Addax OML137區(qū)塊深水控壓鉆井技術(shù)

鮑洪志 趙向陽 張華衛(wèi) 張志剛 侯緒田

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101； 2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100083）

Addax OML137區(qū)塊深水控壓鉆井技術(shù)

鮑洪志1趙向陽1張華衛(wèi)1張志剛2侯緒田1

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101； 2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100083）

Addax OML137區(qū)塊位于尼日利亞近海，水深約83～496 m，下部井段地層孔隙壓力當(dāng)量密度1.92 g/cm3，破裂壓力當(dāng)量密度2.10 g/cm3，安全密度窗口較窄，約為0.18/cm3。采用常規(guī)鉆井技術(shù)無法鉆達(dá)目的層，控壓鉆井技術(shù)是針對窄安全密度窗口的有效技術(shù)，因此有必要開展控壓鉆井技術(shù)適應(yīng)性評價與優(yōu)選，為科學(xué)地進(jìn)行選井、選層、控壓方式優(yōu)選和控壓參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。文中建立了OML137區(qū)塊控壓鉆井適應(yīng)性評價方法，即“三步法評價體系”，主要包括必要性評價、可行性評價、經(jīng)濟(jì)性評價。進(jìn)行了控壓方式和系統(tǒng)優(yōu)選、建立了控壓鉆井精細(xì)流動模型，提出了深水控壓參數(shù)設(shè)計原則和井底恒壓設(shè)計方法，根據(jù)優(yōu)選的控壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)備配套，最后在Asanga-2井進(jìn)行了應(yīng)用，為以后的控壓施工積累了經(jīng)驗。

Addax OML137區(qū)塊；深水控壓鉆井；適應(yīng)性評價方法；水力學(xué)模型；參數(shù)設(shè)計；應(yīng)用

Addax OML137區(qū)塊位于尼日利亞近海，屬于勘探區(qū)塊。該區(qū)采用常規(guī)鉆井技術(shù)鉆井，會出現(xiàn)非漏即噴的鉆井問題，無法鉆達(dá)目的層，控壓鉆井技術(shù)能精確地控制環(huán)空壓力剖面，迅速發(fā)現(xiàn)處理鉆井過程中的溢流和井漏，能夠更好地進(jìn)行窄安全密度窗口的安全鉆進(jìn)，降低成本，因此有必要開展適應(yīng)性評價與控壓方案研究，為科學(xué)地進(jìn)行控壓鉆井技術(shù)提供依據(jù)。

1 控壓鉆井適應(yīng)性評價

控壓鉆井方法適應(yīng)性評價體系［1-5］，即“三步法評價體系”，如圖1所示。

圖1 控壓鉆井適應(yīng)性評價流程

（1）必要性評價。分析OML137區(qū)塊已鉆井資料，通過測井資料解釋建立了OML137區(qū)塊的地層三壓力剖面，發(fā)現(xiàn)下部地層安全密度窗口較窄，安全密度窗口只有0.18 g/cm3。常規(guī)鉆井循環(huán)壓耗當(dāng)量密度大于安全密度窗口，有必要開展控壓鉆井可行性評價，解決漏噴同層的窄安全密度窗口問題。

（2）可行性評價。進(jìn)行可行性評價過程中，最主要的是進(jìn)行水力學(xué)篩選，建立了控壓鉆井技術(shù)（MPD）水力學(xué)篩選程序，即首先進(jìn)行常規(guī)水力學(xué)分析，如果靜態(tài)和動態(tài)壓力范圍都在安全窗口內(nèi)并且所有的工程目的都能達(dá)到，則采用常規(guī)鉆井方法，反之進(jìn)行控壓鉆井水力學(xué)分析，測試是否能達(dá)到所有的工程目的，滿足要求則認(rèn)為控壓鉆井工程上是可行的。

通過常規(guī)水力學(xué)分析表明：常規(guī)鉆井方式不能滿足窄安全密度窗口地層的安全鉆進(jìn)，采用控壓鉆井技術(shù)，鉆進(jìn)過程中鉆井液排量13 L/s，鉆井液密度1.92 g/cm3，井口不加回壓，井底 ECD 2.01 g/cm3，接單根時為了保持井底壓力不變，井口施加2.75 MPa的回壓。

