精細控壓鉆井技術在海上平臺（地面井口）的應用

王安康，雷新超，王福學，張俊奇，蔣 凱，韓雪健

（1. 中海油能源發(fā)展工程技術公司天津 300452；2. 中石化海洋石油工程有限公司上海 200120）

精細控壓鉆井技術[1]是近年國外發(fā)展起來的前沿鉆井技術，可有效解決鉆探過程中由于壓力敏感、復雜導致的井下復雜情況，特別是對復雜深井、超深井中普遍存在的窄密度窗口地層、易坍塌和漏失的薄弱地層以及枯竭油氣層、深海海底油藏鉆井都很適用，都有很好的效果；以往此項技術被美國等國家壟斷，使用該技術需要支付昂貴的技術服務費用。精細控壓鉆井裝備國產化后已先后在我國塔里木、華北、川渝等陸地油田成功開展工業(yè)化應用，全面替代國外同類產品，費用與國外同類技術相比降低70%以上；精細控壓鉆井系統(tǒng)技術已經成熟，已形成了鉆進、起下鉆、電測（隨鉆測井）、下套管（尾管）固井等程序的精細控壓配套工藝，有效解決了安全密度窗口窄、噴漏同存等鉆井難題，改善了固井質量；相對常規(guī)鉆井技術，可大幅提高水平段延伸能力，暴露更多的產層，大大提高單井產量[2-4]。目前該技術已在海上鉆井平臺成功應用了12口井（探井），分別適用于不同型號的自升式鉆井平臺，說明該技術已具備在海上平臺（地面井口）大規(guī)模推廣應用的基礎。

1 設備安裝

1.1 精細控壓原理及模式

精細控壓的原理就是在鉆井過程中，通過回壓泵、節(jié)流閥精細控制或調整環(huán)空壓力體系，確保井底壓力相對恒定，從而在“窄壓力窗口”層段實現(xiàn)安全、快速鉆進的一種鉆井技術。相對于常規(guī)鉆井，精細控壓鉆井井底壓力波動較小，避免由于接單根、起下鉆、停泵等工況下引起井底壓力波動，減少井漏、溢流等井下復雜情況，具體詳見圖1。

圖1 控壓鉆井與常規(guī)鉆井井底壓力對比圖

目前控壓模式主要有井口模式、井底模式兩種，兩種模式的目的都是使井底壓力稍大于地層孔隙壓力。井口模式是以水力軟件模擬為基礎，通過調整節(jié)流撬的節(jié)流閥控制井口壓力，調節(jié)鉆井液密度、循環(huán)排量、環(huán)空摩阻達到控制井底壓力的目的。井底模式是在底部鉆具組合中連接隨鉆測壓工具，實時上傳井底壓力，同樣通過調整節(jié)流撬節(jié)流閥控制井口壓力，調節(jié)鉆井液密度、循環(huán)排量、環(huán)空摩阻達到控制井底壓力的目的。由于井底模式是通過隨鉆測壓工具測量出來的井底壓力，井底壓力控制更精準，對于窄壓力窗口、高溫、高壓、高產油氣井等重點井適用于井底模式。

1.2 主要設備組成

精細控壓鉆井系統(tǒng)主要設備及工具包括自動節(jié)流撬、回壓補償泵、旋轉防噴器、液氣控制系統(tǒng)、監(jiān)測與自動控制系統(tǒng)、液氣分離器、隨鉆壓力測量工具（可選）、防溢管等。

由于海上自升式鉆井平臺甲板面積有限，且每個自升式鉆井平臺都有固井泵、液氣分離器，綜合考慮成本因素及設備簡單化的原因，固井泵充當回壓補償泵使用，共用自升式鉆井平臺的液氣分離器。目前海上自升式鉆井平臺只需要動用旋轉防噴器、自動節(jié)流撬及相關管線、閥門、傳感器等設備就能滿足常規(guī)精細控壓鉆井作業(yè)需求。

