海上油田高效開發(fā)鉆完井關(guān)鍵技術(shù)研究新進(jìn)展*

曹硯鋒 李漢興 黃輝 程載斌 張磊 潘豪 邢希金任革學(xué) 王利華 易會安 舒福昌 王超

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；2.清華大學(xué) 北京 100084；3.長江大學(xué) 湖北荊州 434023；4.思達(dá)斯易能源技術(shù)（集團(tuán)）有限公司 北京 100101；5.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452）

隨著海上油田的持續(xù)開發(fā)，對鉆完井技術(shù)的要求不斷提高，低油價(jià)環(huán)境下面臨的降低成本、提高產(chǎn)能的壓力不斷增大；越來越多的油田進(jìn)入了開發(fā)后期，也暴露出了含水上升快、出水后地面水處理能力不足而增加水處理設(shè)施成本高的問題；日趨嚴(yán)苛的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對鉆完井作業(yè)提出了更高的要求。為解決以上問題，需繼續(xù)深化研究提高效能、降低成本、環(huán)境友好的鉆完井技術(shù)體系。

在國家重大專項(xiàng)的支持下，經(jīng)過五年研究，形成了一套以提高效能、降低成本、環(huán)境友好為核心的海上油田高效開發(fā)鉆完井技術(shù)體系，部分關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過了現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)用，為項(xiàng)目在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)增加原油產(chǎn)量，降低桶油成本提供了有力的技術(shù)支撐。研發(fā)的技術(shù)、裝置及設(shè)備，部分技術(shù)解決了“卡脖子”問題，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，做到自主可控，助力海上油田高效開發(fā)，為海洋環(huán)境保護(hù)和保障國家能源戰(zhàn)略安全貢獻(xiàn)技術(shù)力量，預(yù)計(jì)“十四五”期間，應(yīng)用前景廣闊，可為海上油田高效開發(fā)提供技術(shù)支撐和保障。

1 海上油田開發(fā)低成本鉆完井技術(shù)研究新進(jìn)展

1.1 高效滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

基于多體動(dòng)力學(xué)理論，研究了定向鉆井過程中接鉆桿、鉆進(jìn)、鉆柱與井壁隨機(jī)接觸、鉆頭-巖石作用導(dǎo)致的變鉆柱系統(tǒng)質(zhì)量、變邊界條件的動(dòng)力學(xué)問題［1-4］，將剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)方程與系統(tǒng)約束方程、井眼延伸方程結(jié)合，構(gòu)成系統(tǒng)控制方程，用于計(jì)算分析實(shí)際控制模式下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，形成了定向鉆井多體動(dòng)力學(xué)理論［5-7］，用于指導(dǎo)定向鉆井軌跡閉環(huán)控制技術(shù)研究及應(yīng)用，提高定向鉆井效率及軌跡控制效果。

針對滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井中人工調(diào)整工具面效率低，尤其是在深井鉆壓、扭矩傳遞慢導(dǎo)致工具面控制難的問題，需要研發(fā)井下動(dòng)力鉆具高效滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，通過多體動(dòng)力學(xué)和控制仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)鉆工具面角、井眼軌跡的對比分析，實(shí)時(shí)調(diào)整頂驅(qū)轉(zhuǎn)角和鉆壓實(shí)現(xiàn)工具面動(dòng)態(tài)調(diào)整和井眼軌跡閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井，提高鉆井效率，增加滑動(dòng)導(dǎo)向的應(yīng)用井深范圍，降低鉆井成本。

“十二五”期間，初步形成3項(xiàng)核心技術(shù)［8］，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)方案的可行性?！笆濉逼陂g通過技術(shù)改進(jìn)，提高動(dòng)力學(xué)與控制模型計(jì)算效率和軟件工程實(shí)用性，達(dá)到了現(xiàn)場應(yīng)用要求。

1.1.1 滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

井下動(dòng)力鉆具滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，以3類典型單元：剛體單元、Lagrange幾何精確梁單元、ALE幾何精確梁單元為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆柱-井壁接觸碰撞模型、鉆頭-巖石作用模型、鉆頭破巖作用下的井眼延伸模型，建立全井段滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和為提高計(jì)算效率而發(fā)展的分段BHA（Bottom Hole Assembly，井底鉆具組合）簡化模型。

分段BHA簡化模型是在全井段滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上添加分段點(diǎn)，將模型切分為鉆桿模型與BHA模型。由于鉆具導(dǎo)向能力主要由BHA的特性、鉆具控制量、地層情況決定，故使用全井段模型計(jì)算BHA模型的控制量，并用BHA模型計(jì)算鉆進(jìn)過程。