（3）經(jīng)濟(jì)性評價?？貕恒@井應(yīng)用的附加費用體現(xiàn)在：旋轉(zhuǎn)控制頭/旋轉(zhuǎn)防噴器、自動節(jié)流管匯、PWD、壓力控制系統(tǒng)、專業(yè)人員等方面。但是，利用控壓鉆井可以通過減少溢流和漏失的處理時間、減少壓差卡鉆、提高機(jī)械鉆速等?？貕嘿M用與平臺租賃費用相比，采用控壓鉆井技術(shù)快速、安全地鉆穿下部地層經(jīng)濟(jì)上是可行的。

通過上面的分析可知，OML137區(qū)塊采用控壓鉆井技術(shù)解決窄安全密度窗口的漏、噴、塌、卡問題是可行的。

2 控壓方式與系統(tǒng)優(yōu)選

目前，MPD技術(shù)按照其應(yīng)用方式主要分為井底恒壓 MPD（CBHP MPD）、雙梯度鉆井（DG MPD）、加壓鉆井液帽MPD、健康安全環(huán)境技術(shù) （HSE MPD）、井下泵送 MPD［6-7］。

雙梯度MPD典型實現(xiàn)方式是通過往雙壁鉆桿、寄生管或隔水管內(nèi)注入低密度鉆井流體，降低從這一點到地面之間的鉆井液密度。通過計算發(fā)現(xiàn)采用雙梯度鉆井，對于OML137 區(qū)塊水深83～496 m、深度為4 000 m井，井底ECD降低在0.02～0.11 g/cm3，不能滿足施工的要求。加壓鉆井液帽MPD適用碳酸鹽巖高壓裂縫油藏、全部或部分喪失循環(huán)的井、HSE MPD適應(yīng)于硫化氫地層。

井底恒壓鉆井技術(shù)是在鉆進(jìn)、接單根、起下鉆、換膠芯時均保持恒定的環(huán)空壓力剖面，避免窄密度窗口地層井涌或井漏的發(fā)生，實現(xiàn)壓力敏感儲層的安全鉆進(jìn)，在OML137區(qū)塊采用井底常壓MPD方式。

目前國際上對控壓鉆井研究很多，形成商業(yè)化產(chǎn)品、能夠進(jìn)行現(xiàn)場施工服務(wù)的主要有Weatherford公司的Secure Drilling系統(tǒng)（精細(xì)流量控制系統(tǒng)）、Halliburton公司的動態(tài)壓力控制系統(tǒng)（DAPC精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)）和Schlumberger公司的自動節(jié)流控壓鉆井系統(tǒng)，技術(shù)特征對比見表1。

表1 國際商業(yè)服務(wù)的控壓系統(tǒng)對比

由于OML137區(qū)塊下部地層安全密度窗口窄，而且位于海上，因此對溢流和井漏的早期監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)要求較高，威德福壓力控制鉆井系統(tǒng)具有微溢流量檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)井涌早期檢測、因此選用威德福的MFC系統(tǒng)。

通過對比，在OML137區(qū)塊采用威德福的MFC系統(tǒng)，控壓方式上選擇井底恒壓MPD。

3 控壓鉆井水力學(xué)模型

OML137區(qū)塊油井屬于高壓高溫深井，井底溫度126 ℃左右，下部地層采用油基鉆井液體系，由于溫度直接影響鉆井液的黏度、密度，進(jìn)而影響井底壓力的大小。為了實現(xiàn)井底壓力的精細(xì)計算，綜合考慮了影響井底壓力的主要因素（圖2），建立了控壓鉆井精細(xì)流動模型，模型中綜合考慮了環(huán)空溫度分布、高溫高壓鉆井液密度特性、鉆井液黏溫特性、含氣液體溫度分布、儲層流體相態(tài)特征、循環(huán)管路組件壓耗、巖屑濃度、地層流體產(chǎn)出時的環(huán)空多相流動，模型考慮因素全面、計算精度較高［8-9］。

圖2 MPD精細(xì)流動模型流程

3.1 環(huán)空內(nèi)鉆井液的溫度模型

式中，Ta、Tw、Tf分別為環(huán)空內(nèi)鉆井液溫度、鉆柱壁溫度、地層溫度，℃；ρm為環(huán)空內(nèi)混合物密度，kg/m3；Cm為鉆井液比熱容，J/（kg·℃）；q為鉆井液排量，L/s；Qao為鉆柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)熱源。

3.2 環(huán)空內(nèi)鉆井液的黏溫特性模型

式中，（AV）0、（AV）T分別表示溫度為常溫、溫度T下鉆井液的表觀黏度，mPa·s；（PV）0、（PV）T為常溫和溫度T下鉆井液的塑性黏度，mPa·s；a、b、c、d為回歸系數(shù)。

