精細控壓鉆井重漿帽設(shè)計及壓力控制方法

彭明佳　劉　偉　王　瑛　張　鐵　門明磊　張　鑫（.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京　000；.中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)公司，遼寧盤錦　400）

精細控壓鉆井重漿帽設(shè)計及壓力控制方法

彭明佳1劉偉1王瑛1張鐵2門明磊1張鑫1
（1.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京102200；2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)公司，遼寧盤錦124010）

精細控壓鉆井是一種主要用于窄密度窗口地層高效、安全鉆井的新技術(shù)。該技術(shù)可精確控制環(huán)空壓力，實現(xiàn)井底壓力恒定?？貕浩疸@過程中，起至預(yù)定井深注入重漿帽后進行常規(guī)起鉆。以往注重漿期間回壓控制方法不具備實際操作性，一方面沒有考慮鉆具內(nèi)壓水眼重漿進入環(huán)空造成的影響，設(shè)計內(nèi)容不完善；另一方面沒有實時壓力控制方法。根據(jù)工程實際要求，考慮鉆具內(nèi)壓水眼重漿、井眼實際情況、以及地層特性（碳酸鹽巖地層可采用近平衡壓力控制，硫化氫地層采用略過平衡壓力控制），進一步優(yōu)化井底壓力控制。在計算注重漿和井口回壓關(guān)系時，建立分段實時壓力控制曲線，實現(xiàn)起下鉆過程中井底壓力平穩(wěn)控制，有效避免停泵期間可能造成的溢流或者漏失，提高鉆井安全性及鉆井綜合效率。

控壓鉆井；重漿帽；壓力控制；優(yōu)化設(shè)計

隨著石油勘探與開發(fā)向深部復(fù)雜地區(qū)的不斷發(fā)展，窄密度窗口安全鉆井的問題越來越突出，在許多油田已成為鉆井施工的技術(shù)瓶頸，如塔里木盆地、新疆南緣、玉門青西、四川盆地，柴達木盆地等。無論是陸上還是海上，窄密度窗口問題已經(jīng)是造成深井、高溫高壓井鉆井周期長、事故頻發(fā)、井下復(fù)雜的主要原因，是急需解決的問題［1］。同時，更好地控制井筒壓力、保障施工作業(yè)安全也是鉆井作業(yè)中一直面臨的技術(shù)難題［2］。針對以上的鉆井難點，常采用的是控壓鉆井技術(shù)［3］。

控壓鉆井技術(shù)［4］主要有4種應(yīng)用方式：恒定井底壓力（MCD）、泥漿帽鉆井（MCD）和雙梯度鉆井（DGMPD）、健康安全環(huán)境技術(shù)（HSEMPD），文中主要探討的是恒定井底壓力鉆井。起鉆過程中由于環(huán)空摩阻消失，需提高環(huán)空靜液柱壓力或井口回壓以保持井底壓力穩(wěn)定。而在正常起鉆作業(yè)中，全井段控壓起鉆強度較大，且下部鉆具組合中鉆鋌、螺桿等異形鉆具不能通過旋轉(zhuǎn)控制頭進行控壓起鉆。撤除旋轉(zhuǎn)控制頭后，井口敞開，回壓消失，井底壓力下降。所以在起鉆到預(yù)定深度時需提高環(huán)空靜液柱壓力以彌補釋放掉的井口壓力，即所謂的“注重漿帽”。為了防止地層受到污染，一般注重漿帽設(shè)計只在套管內(nèi)進行。同時為確保井控安全，控壓起鉆前需進行長時間的循環(huán)過程，以保證完全排出井筒內(nèi)氣體。因此文中重漿帽設(shè)計及壓力控制沒有考慮起鉆時井筒內(nèi)氣液兩相流的情況。以井筒內(nèi)單相流為前提，以直井為例，闡述重漿帽設(shè)計及注重漿期間壓力控制的優(yōu)化設(shè)計。

1　注重漿設(shè)計、壓力控制方法及存在的問題

1.1重漿帽設(shè)計

控壓起鉆過程中，起鉆到預(yù)定深度后，開始注重漿帽，并控制井口回壓，直至鉆井液返出地面。觀察30 min無溢流后開始常規(guī)起鉆。由于與原鉆井液存在密度差，環(huán)空中重漿產(chǎn)生附加壓力?p ，大小等于正常循環(huán)時井口回壓及環(huán)空摩阻之和。確定附加壓力后，可求出重漿帽高度H、開始需要注入的重漿體積及總的重漿體積V重