1.3 設備安裝

由于各個自升式鉆井平臺結構、布局及管匯尺寸不盡相同，到新平臺實施精細控壓鉆井作業(yè)前都要進行現(xiàn)場調研，調研包括但不限于：是否具備實施控壓鉆井條件、是否需要變扣（管線連接）、和錄井的連接方式、平臺供電、供氣能否滿足要求、吊車能力及覆蓋能力、控壓設備布局方案等。根據調研結果需要提前準備變扣或者設備改造。

根據目前12口井設備連接、就位經驗，精細控壓設備只需占用懸臂梁甲板一半的面積即可滿足作業(yè)需求，另外一半甲板可以擺放177.8 mm套管等物料，不影響正常鉆井作業(yè)。圖2是某平臺懸臂梁甲板控壓設備布置圖，節(jié)流撬尺寸為：7.21 m×2.4 m×2.7 m，防爆正壓房尺寸為：4 m×2.59 m×2.75 m，旋轉防噴器泵站尺寸為：2.3 m×2.08 m×1.7 m，節(jié)流撬、防爆正壓房和RCD泵站需要擺放在懸臂梁甲板；旋轉防噴器安裝在萬能防噴器上方，旋轉防噴器側出口通過高壓管線(101.6 mm/35 mPa)連接到節(jié)流撬入口端；節(jié)流撬出口管通過低壓管線(101.6 mm/10 mPa)連接至液氣分離器和高架槽；共占用甲板面積為：17.5 m×3.5 m；設備流程詳見圖3。

圖2 精細控壓設備甲板布置圖

圖3 控壓設備流程圖

2 現(xiàn)場應用

2.1 A井基本情況

A井為海上一口預探井（直井），一開（762 mm井眼）、二開（406 mm井眼）、三開（311.2 mm井眼）采用常規(guī)鉆井作業(yè)，四開（215.9 mm井眼）采用控壓鉆井作業(yè)，鉆探古生界地層。本井井身結構圖詳見表1。

表1 A井井身結構及套管下深

2.2 A井控壓鉆井

1）控壓設計

本井采用的是井口模式，底部鉆具組合中沒有連接隨鉆測壓工具。通過水力模擬軟件進行井底壓力模擬，模擬不同排量、不同鉆井液密度、不同井深、不同井口壓力情況下的井底當量壓力，圖4為其中一種工況下的模擬圖。

根據模擬計算（圖4），A井在3368 m循環(huán)或鉆進時，在鉆井液密度1.03g/cm3、排量4L/s的情況下，環(huán)空壓耗1.77 mPa，通過施加井口回壓（0～5 mPa），井底壓力當量密度范圍為1.084～1.235g/cm3。具體模擬條件詳見表2。

圖4 A井模擬狀態(tài)（鉆頭位于3368 m，排量24L/s）

表2 模擬條件

2）第一階段作業(yè)

本井四開215.9 mm井眼采用密度為1.03g/cm3的鉆井液鉆進，鉆進至3440 m時出現(xiàn)失返性漏失，短起下鉆期間漏速降為5～6 m3/h。由于計劃轉入中途測試作業(yè)，拆、甩旋轉防噴器密封總成。

經過一段時間的堵漏、壓井作業(yè)，效果不理想。安裝旋轉防噴器總成，控壓1.8 mPa起鉆至3273 m，繼續(xù)進行堵漏、壓井作業(yè)。堵漏后連續(xù)灌入1.05g/cm3的鉆井液，漏速穩(wěn)定在5～6 m3/h。起鉆，轉入測試作業(yè)。

經過生產測試，本井平均日產油1173.6 m3/d，氣油比152 m3/m3，日產氣178574 m3/d，地層壓力系數(shù)為1.056，地層壓力為35.97 mPa。

3）第二階段作業(yè)

