深水控壓鉆井技術(shù)在鹽下碳酸鹽儲層開發(fā)的應(yīng)用

張洪杰，張文博，薛憲波，曲躍，張誠成

(中海油田服務(wù)股份有限公司一體化和新能源事業(yè)部，天津 300459)

0 引言

隨著海洋石油技術(shù)和裝備的發(fā)展，海洋石油勘探越來越多的向深水(400～1 500 m)和超深水(大于1 500 m)邁進(jìn)。全球海洋油氣資源44%分布在深水區(qū)，近年全球重大油氣發(fā)現(xiàn)的70%來自深水[1-3]。然而深水油氣鉆探作業(yè)難度高、挑戰(zhàn)多，常遇到鉆遇淺層氣、海床不穩(wěn)、地層壓力窗口窄、噴漏同存、井控和井漏風(fēng)險高、鉆井問題多、非生產(chǎn)時間長等問題。昂貴的鉆機(jī)日費(fèi)、惡劣的補(bǔ)給條件、周期性的臺風(fēng)影響、嚴(yán)格的安全環(huán)保政策都要求深水鉆探作業(yè)能夠安全、快速、高效地鉆達(dá)目的層，順利完成鉆井任務(wù)。因此，深水鉆井幾乎應(yīng)用了所有可行的新技術(shù)，國際領(lǐng)先的服務(wù)公司也通過升級現(xiàn)有設(shè)備和研發(fā)新技術(shù)、新工具參與深水油氣勘探?？貕恒@井作為一項(xiàng)新興的鉆井方式也被廣泛的應(yīng)用到深水鉆井作業(yè)中[4-5]，通過對傳統(tǒng)控壓鉆井設(shè)備和施工工藝進(jìn)行升級改造，形成了適用于深水鉆井作業(yè)的控壓鉆井工藝技術(shù)和專用設(shè)備。

1 深水控壓鉆井技術(shù)特點(diǎn)

控壓鉆井技術(shù)本世紀(jì)初開始在陸地及海上固定樁腿平臺進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，最初配套的設(shè)備只有手動液壓節(jié)流閥和旋轉(zhuǎn)控制頭。隨著技術(shù)發(fā)展，到2010年左右出現(xiàn)由工控機(jī)自動控制的控壓鉆井節(jié)流管匯系統(tǒng)[6]，并配套高精度質(zhì)量流量計(jì)，同時出現(xiàn)了適用于海上固定樁腿平臺的環(huán)保型旋轉(zhuǎn)控制頭。到2015年左右，深水控壓鉆井用旋轉(zhuǎn)控制頭開始進(jìn)行現(xiàn)場測試，從而開啟了控壓鉆井在深水勘探領(lǐng)域的應(yīng)用。

深水控壓鉆井與陸地鉆機(jī)或淺水海上固定樁腿平臺實(shí)施的控壓鉆井相比，有以下特點(diǎn)：(1)深水鉆井地層壓力系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了深水鉆井對井口壓力控制精度的要求更高；(2)由于防噴器在海底，深水控壓鉆井可以在不打重漿的情況下起下鉆，提高了作業(yè)時效；(3)深水控壓鉆井設(shè)備的安裝需要對平臺進(jìn)行更多的改造；(4)深水控壓鉆井項(xiàng)目需要的準(zhǔn)備周期更長；(5)深水控壓鉆井的實(shí)施費(fèi)用更高；控壓鉆井技術(shù)在深水區(qū)塊的應(yīng)用特點(diǎn)主要體現(xiàn)在控壓鉆井設(shè)備與半潛式平臺或鉆井船等浮式鉆機(jī)已有設(shè)備的配套。