式中，V′重為鉆柱在技術(shù)套管內(nèi)需要注入的重漿體積，m3；VDC為每米技術(shù)套管的內(nèi)容積，L/m；V開排為每米鉆桿的開排體積，L/m；ρ為原鉆井液密度，kg/m3；ρ重為重漿帽的鉆井液密度，kg/m3。

1.2壓力控制方法

注重漿前，鉆井液泵處于停止狀態(tài)，井筒中鉆井液靜止，此時由回壓補償系統(tǒng)在井口提供回壓。開啟鉆井液泵后，環(huán)空中鉆井液開始流動，產(chǎn)生環(huán)空摩阻，井底壓力增大，需降低井口回壓以保持井底壓力不變，即井口壓力減小環(huán)空摩阻的大小。當重漿開始沿環(huán)空上返時，其在環(huán)空中高度不斷增加，附加壓力增大，井口壓力需逐步降低，至重漿從井口返出時，井口壓力降為0，以此實現(xiàn)重漿注入過程中井底壓力恒定。則可得

式中，Q為泵的排量，L/s；VDP為每米鉆桿內(nèi)容積，L/ m；t1為從開啟鉆井液泵至重漿從鉆頭水眼返出的時間，s；t′2為重漿從鉆頭水眼上返至井口所需要時間，s；V閉排為每米鉆桿閉排體積，L/m。

1.3存在的問題

現(xiàn)場控壓起鉆前，為避免卸扣時鉆具反噴，需從鉆具內(nèi)打一段壓水眼重漿（密度比重漿帽采用的重漿密度大）。當此部分重漿沿環(huán)空上返時，產(chǎn)生附加壓力，從而影響實時壓力的控制。該部分重漿進入環(huán)空后附加壓力升高速率變快，而井口壓力的控制速率未變，直接導致井底壓力增大。在壓力敏感地層該操作極易引起井漏，甚至嚴重的井控事故。

2　實時壓力控制方法研究

壓水眼重漿設(shè)計原則是產(chǎn)生的附加壓力Δp′為控壓起鉆時井口壓力，螺桿及水眼壓耗，壓力附加值三者之和?？傻?/p>

式中，Δp′為壓水眼重漿在環(huán)空中產(chǎn)生的附加壓力，MPa；ρ重1為壓水眼重漿密度，kg/m3；H1為壓水眼重漿高度，m。

起鉆到預(yù)定深度準備注入重漿時，需考慮此時鉆頭處的重漿分布：鉆具內(nèi)壓水眼重漿是否已到達鉆頭水眼，其井口壓力控制是不同的。同時，由于地層特性的不同，比如碳酸鹽巖地層采用近平衡壓力控制，而硫化氫地層需增加安全壓力，導致對壓水眼重漿的附加壓力要求不同，則鉆具內(nèi)壓水眼重漿高度也會不同。壓水眼重漿注入的越多，其在鉆具內(nèi)下降的高度越大。即鉆具內(nèi)鉆井液面也要分為2種情況：起鉆中液面始終保持與鉆臺水平面保持一致和在鉆柱中下降一段距離，從而設(shè)計井口壓力降低步驟。

2.1起鉆時鉆具內(nèi)液面與鉆臺面保持齊平時井口壓力控制

分2種情況：起鉆到預(yù)定深度時，鉆柱內(nèi)的壓水眼鉆井液高度H1大于該處的鉆頭深度H和H1小于鉆頭深度H。

2.1.1H1≥H說明起鉆到預(yù)定深度時，鉆具內(nèi)壓水眼重漿已經(jīng)返出一部分進入井筒。此時開啟鉆井液泵，鉆具內(nèi)剩余壓水眼重漿從環(huán)空上返。由于壓水眼重漿與原鉆井液存在密度差，其在環(huán)空同樣產(chǎn)生附加壓力。則井隊開啟鉆井液泵時需立即降低井口回壓。設(shè)壓水眼重漿完全進入環(huán)空所需要時間t′3，設(shè)產(chǎn)生的附加壓力為p2，可得