3.3 液相密度的壓力溫度影響模型

1990年，鄢捷年教授對4種具有典型配方的油基鉆井液進(jìn)行了高溫高壓密度測試實驗，然后運用多元非線性回歸分析方法，經(jīng)一定的數(shù)學(xué)處理和反復(fù)檢驗，提出了預(yù)測不同溫度和壓力下油基鉆井液密度的模型為

式中，ρ0為溫度 26.67℃（80.0 °F）、表壓為 0 時的鉆井液密度，kg/m3。

4 控壓參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化

4.1 設(shè)計原則

（1）滿足裸眼段不溢不漏不塌。設(shè)井筒裸眼段環(huán)空任意一點的壓力pbhp和裸眼段地層孔隙壓力ppro或坍塌壓力pcp差值Δp為

而地層壓力的安全壓差窗口Δpwindow為

當(dāng)井底壓力ppro≤pbhp≤pf時，不漏不溢；而當(dāng)pbhp＞pLeak時井漏；當(dāng)pbhp＜ppro時溢流；當(dāng)pbhp＜pcp時井塌。

滿足裸眼段壓力窗口的原則為

（2）滿足井口壓力控制設(shè)備額定壓力、隔水管額定壓力原則?？貕恒@井是通過旋轉(zhuǎn)防噴器（或旋轉(zhuǎn)防噴頭）和節(jié)流管匯進(jìn)行井筒壓力控制，其鉆進(jìn)過程中，允許的最大井口控制回壓必須控制在設(shè)備額定壓力內(nèi)，在控壓鉆井設(shè)計和壓力控制過程中，控制的最大套壓按旋轉(zhuǎn)防噴器（包括旋轉(zhuǎn)控制頭）動密封壓力級別的50%設(shè)計。同時，還必須考慮隔水管的承受壓力不超過 3.5 MPa［10-13］。

（3）設(shè)計系數(shù)計算值代替經(jīng)驗值。在窄安全密度窗口環(huán)境中，常規(guī)鉆井設(shè)計由于采用各種設(shè)計系數(shù)經(jīng)驗值會引起鉆井液密度設(shè)計不準(zhǔn)確、套管下深設(shè)計不合理等問題，為此，在安全鉆井井底壓力分析的基礎(chǔ)上，提出用設(shè)計系數(shù)計算值代替經(jīng)驗值進(jìn)行鉆井設(shè)計的思路。

4.2 控壓鉆井參數(shù)設(shè)計

（1）鉆井液密度與回壓。井底常壓設(shè)計計算主要是根據(jù)壓力剖面在相應(yīng)井段進(jìn)行低密度鉆井液設(shè)計，計算井口回壓，最后根據(jù)設(shè)計結(jié)果優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)。設(shè)計過程中環(huán)空壓耗的計算基于上面所建立的控壓鉆井精細(xì)流動模型，運用圖3所示的迭代求解方法進(jìn)行井口回壓和鉆井液密度的設(shè)計。

圖3 井底恒壓鉆井液密度與回壓計算流程

（2）接單根時井口施加回壓與排量的階梯變化。接單根時，由于停泵和開泵的影響，井底壓力會產(chǎn)生波動，對于窄安全密度窗口的壓力敏感儲層，壓力的輕微波動可能引起井下復(fù)雜，因此要求接單根時盡量減少井下壓力的波動。具體做法是逐漸降低排量、逐漸增加井口回壓補償由于循環(huán)摩阻減少而造成的井底壓力降低，恢復(fù)鉆進(jìn)時，操作與此相反。

5 控壓鉆井裝備配套

根據(jù)選用的控壓鉆井系統(tǒng)MFC、控壓參數(shù)選擇OML137區(qū)塊的控壓設(shè)備，主要有：

（1）計算機(jī)控制及顯示系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)實時監(jiān)測立壓、井口回壓及其他鉆井參數(shù)，并計算ECD。計算機(jī)控制系統(tǒng)與自動節(jié)流管匯控制系統(tǒng)相連接，根據(jù)設(shè)定的回壓值，自動調(diào)整節(jié)流閥位置，保持井口回壓恒定。

（2）旋轉(zhuǎn)控制頭。采用威特福7875型旋轉(zhuǎn)控制頭，最大開口直徑476.25 mm，采用雙密封元件，通過液壓將密封元件鎖定于本體內(nèi)，最大可承受動態(tài)壓力14 MPa，最大可承受靜壓35 MPa。

