欠平衡作業(yè)和控制壓力鉆井作業(yè)方式的分類與選擇

楊順輝

0 前言

隨著已發(fā)現(xiàn)油氣資源的日漸衰竭,對(duì)更深更復(fù)雜地層的勘探開發(fā)活動(dòng)越來越多,而在鉆探這些深層復(fù)雜地層時(shí),常常出現(xiàn)許多如井涌、井漏、有害氣體泄漏、卡鉆、起下鉆時(shí)間過長(zhǎng)等鉆井復(fù)雜問題。采用欠平衡作業(yè) (Under balanced Operation,簡(jiǎn)稱 UBO)和控制壓力鉆井 (Managed Pressure Drilling,簡(jiǎn)稱MPD)技術(shù)可以有效地解決上述問題。欠平衡作業(yè)技術(shù)始于 20世紀(jì) 80年代,隨后迅速在世界各地推廣應(yīng)用,該項(xiàng)技術(shù)隨著井口旋轉(zhuǎn)防噴器和井下控制閥的發(fā)展而得到了進(jìn)一步的推廣,控制壓力鉆井技術(shù)最早于 2004年 I ADC/SPE阿姆斯特丹鉆井會(huì)議上被提出,該項(xiàng)技術(shù)更注重于井底壓力的精確控制,和欠平衡作業(yè)各有側(cè)重,由于這 2項(xiàng)技術(shù)可以有效解決多種井下復(fù)雜問題,降低非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間,因此目前在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)早期的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),UBO作業(yè)時(shí)按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為 6級(jí),從 0級(jí) (固有安全 )至 5級(jí) (突然設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致直接嚴(yán)重后果)風(fēng)險(xiǎn)依次遞增。每級(jí)又細(xì)分為若干亞類。目前國(guó)內(nèi)的欠平衡作業(yè)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,我國(guó)也出臺(tái)了《欠平衡鉆井技術(shù)規(guī)范》(SY/T 6543.1-2008),而對(duì)于控制壓力鉆井這一新興技術(shù)目前國(guó)內(nèi)尚無行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),且國(guó)內(nèi)的分類也比較混亂,有的從用途出發(fā)將控制壓力鉆井分為 5級(jí)[1],有的從應(yīng)用形式來分,將控制壓力鉆井分為井底常壓MPD、雙梯度 MPD、加壓泥漿帽 MPD等[2]。分類形式的混亂不利于廣大石油工作者對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí),更不利于國(guó)際交流。國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)(I

ADC)下屬的 UBO/MPD委員會(huì)對(duì)這兩種技術(shù)按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、作業(yè)類別和流體系統(tǒng)進(jìn)行了分類,共分為 6級(jí)、3類、5種,采用此種分類方法能更深入的了解技術(shù)內(nèi)涵,同時(shí)能按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行國(guó)際間的交流與合作。

1 I ADC關(guān)于欠平衡作業(yè)和控制壓力鉆井的分類

國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)關(guān)于欠平衡作業(yè)和控制壓力鉆井的分類主要是描述風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、應(yīng)用類別和流體系統(tǒng),油井分類主要依據(jù):

(1)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) (0～5);

(2)應(yīng)用類別 (A、B或 C);

(3)流體系統(tǒng) (1～5)。

這種分類系統(tǒng)主要是為確定最小的設(shè)備需求、特殊的操作程序以及安全管理措施提供一個(gè)框架。補(bǔ)充材料包括 I ADC欠平衡作業(yè) HSE指南以及其它相關(guān)文件。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

通常風(fēng)險(xiǎn)隨著作業(yè)的復(fù)雜性和油井產(chǎn)能的提高而增加,下面的例子僅僅提供指導(dǎo)性說明。

0級(jí)——僅僅提高鉆井效率,不涉及油氣層。例如利用空氣鉆井提高機(jī)械鉆速。

1級(jí)——油井靠自身壓力無法流到地面。油井是穩(wěn)定的并且從井控的角度來看風(fēng)險(xiǎn)較低。例如低于正常壓力系統(tǒng)的油井。

2級(jí)——油井依靠自身壓力可以流到地面,但是可以通過常規(guī)的壓井方法進(jìn)行控制。如果發(fā)生災(zāi)難性的設(shè)備失效僅能帶來有限的影響。例如異常壓力水層、低產(chǎn)的油井或氣井。

3級(jí)——地?zé)峋筒划a(chǎn)油氣的井。最大預(yù)計(jì)關(guān)井壓力小于欠平衡作業(yè)/控制壓力鉆井設(shè)備的承壓能力。包括含硫化氫的地?zé)峋?/p>

4級(jí)——含油氣地層。最大預(yù)計(jì)關(guān)井壓力小于欠平衡作業(yè)/控制壓力鉆井設(shè)備的承壓能力。如果發(fā)生災(zāi)難性設(shè)備失效可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。例如高壓或高產(chǎn)油藏、酸性油氣井、海洋環(huán)境、同時(shí)鉆井和生產(chǎn)的作業(yè)。