此時井口回壓降至p3，其大小為Δp′與p2的差值。從t3之后，重漿帽的重漿開始沿環(huán)空上返，其所需附加壓力等于p3，所需時間t′4，總時間為t4，可得

現(xiàn)場壓水眼重漿密度一般要比重漿帽密度大。已知密度越大，在環(huán)空中產(chǎn)生的附加壓力變化幅度越大。在井口壓力降低曲線上可以看出，壓水眼重漿上返時井口壓力降低速率比重漿帽上返時壓力降低速率要大。由于環(huán)空內(nèi)壓水眼重漿的存在，增大了環(huán)空中的附加壓力，井口返出重漿之前，所注入的重漿帽已經(jīng)平衡地層壓力，即井口壓力已經(jīng)降為0，所需時間也比t′2小。

2.1.2H1＜H說明起到預(yù)定深度時壓水眼重漿尚未到達鉆頭。開啟鉆井液泵一段時間后，壓水眼重漿才到達，此段時間并未對環(huán)空產(chǎn)生附加壓力，需要保持井口回壓不變，設(shè)其達到鉆頭處所需要時間tr。

重漿出水眼后，后續(xù)回壓控制步驟與H1≥H相同。

2.2鉆具內(nèi)鉆井液面低于鉆臺面時的壓力控制

起鉆到預(yù)定深度時，鉆具內(nèi)的液面下降了一定距離。此時需要判斷鉆柱內(nèi)重漿是否已經(jīng)到達水眼處。判斷方法為：設(shè)實際打入的壓水眼重漿體積為V3，鉆柱內(nèi)輕漿高度為H2，則根據(jù)U型管原理可得

2.2.1H2>0時，壓水眼重漿未進入鉆頭水眼當壓水眼重漿未進入水眼時，鉆具內(nèi)的上部分為空管，中間有一段壓水眼重漿，下部分至鉆頭處為原鉆井液。此時在開鉆井液泵注重漿時，需要一段時間灌滿鉆柱，此時出口無鉆井液返出，仍需依靠回壓補償系統(tǒng)給井口補壓，井口壓力 即為正常起鉆時的井口壓力，設(shè)此處灌滿鉆井液需要的時間為 ，則

鉆柱內(nèi)灌滿鉆井液后，井筒內(nèi)建立起循環(huán)，出口開始有鉆井液返出，此時關(guān)閉回壓補償系統(tǒng)，通過節(jié)流控制系統(tǒng)建立循環(huán)，后續(xù)回壓控制步驟與H1≥H一致。

2.2.2H2<0時，壓水眼重漿已經(jīng)出水眼此時鉆具內(nèi)的鉆井液分布為上部分為空管，下部分為壓水眼重漿。開啟鉆井液泵后，先將鉆具灌滿，此段時間內(nèi)出口沒有鉆井液返出。灌滿鉆具后，壓水眼重漿沿環(huán)空上返，此時需要實時降低井口壓力。設(shè)H0為鉆柱內(nèi)重漿高度，m；t0為灌滿鉆柱所需時間，s。根據(jù)U型管原理可得

鉆柱內(nèi)灌滿鉆井液后，井筒內(nèi)建立起循環(huán)，出口開始有鉆井液返出，此時關(guān)閉回壓補償系統(tǒng)，通過節(jié)流控制系統(tǒng)建立起循環(huán)。

3　重漿帽設(shè)計及壓力控制實例

以塔里木某井為例，該井斜深7 810.03 m，垂深6 305 m，水平段長1 347.53 m。該井在三開后進入A點（6 421 m）前100 m（6 321 m），開始導入精細控壓鉆進流程。以該井三開后第6趟鉆控壓起鉆為例，說明重漿帽設(shè)計及注重漿過程中井口壓力的控制。

3.1基本參數(shù)

（1）鉆井液性能?？貕浩疸@至3 800 m后，開始注重漿，當日鉆井液基本參數(shù)如下：密度1.16 g/cm3，黏度50 s，失水3 mL，濾餅 0.5 mm，pH11，切力3/10，塑性黏度17 mPa·s，屈服值6 Pa，壓水眼重漿密度為1.45 g/cm3，重漿帽密度為1.3 g/cm3。

（2）鉆具組合。?168.3 mm CK406D×+1.5°單彎螺桿+ 311×310浮閥+ 311×310定向短節(jié)+ ?120 mm無磁鉆鋌+311×310方保+?89 mm無磁承壓桿+?88.9 mm加重鉆桿+?88.9 mm鉆桿。