與陸地鉆機(jī)或海上固定樁腿平臺相比，控壓鉆井設(shè)備在浮式鉆機(jī)上的安裝差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)主要設(shè)備(節(jié)流管匯、流量計(jì)、操作間等)擺放位置不固定?？貕恒@井技術(shù)在陸地鉆機(jī)或海上固定樁腿平臺應(yīng)用時，設(shè)備通常有固定的擺放位置；而半潛式平臺或鉆井船等浮式鉆機(jī)由于甲板設(shè)計(jì)多樣且空間有限，應(yīng)用控壓鉆井之前需要針對平臺構(gòu)造特點(diǎn)，通過現(xiàn)場調(diào)研確定設(shè)備最佳擺放位置及平臺改造需求。

(2)需要安裝固定式硬管線。控壓鉆井設(shè)備與陸地鉆機(jī)或海上固定樁腿平臺已有設(shè)備的連接主要依靠臨時軟管線加少量硬管線；浮式鉆機(jī)由于構(gòu)造特點(diǎn)，在不同甲板間以及甲板與鉆臺間安裝臨時管線困難，因此在安裝控壓鉆井設(shè)備前需要安裝穿越甲板的固定式硬管線，用以將控壓鉆井節(jié)流管匯等設(shè)備與平臺其他設(shè)備相連。

(3)旋轉(zhuǎn)控制頭安裝方式考慮因素多、設(shè)計(jì)復(fù)雜。由于海底防噴器、隔水管、伸縮節(jié)、支撐環(huán)等深水鉆機(jī)特有設(shè)備的存在以及鉆機(jī)與隔水管的相對運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)控制頭在浮式平臺上的安裝與陸地鉆機(jī)或海上固定樁腿平臺安裝相比差別大、難度高。

(4)需配備一個額外的環(huán)形防噴器。在浮式鉆機(jī)上安裝旋轉(zhuǎn)控制頭時通常會在旋轉(zhuǎn)控制頭下方安裝一個環(huán)形防噴器，其主要作用是在更換旋轉(zhuǎn)控制頭軸承時作為封閉井筒承壓設(shè)備，允許繼續(xù)由控壓鉆井節(jié)流管匯對井筒施加地面回壓，避免使用海底防噴器。另外在將隔水管氣體循環(huán)出井時，如果隔水管內(nèi)壓力太高，超過了旋轉(zhuǎn)控制頭的承壓能力，可以關(guān)閉該環(huán)形防噴器繼續(xù)進(jìn)行隔水管排氣作業(yè)。

(5)在節(jié)流管匯前增加導(dǎo)流管匯。該導(dǎo)流管匯的作用是在不同作業(yè)工況間轉(zhuǎn)換時，將井內(nèi)返出的鉆井液導(dǎo)流至不同的設(shè)備。增加該導(dǎo)流管匯的目的是節(jié)約設(shè)備安裝時效、增加作業(yè)安全性，避免使用風(fēng)險相對較高的臨時軟管線。

在進(jìn)行深水控壓鉆井項(xiàng)目設(shè)計(jì)時，最重要的設(shè)備配套考慮因素是旋轉(zhuǎn)控制頭與平臺隔水管/伸縮節(jié)系統(tǒng)的配套，現(xiàn)階段主要有兩種配套方式[7]：(1)旋轉(zhuǎn)控制頭安裝于隔水管支撐環(huán)以上的配套方式，稱為支撐環(huán)之上安裝方式(ATR)；(2)旋轉(zhuǎn)控制頭安裝于隔水管支撐環(huán)以下的配套方式，稱為支撐環(huán)之下安裝方式(BTR)。