5級(jí)——最大預(yù)計(jì)關(guān)井壓力大于欠平衡作業(yè) /控制壓力鉆井設(shè)備的承壓能力。如果發(fā)生災(zāi)難性設(shè)備失效可能會(huì)立即導(dǎo)致嚴(yán)重后果。例如任何最大預(yù)計(jì)關(guān)井壓力大于欠平衡作業(yè)/控制壓力鉆井設(shè)備承壓能力的井。

1.2 應(yīng)用類別

A類——控制壓力鉆井,泥漿返回到地面,保持環(huán)空內(nèi)當(dāng)量泥漿密度等于或大于裸眼井段孔隙壓力。

B類——欠平衡作業(yè),流體返回到地面,保持環(huán)空內(nèi)當(dāng)量流體液密度小于裸眼井段孔隙壓力。

C類——泥漿帽鉆井 (MCD),泥漿和巖屑進(jìn)入漏失地層而無法返回到地面,在漏失層上面的環(huán)空內(nèi)保持一段泥漿液柱。

1.3 流體系統(tǒng)

(1)氣體——?dú)怏w作為流動(dòng)介質(zhì),沒有液體進(jìn)入。

(2)霧狀流——有液體進(jìn)入,氣體為連續(xù)相,典型的霧狀流液體小于 2.5%。

(3)泡沫——液體為連續(xù)相的兩相流,泡沫來源于液體中添加的表面活性劑和氣體。典型的泡沫包含 55%到 97.5%的氣體。

(4)充氣液體——流體中還有氣泡的鉆井液體系。

(5)液體——鉆井液中僅含有單相液體。

如果一口井采用MPD方式,流體系統(tǒng)選擇液體且最大預(yù)計(jì)關(guān)井壓力大于欠平衡作業(yè)/控制壓力鉆井設(shè)備的承壓能力,則這口井被分為:5級(jí),A類,流體類型 5,或者 5A5。

2 欠平衡作業(yè)方式的選擇

欠平衡作業(yè)是指在鉆井過程中,井筒環(huán)空中循環(huán)介質(zhì)的井底壓力低于地層孔隙壓力,允許地層流體有控制的進(jìn)入井筒,并將其循環(huán)到地面進(jìn)行有效處理的鉆井技術(shù)[3,4]。從上面描述可以看出,欠平衡作業(yè)和常規(guī)鉆井作業(yè)最大的區(qū)別在于井底壓力低于地層孔隙壓力,地層有流體產(chǎn)出,該項(xiàng)技術(shù)在提高勘探開發(fā)水平、降低作業(yè)成本、保護(hù)油氣層等許多方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。

2.1 欠平衡作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)與局限性

2.1.1 欠平衡作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)

首先該項(xiàng)技術(shù)能有效地減少地層傷害,在欠平衡作業(yè)過程中驅(qū)使鉆井液中固相和液相進(jìn)入地層的正壓差消除了,因此有效地減少了有害物質(zhì)對(duì)近井地帶的污染,保護(hù)了油氣層。其次由于井底壓力低于地層的孔隙壓力,避免了井漏現(xiàn)象的發(fā)生,特別是對(duì)于低壓、有裂縫或溶洞的高滲油氣藏,能夠有效的降低作業(yè)成本,同時(shí)減少了壓差卡鉆事故的發(fā)生。另外利用欠平衡鉆井過程中“邊鉆邊噴”的特性可以在鉆井階段就對(duì)油氣藏進(jìn)行評(píng)價(jià),求取產(chǎn)液指數(shù)、滲透率等油藏特性參數(shù)。欠平衡作業(yè)在提高機(jī)械鉆速方面也表現(xiàn)突出,特別是在空氣或泡沫鉆井過程中和鉆井液鉆井相比機(jī)械鉆速能提高 4～10倍,低密度鉆井液也可以提高機(jī)械鉆速 20%～40%。

2.1.2 欠平衡作業(yè)的局限性

欠平衡作業(yè)的局限性主要表現(xiàn)在井壁失穩(wěn),鉆井液易受到污染,對(duì)于產(chǎn)氣的井容易發(fā)生井下著火和井下爆炸,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生鉆桿和鉆鋌斷裂,導(dǎo)致井下惡性事故的發(fā)生。另外采用欠平衡作業(yè)對(duì)井控也要求更高,產(chǎn)出物的速度過大,地面設(shè)備的處理能力以及旋轉(zhuǎn)防噴器的控制回壓過高等一系列因素都使得欠平衡作業(yè)的井控相對(duì)于普通的井控有更高的設(shè)備要求和技術(shù)要求。

