特點表

2.3 國產(chǎn)精細控壓鉆井系統(tǒng)適應性分析

圖2 PCDS－Ⅰ自動節(jié)流系統(tǒng)總裝圖

圖3 PCDS－Ⅰ回壓泵系統(tǒng)總裝圖

表2 不同控壓鉆井系統(tǒng)的指標對比表

基于自動化、快速響應、精確控制的技術目標，中國石油集團鉆井工程技術研究院開發(fā)了以流量和壓力控制目標的PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)（圖2、3）。通過在川渝蓬萊地區(qū)、華北牛東古潛山等不同地層的4口井的前期功能試驗，證明PCDS試驗要求和指標均達到設計指標，最大工作壓力7 MPa，額定壓力35 MPa，回壓泵流量12 L／s，節(jié)流精度實現(xiàn)了鉆進±0.2 MPa，起下鉆、接單根±0.5 MPa控壓精度，同時，基于FF數(shù)字總線的控壓鉆井自動控制軟件，能實現(xiàn)鉆進、起鉆、下鉆、接單根等不同工況的自適應，并且能實現(xiàn)在線自診斷功能，各項性能和指標均達到和超過國際先進水平，具備進入工業(yè)化、規(guī)?；瘧盟?。表2為不同控壓鉆井系統(tǒng)的指標對比。

3 現(xiàn)場應用分析

3.1 試驗階段

中古105H井是PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)在塔中碳酸鹽巖地層現(xiàn)場試驗的第一口評價井。中古105 H設計完鉆井深6 813 m，設計造斜點在5 932.5 m，井眼采用直—增—穩(wěn)結構，設計水平段長495.33 m，最大井斜角85.95°，設計第二次開鉆完鉆井深5 902 m。第三次開鉆的168.3 mm井段先鉆直導眼，回填后完成水平井眼段鉆進。

PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)在中古105H井（井段6 285.29～6 829.28 m）進行現(xiàn)場試驗，根據(jù)實際工況的需要完成了正常鉆進控壓、接單根控壓、控壓起下鉆、高密度鉆井液驅替以及溢流監(jiān)測與控制等試驗內容，試驗要求和指標均達到設計指標，最大工作壓力7 MPa，額定壓力35 MPa，回壓泵流量12 L／s，節(jié)流精度實現(xiàn)了鉆進±0.2 MPa，起下鉆、接單根±0.5 MPa控壓精度，達到和超過國際先進水平。試驗期間，發(fā)現(xiàn)氣層11個，監(jiān)測和控制溢流多次，總烴最高達99.98%，點火時間超過5 h，火焰高度超過5 m，有效減少關井、壓井造成的時間延誤，保證了正常鉆進。而且，通過精確控制井底壓力，有效控制了鉆井液漏失，減少非生產(chǎn)時間，節(jié)約成本，提高了鉆井效率。系統(tǒng)累計工作超過650 h，各部件工作正常，運行平穩(wěn)，保證了連續(xù)長時間控壓鉆井的需要。

3.2 應用階段

TZ26－H7井、TZ26－H9井位于塔中Ⅰ號坡折帶TZ26井區(qū)，易漏易噴，且存在多套壓力層系，普遍含H2S，施工安全風險大。儲層裂縫、洞穴十分發(fā)育，縫洞一體，一旦與大型縫洞單元溝通，將無法實施后續(xù)水平段鉆進，此前，哈里伯頓在該區(qū)域TZ26－4H、TZ26－2H等控壓鉆進過程中就因鉆遇溶洞失返被迫提前完鉆。

面對地層的復雜和壓力的不確定性，依靠中國石油鉆井工程技術研究院PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)的技術、設備優(yōu)勢，提出“控壓欠平衡”理念，應用突破性的“控壓欠平衡”理念，在TZ26－H7井的縫洞系統(tǒng)控壓選用地層壓力低限（1.15～1.20），允許少量溢流實現(xiàn)有效防漏，通過自動節(jié)流系統(tǒng)實時調整回壓，控制溢流量在1 m3以內，實現(xiàn)微溢流狀況下的安全作業(yè)。

控壓期間有效監(jiān)測和控制溢流23次，共點火67次，火焰高度2～10 m，最高超過15 m；單次點火時長最高達到34.67 h，累計點火持續(xù)時間213.71 h，占控壓鉆進時間80.4%，保證既不發(fā)生嚴重溢流，又能及時控制井底壓力的持續(xù)升高而誘發(fā)井漏，規(guī)避高密度鉆井液壓井導致井漏的風險，避免關井、壓井帶來的失效損失，實現(xiàn)了“點著火炬打進尺”。PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)的各項指標都達到或超過了國際先進水平，并在該區(qū)域創(chuàng)造了多項紀錄指標。