測試作業(yè)結束后轉入鉆井作業(yè)，經過兩次堵漏作業(yè)后，堵漏效果仍然不理想。

經過反復模擬，最后采用1.04g/cm3的鉆井液繼續(xù)鉆進，鉆進期間漏速40～80 m3/h，鉆進排量36～38L/min，停泵接立柱期間通過精細控壓設備保持井口1.02 mPa的井口回壓。

P1=0.00981×3472×1.04+1.02=36.44 mPa（P1井底壓力）

井底當量=36.44/（0.00981×3472）=1.069g/cm3

保障鉆進和停泵接立柱期間井底壓力略大于地層壓力（大于地層壓力0.47 mPa），安全鉆達設計井深3718 m，并進行了測井和固井作業(yè)。后期增加152.4 mm井眼，鉆進至4142 m，測井、棄井作業(yè)順利，滿足地質勘探要求。

電纜測井期間用計量罐灌入1.06g/cm3的鉆井液，漏速15～18 m3/h，井內有部分密度為1.07g/cm3的鉆井液及巖屑，估計地層漏失當量壓力為1.07g/cm3左右。

2.3 認識

本井四開鉆進期間共漏失鉆井液8093 m3、海水894 m3，因堵漏、壓井產生非生產時間176h。后期如果進入開發(fā)作業(yè)或者鉆探評價井，會面臨同樣的難題。

經過模擬（圖5只是一種工況，模擬數(shù)據參考表2），本井利用1.0g/cm3的鉆井液、25L/s的排量鉆進，基本滿足在密度窗口內安全鉆進的要求，或者微漏的情況下控壓鉆進。停泵、開泵需要司鉆和精細控壓人員密切配合，司鉆停泵降低的環(huán)空壓耗等于精細控壓回壓泵補充的井口壓力，開泵時增加的環(huán)空壓耗等于回壓泵減少的井口壓力，具體詳見圖6。

圖5 A井模擬狀態(tài)：鉆頭位于3368 m，排量25L/s

圖6 開、停泵時井底壓力、井口回壓、循環(huán)壓力關系圖

停泵接立柱期間，補充的井口回壓為P2，保證停泵接立柱期間井底壓力微大于地層壓力并恒定，避免溢流、井漏的發(fā)生。

P2=（1.056?1）×0.00981×3368=1.85 mPa（P2停泵需要的井口回壓）

由于該井段密度窗口太窄，增加一層套管成本太高，海水密度為1.03g/cm3，后期控壓鉆井推薦采用“淡水（鉆井液密度1g/cm3）+井底模式（底部鉆具組合中加入隨鉆測壓工具）”模式實施精細控壓作業(yè)。這樣根據井底真實的井底壓力實施控壓作業(yè)，優(yōu)化鉆進排量、鉆井液密度、井口壓力三個參數(shù)，既滿足井控安全，又能實現(xiàn)地質錄井等勘探開發(fā)要求，實現(xiàn)安全、優(yōu)質、高效控壓鉆井作業(yè)。

3 思考及認識

經過本井及其他井的摸索，形成認識如下：

1）海上精細控壓（地面井口）鉆井作業(yè)已經具備海上各種鉆井平臺大規(guī)模推廣應用的技術基礎。

2）對于類似A井這種窄壓力窗口的初探井，最好采用井底模式（底部鉆具組合接入隨鉆測壓工具），這樣綜合成本更低，鉆井作業(yè)更安全、更經濟。

3）井漏的情況下也可實現(xiàn)控壓鉆井，只要回壓泵的排量大于井漏的速度，能保障在井眼環(huán)空有鉆井液實現(xiàn)傳遞井口壓力到井底即可。

4）目前的精細控壓鉆井模式（地面井口）適合于甲板面積較大的鉆井平臺，對于在生產平臺實施的調整井（衰竭油氣藏）控壓鉆井作業(yè)面臨一定的挑戰(zhàn)，需要對精細控壓設備進行再集成化、小型化、一體化。