1.1.2 滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井自動(dòng)控制方法

根據(jù)高效滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工具面動(dòng)態(tài)控制與井眼軌跡閉環(huán)控制需求，提出了滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井自動(dòng)控制方法，包括3個(gè)方面：工具面反饋控制、基于動(dòng)力學(xué)模型的鉆井前饋控制、井眼軌跡閉環(huán)控制。

1）工具面反饋控制。

若要實(shí)現(xiàn)工具面的連續(xù)自動(dòng)控制，控制方法應(yīng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，且不依賴于控制對象模型，如工程上常用的PID控制方法。然而對于通過頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆桿扭轉(zhuǎn)來控制工具面的動(dòng)力學(xué)過程而言，在控制過程初期需要頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)一個(gè)較大的角度來克服鉆柱與井壁的靜摩擦，意味著較大的控制參數(shù)；而在控制過程末期，由于工具面角響應(yīng)的遲滯效應(yīng)，需要減小控制參數(shù)使頂驅(qū)提前減速甚至停止旋轉(zhuǎn)，否則工具面角很容易出現(xiàn)超調(diào)，導(dǎo)致頂驅(qū)不得不反轉(zhuǎn)來消除誤差，而頂驅(qū)反轉(zhuǎn)存在使鉆桿脫扣的危險(xiǎn)，因此傳統(tǒng)的定參數(shù)PID方法難以實(shí)現(xiàn)理想的控制效果。本文采用專家PID和模糊滑膜FSMC控制方法解決上述問題，并在深井控制中采用微分正反饋方法提高控制效率。

設(shè)計(jì)了一種專家PID方法進(jìn)行工具面控制，其關(guān)鍵在于根據(jù)工具面角的誤差及其變化率大小自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，考慮到實(shí)際鉆井的工具面控制是一個(gè)較長的過程，積分環(huán)節(jié)容易累加得很大，導(dǎo)致控制失穩(wěn)，因此積分系數(shù)始終置零?？刂埔?guī)律具體如下：

式（1）中：un和yn分別為第n個(gè)控制周期的頂驅(qū)轉(zhuǎn)角和工具面角，（°）；n為控制周期數(shù)為目標(biāo)工具面角，（°）；kp和kd分別為初始比例系數(shù)和微分系數(shù)，無量綱；ΔT為控制周期，s；μn為衰減系數(shù)，無量綱。

設(shè)計(jì)了一種模糊滑?？刂疲‵SMC）方法，將模糊控制與滑?？刂平Y(jié)合起來，通過設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，驅(qū)使系統(tǒng)狀態(tài)逐漸迫近切換平面，并根據(jù)切換函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整控制器輸出大小，大大減少所需設(shè)計(jì)的控制參數(shù)個(gè)數(shù)，并使控制增益變化更為平緩，從而獲得更好的控制效果。

對于深井／水平井這種穩(wěn)定性冗余、快速性欠缺的控制對象，傳統(tǒng)的負(fù)反饋控制很難實(shí)現(xiàn)工具面的快速調(diào)整。為解決這一問題，考慮采用工程上較為少見的正反饋控制，控制原理如下圖所示。

圖1 滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic model of slide steering drilling system

圖2 正反饋控制環(huán)路Fig.2 Positive feedback control loop

根據(jù)終值定理，閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值為1，即無穩(wěn)態(tài)誤差。此外，還可以通過調(diào)節(jié)微分系數(shù)kd來減小閉環(huán)傳遞函數(shù)的阻尼項(xiàng)，從而提高工具面角控制的響應(yīng)速度。由于頂驅(qū)存在反轉(zhuǎn)限制，因此超調(diào)量越小越好，理想情況是系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)附近，則其對應(yīng)的控制方程為

式（2）中：P（s）為控制器傳遞函數(shù)；H（s）為采樣延時(shí)傳遞函數(shù)；s為切換函數(shù)；μ、α、β由系統(tǒng)控制模型參數(shù)確定：

式（3）中：k1為鉆柱扭轉(zhuǎn)剛度，N·m／rad；k2為螺桿馬達(dá)彎角部分的等效扭轉(zhuǎn)剛度，N·m／rad；J為鉆柱系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m4；c為等效阻尼系數(shù)，N·s／m。

2）基于動(dòng)力學(xué)模型的鉆井前饋控制。

選取滑動(dòng)導(dǎo)向工況下的司鉆的實(shí)際控制量頂驅(qū)轉(zhuǎn)角、大鉤載荷作為前饋控制算法所需計(jì)算的控制量?？刂屏鞒倘鐖D3所示，具體步驟如下：

圖3 鉆井前饋控制流程圖Fig.3 Flow chart of drilling feedforward control

①輸入井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)，建立滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)全井段和BHA動(dòng)力學(xué)模型；