將旋轉(zhuǎn)控制頭安裝于隔水管支撐環(huán)以上的優(yōu)點(diǎn)是允許使用常規(guī)旋轉(zhuǎn)控制頭，不受旋轉(zhuǎn)控制頭抗拉伸能力的限制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)控制頭出現(xiàn)故障時檢修方便；缺點(diǎn)是鉆井平臺升沉補(bǔ)償系統(tǒng)配套復(fù)雜，如果仍然使用鉆機(jī)已有伸縮節(jié)，則伸縮節(jié)位于旋轉(zhuǎn)控制頭下方。由于伸縮節(jié)內(nèi)筒與外筒間承壓能力低(通常為3.5 MPa)，限制了控壓鉆井過程中可施加的最高井口回壓值，如果去掉鉆機(jī)已有伸縮節(jié)，則需要在旋轉(zhuǎn)控制頭上方安裝特制的伸縮補(bǔ)償系統(tǒng)用于抵消浮式鉆機(jī)與隔水管之間的相對運(yùn)動，并且在不安裝旋轉(zhuǎn)控制頭軸承時為井內(nèi)返出提供流動通道。這種配套方式對設(shè)備的要求高，原因是由于旋轉(zhuǎn)控制頭需要承受支撐環(huán)的拉力，而且整套設(shè)備需要具有在水下正常工作的能力，因此必須使用深水鉆井專用的旋轉(zhuǎn)控制頭。其優(yōu)點(diǎn)是允許使用浮式鉆機(jī)已有的伸縮節(jié)系統(tǒng)，無需額外配套伸縮補(bǔ)償設(shè)備；并且由于旋轉(zhuǎn)控制頭在伸縮節(jié)以下，旋轉(zhuǎn)控制頭以下隔水管系統(tǒng)的壓力等級取決于旋轉(zhuǎn)控制頭的承壓能力(通常為10.5～21.0 MPa，與鉆桿轉(zhuǎn)速成反比)和隔水管的壓力等級(通常為14 MPa)，極大提升了控壓鉆井過程中允許施加的地面回壓，提高了作業(yè)安全性。

2 深水控壓鉆井應(yīng)用背景

NS-4井位于巴西深水區(qū)塊，地理位置靠近里約熱內(nèi)盧，水深1 917 m，使用的鉆機(jī)是Seadrill的浮式鉆井船。由于地層存在高壓鹽水層以及鹽水層下面的微裂縫性碳酸鹽地層，常規(guī)鉆井作業(yè)經(jīng)常遇到鹽水侵入、鉆井液污染、窄作業(yè)窗口引起的溢流和漏失等問題，最終導(dǎo)致鉆井疑難頻發(fā)、非生產(chǎn)時間長、無法鉆達(dá)目的層等情況發(fā)生。因此控壓鉆井技術(shù)被應(yīng)用到項(xiàng)目中，對各種工況下的井底壓力進(jìn)行精確控制，通過恒定井底壓力法和鉆井液當(dāng)量密度模擬法按需對井底壓力進(jìn)行調(diào)控，基于不同井底壓力下井筒的反應(yīng)及時調(diào)整地面回壓和鉆井液密度，從而達(dá)到減少鉆井問題、提高作業(yè)效率、順利鉆至設(shè)計(jì)井深的目的。

控壓鉆井技術(shù)被應(yīng)用在16”和12-1/4”井段，其中16”井段作為“培訓(xùn)”井段，實(shí)施控壓鉆井的目的主要是為了使各參與方熟悉控壓鉆井的設(shè)備和作業(yè)流程；12-1/4”井段作為控壓鉆井目的井段鉆穿高壓鹽水層、鉆入裂縫性碳酸鹽儲層至設(shè)計(jì)完鉆井深。