（3）自動節(jié)流管匯。深水鉆井采用緊湊式一體式自動節(jié)流管匯系統(tǒng)，體積小，安裝方便，擁有自動控制單元。MPD作業(yè)時，為隔水管提供回壓，裝配有100.2 mm、35 MPa入口、自動及手動節(jié)流閥、智能控制系統(tǒng)、液壓泵、科里奧質(zhì)量流量計、高精度回壓傳感器，控制計算機(jī)與智能控制系統(tǒng)相連，對回壓進(jìn)行自動控制。

（4）PWD/MWD。常規(guī)控壓采用預(yù)測或者模擬計算井底壓力。精細(xì)控壓通過PWD實時監(jiān)測井底壓力，通過MWD實時傳輸或者存儲于井下設(shè)備，通過實測數(shù)據(jù)計算井底ECD，通過自動節(jié)流閥對井底壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有實時、準(zhǔn)確的特點。

6 控壓鉆井現(xiàn)場應(yīng)用與評價

Asanga-2井位于尼日利亞近海Addax OML137區(qū)塊，是一口直井，水深122 m，設(shè)計井深4 164 m。下部井段地層孔隙壓力當(dāng)量密度1.92 g/cm3，破裂壓力當(dāng)量密度2.10 g/cm3，安全密度窗口較窄，約為0.18 g/cm3，采用常規(guī)鉆井技術(shù)無法鉆至目的層，因此經(jīng)過可行性論證，決定在?165.1 mm井眼進(jìn)行控壓鉆井鉆穿下部窄安全密度窗口地層。

2013年2月1日起安裝旋轉(zhuǎn)防噴器總成，試壓，下?152.4 mm井眼鉆具，調(diào)整鉆井液密度到1.917 g/cm3，2月4日進(jìn)行套管內(nèi)MPD指紋識別測試，然后鉆穿新地層3 m，進(jìn)行地層漏失試驗，測試結(jié)果為2.16 g/cm3，從3 443 m到3 602 m控壓鉆進(jìn)參數(shù)為：排量12.6 L/s，鉆井液密度1.917 g/cm3，系統(tǒng)回壓0.16～0.32 MPa；立壓 24.8～29.63 MPa；PWD 測試ECD在 2.0 ～2.04 g/cm3，接單根時施加 2.75 MPa回壓保持井底ECD恒定。2月6日19：55進(jìn)行靜態(tài)流動測試，發(fā)現(xiàn)溢流，然后進(jìn)行關(guān)井，關(guān)井立壓5.167 MPa，關(guān)井套壓7.923 MPa，然后進(jìn)行司鉆法壓井作業(yè)。逐漸開泵到30 spm，保持套壓恒定循環(huán)，維持恒定的立壓，此時套壓為7.027 MPa，立壓為13.986 MPa，循環(huán)一段時間，關(guān)井觀察壓力，然后多次進(jìn)行了壓力釋放，最后用2.07 g/cm3的鉆井液壓井，關(guān)井套壓為1.3 MPa，采用2.12 g/cm3鉆井液壓井，壓井過程中發(fā)生了漏失，然后降低排量減少漏失，靜態(tài)流動測試井靜止，然后帶壓起鉆，最后甩掉下部鉆具，后面發(fā)現(xiàn)了溢流，最后進(jìn)行了擠水泥作業(yè)。

在控壓施工過程中，實現(xiàn)了早期漏失、溢流檢測，通過靈活控制，溢流和漏失得到了控制。實現(xiàn)了帶壓起鉆、接單根作業(yè)，減少了壓力波動。

從作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)流動測試沒有施加回壓是造成溢流的主要原因，壓井液密度過高是造成漏失的主要原因。因此，在以后的控壓作業(yè)過程中，動態(tài)流動測試完全可以有效地發(fā)現(xiàn)溢流，沒有必要進(jìn)行靜態(tài)流動測試，即使進(jìn)行靜態(tài)流動測試，井口也應(yīng)該施加一定的回壓。

7 結(jié)論

（1）通過建立的控壓鉆井適應(yīng)性評價方法，即“三步法評價體系”可以有效地針對OML137區(qū)塊進(jìn)行科學(xué)的選井、選層，為控壓鉆井實施提供依據(jù)。

（2）基于計算的抽汲壓力而不是經(jīng)驗系數(shù)設(shè)計鉆井液密度可減少窄安全密度窗口鉆井問題，在設(shè)計階段考慮溫度、壓力對密度的影響并進(jìn)行修正提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性。

（3）環(huán)空溫度分布、高溫高壓鉆井液密度特性、鉆井液黏溫特性、含氣液體溫度分布、儲層流體相態(tài)特征、循環(huán)管路組件壓耗、巖屑濃度、地層流體產(chǎn)出時的環(huán)空多相流動直接影響井底壓力分布，控壓鉆井精細(xì)流動模型中應(yīng)該充分考慮這些因素的影響。

［1］HELIO S, JOE K. Simple managed pressure drilling method brings benef i ts ［J］. WorldOil, 2007, 228（3）： 12-17.