3.2.1 大幅度提高水平段延伸能力，超額完成水平段設計任務

TZ26－H7井168.3 mm井眼水平段設計998 m，延長水平段至1 345 m（水平位移1 647 m）（圖4），打破了TZ26－H6井創(chuàng)下的1 129 m水平段最長紀錄，超額完成水平段設計任務，該井完井試油獲氣5.77× 104m3，油0.43 m3。而此前2008年塔中碳酸鹽巖水平井設計的水平段完成率僅為28.11%。

圖4 TZ26－H7井水平段投影位移圖

3.2.2 平均日進尺大幅度提高，創(chuàng)單日進尺最高紀錄

創(chuàng)造目的層鉆進單日進尺134 m最高紀錄，與常規(guī)鉆井相比平均日進尺提高103.7%，且連續(xù)多日進尺超過100 m，機械鉆速大幅提高，平均鉆速為4.23 m／h（圖5）。

圖5 TZ26－H7井國產(chǎn)精細控壓與常規(guī)鉆井、精細控壓日進尺對比圖

3.2.3 目的層全程控壓欠平衡，實現(xiàn)“點著火炬鉆進”

應用“控壓欠平衡”理念，目的層全程控壓欠平衡，有利于發(fā)現(xiàn)儲層，最大限度地保護了油氣層，提高了儲層能力；點火總時間超過213.71 h，占控壓鉆進總時間的80.4%，實現(xiàn)了“點著火炬鉆進”。

3.2.4 水平鉆進穿越多套縫洞單元，實現(xiàn)零漏失、零復雜

在縫洞系統(tǒng)保證井下安全條件下選用低限，允許微溢實現(xiàn)有效防漏，成功實現(xiàn)長水平段鉆進穿越多套縫洞單元，全程實現(xiàn)零漏失、零復雜。

4 應用效果與評價分析

PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)在中古105H井、TZ26－H7井、TZ26－H9井的成功應用證明國產(chǎn)精細控壓鉆井裝備及技術能夠適應塔里木油田碳酸鹽巖、裂縫性儲層的鉆井需求，有利于儲層油氣發(fā)現(xiàn)和保護，可有效控制溢流、漏失等井下復雜對鉆井作業(yè)的影響，減少非生產(chǎn)時間損失。針對塔里木碳酸鹽巖地層特點，可以總結為以下幾點：

4.1 允許少量溢流、實現(xiàn)有效防漏

發(fā)揮精細控壓設備的優(yōu)勢，當大量氣體后效返出時，要適時加壓，通過自動節(jié)流閥，控制溢流量在1 m3以內，實現(xiàn)有效排出，避免關井、壓井，人工節(jié)流所帶來的井下復雜的發(fā)生。既保證不發(fā)生嚴重溢流，也及時控制井底壓力的持續(xù)升高而誘發(fā)井漏，實現(xiàn)了小溢流量狀況下的安全作業(yè)，規(guī)避了高密度鉆井液壓井導致井漏的風險。

4.2 盡量在縫洞系統(tǒng)選用低限，保持邊點火邊控壓鉆進

塔中Ⅰ號坡折帶，縫隙發(fā)育，典型窄密度窗口地層，易漏易噴，井口控壓變化0.5 MPa就會造成井底壓力波動和液面變化，實際鉆井地層壓力極其敏感，根據(jù)設計原則，盡量在縫洞系統(tǒng)選用低限，實現(xiàn)邊點火邊控壓鉆進。

4.3 及時微量的井口回壓調整，有利于發(fā)現(xiàn)油氣層

通過及時調整井口控壓，為很好地發(fā)現(xiàn)油氣層井段發(fā)揮作用。按照設計要求，在保證井下安全的條件下，適時調整井口控壓，特別是通過摸索，利用出入口流量變化、綜合錄井氣測值等變化，調整井口回壓，當新油氣層出現(xiàn)時氣測值升高，待鉆穿后及時加壓，使之降低，一旦再次升高，說明新的油氣層出現(xiàn)，體現(xiàn)了精細控壓在地質發(fā)現(xiàn)方面的價值。