使用的控壓鉆井設(shè)備主要包括旋轉(zhuǎn)控制頭隔水管短節(jié)、控壓鉆井節(jié)流管匯、防堵過濾管匯、導(dǎo)流管匯、質(zhì)量流量計(jì)、鉆具浮閥和輔助管線及閥門等。旋轉(zhuǎn)控制頭隔水管短節(jié)由頂部變扣接頭、水下旋轉(zhuǎn)控制頭、水下環(huán)形防噴器、四通和底部變扣接頭組成，隔水管的節(jié)流壓井管線、液壓管線、增壓管線等邊管在旋轉(zhuǎn)控制頭隔水管短節(jié)周圍纏繞；使用的控壓鉆井節(jié)流管匯是四通道Level 4級別的全自動節(jié)流管匯，由三個節(jié)流閥通道和一個旁通通道組成；防堵過濾管匯由兩個通道組成，每個通道都裝有防堵過濾篩網(wǎng)和泄壓閥、壓力計(jì)等裝置；導(dǎo)流管匯由閘板閥、泄壓閥等組成，用于導(dǎo)流出井流體；項(xiàng)目用的高壓Coriolis質(zhì)量流量計(jì)安裝于控壓鉆井節(jié)流管匯之前，用于精確測量出井液體排量、密度、溫度等參數(shù)；三個箭式和板式鉆具浮閥安裝在底部鉆具，降低浮閥失效風(fēng)險。

3 深水控壓鉆井應(yīng)用效果

16”井段作為“培訓(xùn)”井段，在鉆穿套管鞋前進(jìn)行了“指紋對比”數(shù)據(jù)記錄作業(yè)，鉆穿套管鞋、完成常規(guī)地層破裂測試后開始進(jìn)行恒定井底壓力控壓鉆井作業(yè)，通過控壓鉆井實(shí)時模擬軟件和實(shí)時測量的PWD數(shù)據(jù)，保持鉆進(jìn)和接單根過程中井底壓力恒定。使用1.10～1.14 S.G密度的鉆井液，鉆進(jìn)時井底當(dāng)量密度1.18～1.23 S.G，在接單根過程中通過調(diào)節(jié)地面回壓保持井底壓力與鉆進(jìn)時相等，地面回壓在3.1～3.4 MPa之間。中途起鉆換鉆頭時，區(qū)別于常規(guī)鉆井中需通過提高鉆井液密度或泵入重漿塞來降低抽吸溢流風(fēng)險的操作，控壓鉆井系統(tǒng)使用其“抽吸/激動”壓力補(bǔ)償功能。在無需提高鉆井液密度或泵入重漿塞的情況下，在起鉆過程中以井底為目標(biāo)控制深度施加系統(tǒng)實(shí)時計(jì)算的地面回壓，保持井底壓力當(dāng)量密度略高于(0.02 S.G)鉆進(jìn)時的井底壓力當(dāng)量密度，防止在起鉆過程中引起抽吸溢流。當(dāng)鉆頭起至海底防噴器上方3柱鉆桿后，關(guān)閉海底防噴器，打開鉆井平臺節(jié)流管匯管線，保持節(jié)流閥前方的閥門關(guān)閉，利用節(jié)流管線圈閉的壓力保持井底壓力過平衡。泄掉海底防噴器上方至旋轉(zhuǎn)控制頭間隔水管的壓力后，拆除旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯，繼續(xù)進(jìn)行常規(guī)起鉆。起鉆過程中繼續(xù)通過記錄鉆井平臺節(jié)流管匯處的套壓來監(jiān)測井筒，按需補(bǔ)充壓力。整個起鉆過程節(jié)約了常規(guī)鉆井中循環(huán)加重鉆井液或泵入重漿塞的時間，并且通過控壓鉆井質(zhì)量流量計(jì)、鉆井平臺泥漿池、關(guān)井后的套壓等參數(shù)密切監(jiān)測井筒的溢漏情況。

鉆頭起至地面后，組合新鉆具，控壓下鉆至鉆頭位于海底防噴器上方3柱，安裝旋轉(zhuǎn)控制頭軸承。通過控壓鉆井節(jié)流管匯向隔水管中施加回壓以平衡海底防噴器上下的壓力，打開井底防噴器后繼續(xù)控壓下鉆，下鉆到底后繼續(xù)進(jìn)行控壓鉆進(jìn)，該項(xiàng)操作同樣應(yīng)用控壓鉆井系統(tǒng)節(jié)省了下鉆到底調(diào)節(jié)鉆井液性能或?qū)⒅貪{塞循環(huán)出井的時間。繼續(xù)控壓鉆進(jìn)至16”井段設(shè)計(jì)完鉆井深，提高鉆井液密度，溢流檢測后控壓起鉆，進(jìn)行下套管、固井作業(yè)，16”井段順利完成作業(yè)。

