精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在南海東部油田的適用性分析

劉東濤

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司（廣東 深圳518000）

南海東部地區(qū)勘探開發(fā)進(jìn)程正在向深井復(fù)雜地層不斷深入，由此所帶來的鉆井作業(yè)難題也越發(fā)突出，如三壓力密度窗口窄、井壁易失穩(wěn)等問題，對(duì)鉆井作業(yè)過程造成了很大負(fù)面影響[1-2]。精細(xì)控壓鉆井技術(shù)通過精細(xì)控制整個(gè)井筒壓力，減少了地層流體的侵入，有效解決了上述鉆井作業(yè)難題的手段之一。自21世紀(jì)初以來，在海外諸如北海、亞太、墨西哥灣等地區(qū)精細(xì)控壓鉆井已經(jīng)成為海上勘探開發(fā)的一種必備技術(shù)。諸多油田技術(shù)服務(wù)公司先后成功開發(fā)了控壓鉆井系統(tǒng)并推廣應(yīng)用，取得了良好效果[3]，如斯倫貝謝的DAPC系統(tǒng)，威德福的MFC系統(tǒng)和哈里伯頓的MPD系統(tǒng)等；在國(guó)內(nèi)，中石油自主研發(fā)的PCDS精細(xì)控壓鉆井系列裝備在塔里木、遼河、大港等油田也取得了顯著成效。雖然精細(xì)控壓鉆井技術(shù)近年來在我國(guó)陸地油田成功引進(jìn)并廣泛應(yīng)用，但在海上應(yīng)用該技術(shù)國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。中海油在渤海地區(qū)的多個(gè)油田區(qū)塊進(jìn)行了精細(xì)控壓鉆井應(yīng)用，并取得了成效，為南海東部地區(qū)精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的應(yīng)用提供了借鑒和參考意義。

1 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 精細(xì)控壓鉆井硬件設(shè)施及控制系統(tǒng)

海上控壓鉆井技術(shù)及設(shè)備采用全自動(dòng)化控制技術(shù)，避免了手動(dòng)控壓人員誤操作。圖1為海上精細(xì)控壓鉆井設(shè)備，通過旋轉(zhuǎn)防噴器及其控制系統(tǒng)（RCD）、自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、回壓補(bǔ)償系統(tǒng)、隨鉆環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)（PWD）、井下止回閥、液氣分離器等，實(shí)時(shí)控制整個(gè)井眼環(huán)空壓力剖面的過程，壓力控制精度高，井筒壓力波動(dòng)范圍小于0.34 MPa（50psi）。

圖1 海上精細(xì)控壓鉆井設(shè)備

1.2 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)原理

精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)通過直接或間接采集立管壓力、井口回壓、鉆井液入口流量、出口流量、鉆井液密度、鉆井液溫度、鉆井液電導(dǎo)率、鉆井液性能、循環(huán)罐液面高度、鉆進(jìn)速度、鉆具懸重、氣測(cè)烴值含量、泵速、扭矩、巖屑直徑等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和合理的邏輯判斷[4]，確定井下是否出現(xiàn)溢流、井漏、井壁掉塊等異常，并通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制系統(tǒng)環(huán)空壓力剖面和井底壓力精細(xì)控制的目標(biāo)，快速解決所出現(xiàn)溢流、井漏、井壁掉塊等井下復(fù)雜情況[5]。技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)原理

目前海上常用的精細(xì)控壓鉆井模式是通過微流量控壓鉆井和井底恒壓控壓鉆井技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。微流量控壓鉆井技術(shù)通過控制出入口流量，保證井筒內(nèi)壓力處于一種平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控壓鉆井；井底恒壓控壓鉆井技術(shù)主要通過控壓鉆井設(shè)備控制井口回壓[6]，在鉆井過程中，通過采集的各種相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行水力計(jì)算并對(duì)比實(shí)際和目標(biāo)壓力，實(shí)現(xiàn)井底或某一深度處壓力恒定鉆井。

1.2.1 鉆進(jìn)工況下精細(xì)控壓鉆井方法

在鉆進(jìn)工況下，精細(xì)控壓鉆進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的排量、壓力等數(shù)據(jù)，對(duì)比當(dāng)前作業(yè)數(shù)據(jù)和所需調(diào)節(jié)的目標(biāo)數(shù)據(jù)，由差值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥進(jìn)出口流量的大小，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)控壓[7]。圖3是鉆進(jìn)工況下精細(xì)控壓鉆井技術(shù)流程。