2.2 欠平衡作業(yè)方式的優(yōu)選

欠平衡作業(yè)主要應(yīng)用于油氣田的評(píng)價(jià)與開發(fā),然而并非所有的油氣井都適合欠平衡作業(yè),在對(duì)一口井進(jìn)行欠平衡作業(yè)前必須經(jīng)過詳細(xì)的論證,國(guó)際大型石油公司如 Weathford、BP、Schlumberger等都有一套嚴(yán)格的篩選程序,對(duì)多種因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析,包括:地層的傷害機(jī)理、井壁穩(wěn)定性、井漏程度預(yù)測(cè)、地層孔隙壓力和坍塌壓力、地層流體及施工風(fēng)險(xiǎn),Schlumberger公司還對(duì)欠平衡作業(yè)的增產(chǎn)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)為欠平衡鉆井的經(jīng)濟(jì)性提供數(shù)據(jù)支持。

當(dāng)確定能使用欠平衡作業(yè)后,進(jìn)而對(duì)井口設(shè)備和流體類型進(jìn)行優(yōu)選,通常氣體包括空氣、天然氣和氮?dú)忏@井密度適用范圍 0.001～0.01 g/cm3;霧狀流密度適用范圍 0.01～0.03 g/cm3;泡沫密度適用范圍 0.03～0.6 g/cm3;充氣液體密度適用范圍 0.6～1.0 g/cm3;液體密度大于 1.0 g/cm3。

3 控制壓力鉆井和欠平衡作業(yè)的對(duì)比分析

國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)控制壓力鉆井分委員會(huì)將MPD定義為“是一種應(yīng)用鉆井工藝,用于精確控制整個(gè)井眼的環(huán)空壓力分布,其目的是確定井下壓力窗口,并根據(jù)壓力窗口控制環(huán)空壓力分布。”該技術(shù)主要是通過對(duì)回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合控制,使整個(gè)井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間,進(jìn)行平衡或近平衡鉆井,有效控制地層流體侵入井眼,減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復(fù)雜情況,非常適宜孔隙壓力和破裂壓力窗口較窄的地層作業(yè)。

控制壓力鉆井和欠平衡作業(yè)有著類似之處,許多 UBO設(shè)備同樣適用于MPD作業(yè),且MPD發(fā)展初期主要依靠 UBO理論和設(shè)備,但是這兩種工藝從應(yīng)用目的、設(shè)備配置、工藝方法與地質(zhì)工程效果等方面均有一定區(qū)別。

(1)兩種工藝技術(shù)對(duì)井底壓力大小的控制不一樣。MPD方式下井底壓力大于或等于地層的孔隙壓力,而UBO方式下井底壓力小于地層的孔隙壓力,這樣就導(dǎo)致了在MPD鉆井過程中地層沒有流體產(chǎn)出,而 UBO方式則是“邊噴邊鉆”。

(2)兩種工藝技術(shù)的施工目的不一樣。UBO鉆井主要解決儲(chǔ)層傷害問題,提高機(jī)械鉆速;而 MPD則是一種解決鉆井復(fù)雜問題的作業(yè)方法,主要是為了解決窄安全密度窗口帶來的井漏、井塌、卡鉆、井涌等井下復(fù)雜問題,因?yàn)樽鳂I(yè)時(shí)采用閉式壓力控制系統(tǒng),更適合于控制井涌,通過動(dòng)態(tài)壓力控制或自動(dòng)節(jié)流控制,可以快速控制地層流體侵入井內(nèi),安全性高。

(3)UBO和MPD所需設(shè)備存在一定區(qū)別。大多數(shù)情況下,UBO設(shè)備可用于MPD,而為MPD所設(shè)計(jì)的分離設(shè)備的處理能力較小,但其它配套設(shè)備更為復(fù)雜。UBO鉆井中所采用的輔助流動(dòng)管線、儲(chǔ)備罐及地質(zhì)取樣設(shè)備在MPD鉆井中不需要,MPD還需增加密閉循環(huán)系統(tǒng)、CCS、舉升泵等,以精確控制井底壓力。

(4)UBO能夠獲得地層地質(zhì)特征參數(shù)與綜合地質(zhì)分析;而MPD是將地層流體壓制在地層中,因此對(duì)產(chǎn)層的識(shí)別以及巖石物性不能直接進(jìn)行評(píng)估,但可通過隨鉆測(cè)井 (LWD)和隨鉆測(cè)量 (MWD)儀進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)估[5,6]。

4 控制壓力鉆井適應(yīng)性評(píng)價(jià)

通過對(duì)MPD和UBO兩種鉆井工藝的對(duì)比分析可以看出,MPD鉆井工藝技術(shù)更注重對(duì)井底壓力的精確控制,主要適用于鉆井液密度窗口小的井況條件,主要包括衰竭油藏的調(diào)整井、含有多套壓力層系,噴漏同時(shí)出現(xiàn)的裸眼段以及海上復(fù)雜地層的鉆進(jìn)。

5 結(jié)語

采用 I ADC關(guān)于欠平衡作業(yè)和控制壓力鉆井的分類方法有助于這兩項(xiàng)技術(shù)的國(guó)際合作和進(jìn)一步推廣應(yīng)用,在實(shí)際應(yīng)用前應(yīng)針對(duì)具體的井況、層位進(jìn)行詳細(xì)的論證分析,最大限度地發(fā)揮兩種工藝技術(shù)的特點(diǎn),選擇合適的鉆井方式。

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