（3）各壓力流量參數(shù)。正常控壓鉆進井口壓力2.5 MPa，環(huán)空摩阻1.5 MPa，螺桿及水眼壓降2 MPa，起鉆及接單根井口壓力4 MPa。鉆桿內(nèi)容積3.87 L/ m，開排2.63 L/m，閉排6.5 L/m。技術(shù)套管內(nèi)容積為24.9 L/m，泵排量為12 L/s，重漿帽設(shè)計時安全附加值為1 MPa。

3.2重漿帽及壓水眼重漿設(shè)計

（1）重漿高度的計算。接單根或起下鉆時井底壓力：p = p靜液+ p回壓，加入安全附加壓力1 MPa，代入數(shù)據(jù)得Δp = 5 MPa，則根據(jù)公式（1）得出重漿帽高度H = 3 640 m。

（2）壓水眼重漿高度及體積計算。根據(jù)公式（6）代入數(shù)據(jù)得H1= 2 109 m，V重= 8.2 m3?，F(xiàn)場為確保完全壓住水眼，實際打入重漿10 m3。

（3）重漿注入過程中井口壓力控制計算。起鉆至3 800 m，準備注重漿，根據(jù)公式（11）代入數(shù)據(jù)得H2= 917.8 > 0，則在注重漿過程中，井口回壓的控制分為以下4個階段。

第1階段：因H2>0，說明壓水眼重漿尚未到達鉆頭，同時重漿在鉆柱內(nèi)下沉一段距離，上部鉆柱為空管，此時開啟鉆井液泵將空管灌滿所需要的時代入公式（12）計算得t0=1.15 min。

由于此時井口無鉆井液返出，井筒內(nèi)尚未建立起循環(huán)。因此在開啟鉆井液泵的1.15 min內(nèi)需要保持地面回壓補償系統(tǒng)開啟對井口補壓。

第2階段：灌滿鉆井液后，原鉆井液開始沿環(huán)空上返，此時出口有鉆井液返出，關(guān)閉回壓補償系統(tǒng)，鉆井液在環(huán)空內(nèi)流動產(chǎn)生環(huán)空摩阻，經(jīng)過計算為0.5 MPa，則井口回壓降低為3.5 MPa，原鉆井液完全從鉆桿內(nèi)返出所需要的時間為tr= 9.1 min，在該段時間內(nèi)，由于壓水眼重漿帽尚未進入環(huán)空，環(huán)空靜液柱壓力不變，并未對井底施加附加壓力，所以此段時間內(nèi)井口壓力保持3.5 MPa不變。

第3階段：當原鉆井液完全從井底返出時，此時壓水眼重漿開始沿環(huán)空上返。至重漿完全從鉆柱進入水眼所需要的時間t1=13.9 min，其在環(huán)空內(nèi)的高度H1=543.5 m，所產(chǎn)生的附加壓力p1=1.5 MPa，則此時井口壓力需要降低1.5 MPa。

第4階段：將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（11）得H2= 1820 m，所需重漿的體積V2=33.5 m3，所需時間t3= 46.5 min，則可得至46.5 min后，井口壓力完全降至0，此時所有重漿共計在水眼內(nèi)的高度H3=2 354.5 m。

其上部仍有一段輕漿，可以看出并非等井口返出重漿時才降低回壓至0。而以往的計算是等井口返出重漿時，所需時間t4=97.1 min，總時間為107.3 min，此時井底壓力遠大于計算值，因此該種作業(yè)方法是不合理的。

現(xiàn)場作業(yè)中，精細控壓鉆井系統(tǒng)可實現(xiàn)以上的精細壓力控制。通過在數(shù)據(jù)庫中輸入各基本參數(shù)后，開啟重漿注入模式，系統(tǒng)自動設(shè)計出回壓降低步驟并進行實時控制。同時系統(tǒng)擁有手動/自動2種控制模式，也可人工設(shè)計出回壓控制曲線并進行手動控壓。當日實時回壓變化曲線與所設(shè)計的壓力控制曲線存在一定的誤差，主要有以下2個原因。

（1）現(xiàn)場起鉆至預(yù)定深度準備打重漿帽時，由于重漿長時間靜止產(chǎn)生氣泡，且密度、黏度比原鉆井液大，加之鉆井泵切換至重漿罐時上水管線中存在一段空管，因此導致泵上水不穩(wěn)定，直接造成井口壓力的波動。

（2）控壓鉆井設(shè)備的井口壓力傳感器接在節(jié)流撬上，該傳感器至井口還有一段管線及旋轉(zhuǎn)控制頭，從而產(chǎn)生部分摩阻。因此現(xiàn)場所測得井口壓力比實際井口壓力要偏小，控壓鉆井水力學計算軟件中的壓力比計算值略低以達到平衡這部分摩阻的目的。