圖3 鉆進(jìn)工況下精細(xì)控壓鉆井技術(shù)流程

1.2.2 起下鉆、接立柱工況下精細(xì)控壓鉆井方法

在起下鉆、接立柱工況下，泥漿泵停泵之前需將固井泵打開用以回壓。泥漿泵排量逐漸降低至零的過程中，自動(dòng)節(jié)流管匯對(duì)其進(jìn)行壓力控制，通過固井泵在井口逐漸增加相應(yīng)的回壓以補(bǔ)償環(huán)空循環(huán)壓耗，從而實(shí)現(xiàn)停泵過程中壓力的平穩(wěn)過渡[7]。接完立柱后，逐漸打開泥漿泵，通過自動(dòng)節(jié)流管匯進(jìn)行壓力控制，直至泥漿泵排量提升至鉆進(jìn)排量。起下鉆、接立柱工況下壓力控制流程見圖4。

圖4 起下鉆、接立柱工況下精細(xì)控壓鉆井技術(shù)流程

2 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在海上油田的應(yīng)用

精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在渤海灣現(xiàn)已應(yīng)用17口井，取得顯著效果。在渤海油田的鉆井實(shí)踐中，作業(yè)井常見的問題有密度窗口過窄、高壓高產(chǎn)及氣侵嚴(yán)重以及由此引發(fā)的漏噴、卡塌等復(fù)雜情況。在針對(duì)性地應(yīng)用了精細(xì)控壓鉆井技術(shù)后，有效解決了以上諸多鉆井難題，規(guī)避了井控風(fēng)險(xiǎn)，提升了作業(yè)效率。

1）為井控安全保駕護(hù)航。LD1井、LD1Sa井、LD2井通過高精度控壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流，調(diào)整井底壓力，迅速控制井口，避免井控險(xiǎn)情。

2）解決了氣侵鉆井難題。LD1井、LD1Sa井單根氣活躍，通過控壓循環(huán)排氣實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)邊排氣。

3）解決了“窄壓力窗口”難題。LD1Sa井是典型窄壓力窗口井，常規(guī)鉆井方式存在困難，精細(xì)控壓鉆井順利鉆進(jìn)105 m。

4）解決了溢漏同存難題。CFD1井在常規(guī)鉆進(jìn)過程中，很難找到壓力平衡點(diǎn)，容易出現(xiàn)上漏下噴的現(xiàn)象，精細(xì)控壓鉆井順利解決了這一難題。LD3井預(yù)測(cè)最高地層壓力系數(shù)1.65，四開使用1.55 g/cm3鉆井液密度精細(xì)化控壓鉆進(jìn)，未發(fā)生溢漏復(fù)雜情況，大大提高了鉆井效率。

5）大幅縮短了非生產(chǎn)時(shí)間。CFD2井通過井口帶壓快速平衡井內(nèi)壓力，控制井口，實(shí)施帶壓強(qiáng)行下鉆，解決了井控險(xiǎn)情，同時(shí)有效預(yù)防或避免了井塌、壓差卡鉆等井下復(fù)雜情況的發(fā)生，顯著提升了鉆井效率。

表1 為精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在渤海灣現(xiàn)已應(yīng)用井總結(jié)。從該17口井的應(yīng)用效果來看，通過“井底恒壓+微流量”控壓鉆井技術(shù)，有效降低了井底壓力波動(dòng)，保障了井下安全；通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出口鉆井液流量和密度等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、井漏，有效預(yù)防了壓差卡鉆、井塌等復(fù)雜情況的發(fā)生，從而保障了技術(shù)方案的順利實(shí)施；通過參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)來準(zhǔn)確摸清地層壓力窗口，采取適當(dāng)降低鉆井液密度的方法鉆進(jìn)，從而減輕地層傷害有效地保護(hù)和發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層；此外，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了近平衡鉆井，提速、提效顯著，大幅度縮短了非生產(chǎn)時(shí)間、鉆井周期，降低了鉆井綜合成本，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益[8]。

表1 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在渤海灣應(yīng)用情況

3 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在南海東部油田的適用性分析

3.1 南海東部鉆井的特點(diǎn)及面臨的主要問題

精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在渤海油田的應(yīng)用實(shí)踐中取得了一定成效，但是否可以有效應(yīng)用于南海東部油氣田的鉆井作業(yè)中，還需要進(jìn)一步的分析和評(píng)價(jià)。渤海油田水深較淺（10～50 m）、儲(chǔ)層相對(duì)疏松且裂縫發(fā)育、井深較淺等特征，而南海東部油氣藏多位于水深在100 m以上區(qū)域，儲(chǔ)層相對(duì)致密，其油氣井多具有井深大、井眼軌跡復(fù)雜等特征[9]。