［2］趙向陽，孟英峰，李皋，等. 充氣控壓鉆井氣液兩相流流型研究［J］.石油鉆采工藝，2010，32（2）： 6-10.

［3］趙向陽.控壓鉆井精細(xì)流動模型研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2011

［4］舒剛，孟英峰，李紅濤，等.裂縫內(nèi)鉆井液的漏失規(guī)律研究［J］.石油鉆采工藝，2011，33（6）：29-32.

［5］SYLT? Y S, EIDE S E, TORVUND S. Highly advanced multi-technical MPD concept extends achievable HTHP targets in the North Sea［R］. SPE/IADC 114484, 2008.

［6］HANNEGA D, TODD R J, PRITCHARD D M, et al.MPD—uniquely applicable to methane hydrate drilling［R］. SPE/ IADC 91560, 2004.

［7］MEDLEY Georgr H, REYNOLDS Patrick B B. Distinct variations of managed pressure drilling exhibit appication potential［R］. World Oil, March 2006, 227（3）: 41-44.

［8］MEDLEY George H, MOORE D, NAUDURI ETAL Sagar. Simplifying MPD: lessons learned［R］. SPE/IADC 113689, 2008.

［9］SILVANG S A, LEUCHTENBERG C, GIL I C, et al.Managed pressure drilling resolves pressure depletion related problems in the development of the HTHP Kristin Field［R］. IADC/SPE 113672, 2008.

［10］HANNEGAN Don M. Managed pressure drilling in marine environments-case studies［R］. SPE/IADC 92600, 2005.

［11］Reitsma D, VAN Riet E.Utilizing an automated annular pressure control system for managed pressure drilling in mature offshore oilf i elds［R］. SPE 96646, 2005.

［12］CHEN Sh, NIU Xinmin. Managed-pressure drilling reduces China hard-roc drilling by half［R］. SPE/IADC 105490, 2007.

［13］HANNEGAN D. Case studies-offshore manage pressure drilling［R］. SPE 101855, 2006.

（修改稿收到日期 2013-06-11）

Deepwater managed pressure drilling technology in block OML137 of Addax

BAO Hongzhi1, ZHAO Xiangyang1, ZHANG Huawei1, ZHANG Zhigang2, HOU Xutian1

（1. SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China;2. Sinopec International Exploration and Production Corporation,Beijing100083,China）

Block OML137 of Addax is located at Nigeria offshore, with the water depth of 83 to 496 m. The formation pressure coeff i cient of the lower well section is 1.92 g/cm3, and the breaking pressure coeff i cient is 2.10 g/cm3, so the safe density window is relatively narrow, about 0.18 g/cm3. The target zone cannot be reached by conventional drilling. Managed Pressure Drilling (MPD) technology can resolve narrow MW window problem effectively. So it is necessary to conduct MPD adaptability evaluation and optimization to provide theoretical basis for scientif i cally selecting well, selecting section, optimizing MPD method, and parameter design. The adaptability evaluation method for MPD in Block OML137 was established, namely “Three-step Evaluation System”, including necessity,feasibility and economy evaluation. The method and system of pressure control were optimized, fi ne fl ow model of MPD was set up,and the principles of deepwater MPD parameter design and the design method of bottom hole constant pressure were put forward. The equipments were coordinated in accordance with the optimized pressure control system. The technique was applied to Well Asanga-2,which supplied a reference for future pressure control treatment.

Block OML137 of Addax; deepwater managed pressure drilling; adaptability evaluation method; hydraulic model;parameter design; fi eld application

鮑洪志，趙向陽，張華衛(wèi)，等. Addax OML137區(qū)塊深水控壓鉆井技術(shù)［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：35-39.

TE242

A

1000 – 7393（ 2013 ） 04 – 0035 – 05

國家科技重大專項“中東富油氣區(qū)復(fù)雜地層井筒關(guān)鍵技術(shù)”（編號：2011ZX05031-004）。

鮑洪志，1966年生。1987年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院鉆探工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井技術(shù)研究、優(yōu)化設(shè)計、欠平衡鉆井等方面的研究，高級工程師。電話：010-84988575。E-mail：baohz.sripe@sinopec.com。

〔編輯

薛改珍〕