4　結(jié)論

（1）精細控壓鉆井中正常鉆進、起下鉆、接單根及空井時需要保持井底壓力的連續(xù)控制與銜接，每種工況下對于井底壓力的實時控制都不容忽視。

（2）常規(guī)控壓起鉆注重漿過程中，以重漿返出井口時回壓降為0為節(jié)點，均勻降低井口壓力的做法是極不合理的，因為其沒有將鉆具內(nèi)壓水眼重漿考慮進去。該部分重漿進入環(huán)空后附加壓力升高速率變快，而井口壓力的控制速率未變，直接導致井底壓力增大。在壓力敏感地層該操作極易引起井漏，甚至嚴重的井控事故。

（3）控壓起鉆注重漿帽前，需要詳細計算鉆具內(nèi)不同密度的鉆井液分布，確定壓水眼重漿是否已經(jīng)到達鉆頭水眼處，上部鉆柱是否有空管等。制定合理的分段井口回壓控制實時曲線，實現(xiàn)井底壓力精確控制。

（4）可在重漿帽設(shè)計中提前將壓水眼重漿考慮在內(nèi)，優(yōu)化重漿帽設(shè)計，井口返出壓水眼重漿時回壓降為0，從而避免混漿，節(jié)約作業(yè)時間及成本，提高作業(yè)安全。

［1］周英操，楊雄文，方世良，等．窄窗口鉆井難點分析與技術(shù)對策［J］.石油機械，2010，38（4）：1-7．

［2］李勇，黃敏，荊華，等．川西地區(qū)德陽1井氣層段的控壓鉆井現(xiàn)場試驗［J］．天然氣工業(yè)，2012，32（7）：55-58．

［3］楊雄文，黃書君，周英操，等．控壓鉆井試驗檢測系統(tǒng)研制開發(fā)與應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（7）：43-47．

［4］周英操，崔猛，查永進.控壓鉆井技術(shù)探討與展望［J］．石油鉆探技術(shù)，2008，36（4）：1-4．

〔編輯薛改珍〕

Design of heavy grout and pressure control method for fine pressure-control drilling

PENG Mingjia1, LIU Wei1, WANG Ying1, ZHANG Tie2, MEN Minglei1, ZHANG Xin1
（1. Drilling Engineering and Technology Research Institute, CNPC, Beijing 102200, China; 2. Drilling Technology & Service Company of Great Wall Drilling Company, CNPC, Panjin 124010, China）

Fine pressure-control drilling is a new technology for efficient and safety drilling in the stratum with narrow-density windows. The technology enables precise control of annular pressure and realizes constant bottom hole pressure. During pressure-control trip out, drill is lifted to preset well depth, and heavy grout is filled before conventional trip out. The back pressure control method during the previous heavy grout filling is not operable. On one hand, the influence of heavy grout from nozzle to annular space by internal pressure of drilling tools is not taken into consideration, thus design contents are incomplete. On the other hand, there is no method for real-time pressure control. Bottom hole pressure control is further optimized according to actual engineering requirements and considerations of heavy grout in nozzle of drilling tools under internal pressure, actual borehole conditions, as well as stratum features (near-balanced pressure control may be adopted for carbonate rock stratum, and slightly-over-balanced pressure control may be adopted for hydrogen sulfide stratum). For calculation of relation between heavy grout filling and back pressure at wellhead, segmented real-time pressure control curve is established to realize stable control over bottom hole pressure during round trip, effectively avoid possible overflow or leakage during pump shutdown, and improve drilling safety and overall efficiency.

pressure-control drilling; heavy grout; pressure control; optimization design

TE243

A

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0016 – 04

10.13639/j.odpt.2015.04.005

國家科技重大專項”窄密度窗口安全鉆井技術(shù)與配套裝備”（編號：2011ZX05021-003）。

彭明佳，1990年生。2013年畢業(yè)于河北大學，現(xiàn)主要研究方向：控壓鉆井、欠平衡鉆井等新型鉆井技術(shù)。電話：13301364139。E-mail：pengmjdr@cnpc.com.cn。

2015-06-21）

引用格式：彭明佳，劉偉，王瑛，等.精細控壓鉆井重漿帽設(shè)計及壓力控制方法［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：16-19.