根據(jù)南海東部的鉆井實(shí)踐，篩選出XJ油田某區(qū)塊和LH油田某區(qū)塊作為兩個(gè)目標(biāo)區(qū)塊，先由三壓力曲線分析兩個(gè)區(qū)塊目前存在的問題，然后進(jìn)行精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的適用性分析及預(yù)評(píng)價(jià)。

3.1.1 XJ油田某區(qū)塊現(xiàn)存問題

圖5 為XJ油田某井三壓力曲線，從圖5可以看出，該區(qū)塊的下部地層（恩平組、文昌組）最大坍塌壓力對(duì)應(yīng)的當(dāng)量密度高達(dá)1.35 g/cm3，極易造成井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜情況。

3.1.2 LH油田某區(qū)塊現(xiàn)存問題

圖6 為L(zhǎng)H油田某井三壓力曲線，從圖6中可以看出該區(qū)塊地層壓力窗口（坍塌壓力、漏失壓力）較窄，僅1.10～1.35 g/cm3；若鉆井工程為大斜度井、水平井，一旦裸眼段較長(zhǎng)，則井底當(dāng)量泥漿密度（ECD）高，極易造成井下漏失。

圖5 XJ油田某井三壓力預(yù)測(cè)曲線

圖6 LH油田某井三壓力曲線

3.2 適用性分析及解決方案

根據(jù)以上問題，結(jié)合精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，進(jìn)行適用性分析并給出解決方案。

1）針對(duì)坍塌壓力較高，漏失壓力較低地層，鉆進(jìn)期間通過精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)控制井口回壓，實(shí)時(shí)調(diào)整鉆井液密度，從而實(shí)現(xiàn)微過平衡鉆井，保證井壁穩(wěn)定。在鉆進(jìn)的過程中逐步降低泥漿密度調(diào)整壓力至坍塌壓力系數(shù)，在降低泥漿密度的同時(shí)，觀察井壁的穩(wěn)定性。

XJ油田某區(qū)塊恩平組、文昌組地層使用1.35 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)，停泵期間通過精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)對(duì)井口控制回壓1～2 MPa，保證井眼穩(wěn)定[10]。

2）針對(duì)壓力窗口窄的地層，可降低鉆井液密度調(diào)整壓力至坍塌壓力系數(shù)及以下，在微流量控壓鉆進(jìn)過程中，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底溢流情況，一旦發(fā)現(xiàn)溢流，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員注意，同時(shí)自動(dòng)增加井口回壓循環(huán)至井底壓力大于地層孔隙壓力。

LH油田某區(qū)塊，可降低鉆井液密度至1.10 g/cm3，停泵期間通過精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)對(duì)井口控制回壓使得井底ECD大于1.15 g/cm3，保證井眼穩(wěn)定，壓穩(wěn)地層，實(shí)施控壓排污。

4 結(jié)論與建議

1）精細(xì)控壓鉆井技術(shù)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出口鉆井液流量和密度等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、井漏，有效預(yù)防了壓差卡鉆、井塌等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

2）精細(xì)控壓鉆井技術(shù)能降低鉆井液密度，提高機(jī)械鉆速，可減少現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況和事故的發(fā)生次數(shù)，從而有效控制鉆井作業(yè)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

3）精細(xì)控壓鉆井技術(shù)能大大減少鉆井液的漏失，從而保護(hù)儲(chǔ)層，提高油氣井產(chǎn)能，增加油氣田開發(fā)的整體效益。

4）精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在渤海地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用并取得了良好效果，但在南海東部地區(qū)卻不曾應(yīng)用。經(jīng)適用性分析，建議在南海東部地區(qū)的XJ油田、LH油田等地層復(fù)雜的油田先行應(yīng)用，在上述區(qū)塊逐步探究嘗試成功后，可大力推廣應(yīng)用，解決鉆井復(fù)雜難題。

5）對(duì)于南海地區(qū)深水區(qū)塊（如LH11-1等）特有的水下井口類型井，目前在我國(guó)的海洋鉆井實(shí)踐中還沒有精細(xì)控壓作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)可供參考。由于水下井口隔水管較長(zhǎng)并且鉆井船的升沉運(yùn)動(dòng)可能造成井涌檢測(cè)困難，這些都會(huì)對(duì)精細(xì)控壓作業(yè)的測(cè)量準(zhǔn)確度帶來不確定性，從而帶來潛在鉆井風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在這類井的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的深入調(diào)研，對(duì)現(xiàn)有的精細(xì)控壓設(shè)備也要做出相應(yīng)的改進(jìn)。