4.4 調整井口控壓，尋找壓力平衡點，順利穿越薄弱層

通過調整井口控壓，觀察井底PWD壓力和井口出入口流量變化，尋找壓力平衡點，并且通過井口壓力變化和鉆井液的溢漏情況順利通過多個薄弱層。同時調整井口回壓，要保證一定的觀察周期，避免人為造成井下復雜。

4.5 實施控壓欠平衡作業(yè)，有利于發(fā)現(xiàn)油氣層，提高鉆速

在保證井下安全條件下，正常鉆進基本保持在邊點火邊鉆進的欠平衡狀態(tài)，有利于發(fā)現(xiàn)油氣層，提高鉆速，同時也為下部鉆進過程中發(fā)現(xiàn)油氣層創(chuàng)造條件。

5 結論

1）塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖地層屬于典型的窄密度窗口地層，應用控壓鉆井技術可以解決諸多鉆井復雜問題。

2）通過對國際3大石油公司的裝備對比和PCDS－Ⅰ系統(tǒng)前期功能試驗證明，PCDS－Ⅰ各項性能和指標均達到或超過國際先進水平，具備進入規(guī)模化工業(yè)應用水平。

3）PCDS－Ⅰ精細控壓鉆井系統(tǒng)在中古105H井、TZ26－H7井、TZ26－H9井的成功應用證明國產(chǎn)精細控壓鉆井技術能夠適應塔里木油田碳酸鹽巖、裂縫性儲層的鉆井需求。

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Application of China－made precise managed pressure drilling equipment in the Tarim Basin

Shi Lin1，Yang Xiongwen1，Zhou Yingcao1，Li Huaizhong2，Wang Ying1
（1.CNPC Drilling Engineering and Technology Research Institute，Beijing 100195，China；2.Tazhong Project Management Department，Tarim Oilfield Company，PetroChina，Kurle，Xinjiang 841000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.6－10，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Managed pressure drilling（MPD）was and is still driven by the very narrow margins between formation pore pressure and formation fracture pressure downhole in the Ordovician carbonate reservoirs in the Tarim Basin.Regular drilling methods were always challenged by downhole complexity and frequent accidents and horizontal wells had to be completed earlier due to overflows or loss circulation.In view of this，aiming at the formation characteristics，drilling difficulties，and the application of MPD in this study area，this paper focuses on how the China－made MPD equipments have been applied there in terms of adaptability，countermeasures adopted，and final results achieved.A new record of drilling footage of 1476 m was set up in the TZ26－H7 well，with the footage in the horizontal section of 1345 m and the lateral displacement of 1647 m.Through the analysis of the drilling application in the horizontal sections of three wells in this study area，the following results are presented herein，F(xiàn)irst，the precise China－made MPD technology and equipment can be adaptable to the drilling needs for carbonate and fractured reservoirs，they are also beneficial to the discovery and protection of hydrocarbon in reservoirs，and are effective to mitigate the bad effect of such downhole complexity as over－flows or lost circulation in the drilling operation，thereby to reduce the loss caused by non－operation time.Second，the properties and parameters of this domestic－made equipment have reached or surpassed the international advanced level of similar products.Third，this provides a technical means for safe drilling in the fractured oil and gas reservoirs by normal pressure fracturing treatment with a narrow density window.As a result，this domestic made precise MPD technology and equipment can be applied in commercial scale production of oil and gas fields.

Tarim Basin，managed pressure drilling（MPD），carbonate rock，countermeasure analysis，adaptability evaluation，field application

石林等.國產(chǎn)精細控壓鉆井裝備在塔里木盆地的應用.天然氣工業(yè)，2012，32（8）：6－10.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.002

國家科技重大專項“窄密度窗口鉆完井技術與裝備”（2011ZX05021－03）部分研究內容。

石林，1957年生，教授級高級工程師；1982年畢業(yè)于中國石油大學（華東）鉆井工程專業(yè)；從事鉆井工程技術研究及管理工作，現(xiàn)任中國石油集團鉆井工程技術研究院院長。地址：（100195）北京市海淀區(qū)北塢村路甲25號靜心園S座。E－mail：shilindri＠cnpc.com.cn

2012－07－06 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.002

Shi Lin，professor－level senior engineer，born in 1957，is mainly engaged in research and management of drilling engineering and technology.

Add：Block S，Jingxinyuan Residential Area，No.Jia 25，Beiwucun Rd.，Haidian District，Beijing 100195，P.R.China

E－mail：shilindri＠cnpc.com.cn