12-1/4”井段使用1.20 S.G鉆井液開始鉆進(jìn)，開泵后的井底壓力當(dāng)量密度為1.28～1.29 S.G，開始鉆穿鹽水層。停泵接單根時通過控壓鉆井調(diào)節(jié)地面回壓，保持井底壓力當(dāng)量密度同樣1.28～1.29 S.G，降低壓力恒定，防止由于井底壓力波動造成鹽水侵入。在觀察到機(jī)械鉆速突增后，通過循環(huán)分析巖屑確定鉆入碳酸鹽地層，使用控壓鉆井方式起鉆后進(jìn)行測井作業(yè)。測井確定進(jìn)入碳酸鹽地層后進(jìn)行控壓取芯作業(yè)。在起鉆過程中由于取芯筒與井壁環(huán)空間隙小，通過控壓鉆井自動抽吸/激動壓力補(bǔ)償功能，施加安全系數(shù)后進(jìn)行控壓起鉆，上提鉆具時施加的地面回壓為6.2～6.5 MPa，順利將取芯筒起出井筒，無溢流發(fā)生。

組合鉆進(jìn)鉆具，下鉆繼續(xù)鉆進(jìn)127 m后監(jiān)測到鉆具突然放空，觀測到發(fā)生漏失，漏速大于47.7 m3/h，此時鉆井液密度為1.20 S.G，鉆進(jìn)時井底當(dāng)量密度1.26 S.G。通過降低排量使井底壓力當(dāng)量密度降低至1.22 S.G并加入堵漏材料，漏失速度降至11.1 m3/h。降低鉆井液密度至1.14 S.G，通過施加地面回壓維持鉆進(jìn)和接單根過程中的井底壓力當(dāng)量密度均維持在1.22 S.G，在微漏情況下繼續(xù)鉆進(jìn)80 m時井下馬達(dá)出現(xiàn)故障。起鉆前通過控壓鉆井系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)堵漏作業(yè)，在堵漏材料循環(huán)經(jīng)過漏層的過程中降低排量，通過控壓鉆井系統(tǒng)施加2.07 MPa地面回壓將堵漏材料擠入漏層，釋放地面回壓后顯示無漏失，開始控壓起鉆，起鉆過程中使用控壓鉆井自動抽吸/激動壓力補(bǔ)償功能維持井底壓力在1.23 S.G，起鉆無異常。

下鉆后繼續(xù)控壓鉆進(jìn)，通過控壓鉆井維持井底壓力當(dāng)量密度在1.21～1.22 S.G，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)完鉆井深后提高鉆井液密度至1.23 S.G，提高鉆井液密度過程中控壓鉆井系統(tǒng)實(shí)時跟蹤重漿位置，并通過調(diào)節(jié)地面回壓維持井底壓力恒定。起鉆后拆除旋轉(zhuǎn)控制頭軸承，控壓鉆井作業(yè)結(jié)束。

4 結(jié)語

深水區(qū)塊由于其地層沉積特性、地層壓力體系特點(diǎn)、浮式鉆機(jī)構(gòu)造方式等因素對新技術(shù)有很高的需求?？貕恒@井技術(shù)因其可以靈活的根據(jù)需要調(diào)節(jié)井底壓力，在深水鉆井作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，越來越多的油公司在挑選鉆機(jī)時要求鉆機(jī)可以自行提供控壓鉆井服務(wù)(MPD-Ready)或僅需進(jìn)行少量鉆機(jī)改造即可配套控壓鉆井設(shè)備。