②根據(jù)第i-1段實(shí)鉆數(shù)據(jù)校驗(yàn)鉆頭巖石作用模型參數(shù)；

③根據(jù)實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌道偏差情況進(jìn)行隨鉆軌跡修正，插值得到下一柱鉆井軌跡參數(shù)，確定單立柱軌跡滑動(dòng)鉆進(jìn)控制點(diǎn)；

④將軌跡滑動(dòng)鉆進(jìn)控制點(diǎn)參數(shù)輸入鉆機(jī)控制量前饋控制算法，得到滿足目標(biāo)井眼軌跡的鉆機(jī)控制量；

⑤輸入鉆機(jī)控制器，實(shí)鉆過程中對鉆壓、工具面角進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差評估，并根據(jù)誤差修正模型；

⑥直至完成ΔLi距離的鉆進(jìn)，判斷是否完成本柱鉆進(jìn)（即鉆進(jìn)距離達(dá)到L），若完成則結(jié)束鉆進(jìn)，否則返回至第②步，重復(fù)上述步驟。

直至到達(dá)一柱鉆進(jìn)距離L后，輸出本柱鉆進(jìn)的錄井?dāng)?shù)據(jù)，并評估軌跡誤差。

基于動(dòng)力學(xué)模型的鉆井前饋控制理論以鉆井多體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，替代定向井工程師與司鉆的作用，實(shí)現(xiàn)一段軌跡的自動(dòng)鉆進(jìn)。選取滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井工況下的司鉆實(shí)際控制量（頂驅(qū)轉(zhuǎn)角、大鉤載荷）作為前饋控制算法計(jì)算的輸出量。

3）井眼軌跡閉環(huán)控制。

對于鉆井系統(tǒng)，其控制輸入為井上控制系統(tǒng)的絞車速度和頂驅(qū)轉(zhuǎn)角，輸出量為井眼曲率和主法線角。由于動(dòng)力學(xué)仿真不可避免地存在一些誤差和未建模動(dòng)態(tài)，將其視為系統(tǒng)干擾，則其傳遞函數(shù)可表示為

式（4）中：Y為井眼軌跡閉環(huán)控制傳遞函數(shù)；f（X）為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真?zhèn)鬟f函數(shù)，X為系統(tǒng)仿真變量；d為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真誤差和未建模動(dòng)態(tài)導(dǎo)致的系統(tǒng)干擾。

由于有動(dòng)力學(xué)建模誤差引起的干擾存在，因此需要對動(dòng)力學(xué)仿真給出的前饋控制信號Xsim=f-1（Y0）進(jìn)行補(bǔ)償，得到實(shí)際的控制信號，即

式（5）中：Xctrl為實(shí)際控制信號；Xsim為仿真控制信號；Xcom為補(bǔ)償信號。

滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井井眼軌跡閉環(huán)控制原理如圖4所示。通過12口井的試驗(yàn)和應(yīng)用，工具面計(jì)算、控制及反饋控制時(shí)間小于10 min，控制程序的工具面控制精度在±8°以內(nèi)，且軌跡控制滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，滑動(dòng)導(dǎo)向定向鉆進(jìn)效率提高10%以上。

圖4 滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井井眼軌跡閉環(huán)控制原理Fig.4 Closed loop control principle of borehole trajectory in slide steering drilling

1.2 砂泥巖互層定向井防砂優(yōu)化技術(shù)

海上油田中河流相沉積儲層占了較大比例，典型的特征是砂泥巖互層、砂巖段個(gè)數(shù)多、凈毛比低、連通性較差、膠結(jié)疏松等，以定向井開發(fā)為主，對于需要防砂的油井，通常采用礫石充填防砂，導(dǎo)致工序復(fù)雜，工期長，成本高。為了分析砂泥巖互層防砂方式對產(chǎn)能的影響，研制了一套多層系可旋轉(zhuǎn)出砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，開展了不同凈毛比、井斜角等砂泥巖互層防砂物理模擬實(shí)驗(yàn)，得到了裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂與礫石充填防砂的優(yōu)選區(qū)間，從而建立砂泥巖互層特點(diǎn)的防砂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1.2.1 砂泥巖互層定向井防砂實(shí)驗(yàn)研究

多層系可旋轉(zhuǎn)出砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，可模擬復(fù)雜砂泥巖互層、夾層等儲層，能夠進(jìn)行不同井斜角模擬，由高壓釜體直接填砂升級為釜體外填砂，利用填砂模具分層填砂、壓機(jī)壓實(shí)及吊裝儲層入釜體，降低了實(shí)驗(yàn)拆裝難度，保證了儲層孔滲特性模擬一致性。

圖5 多層系可旋轉(zhuǎn)出砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Rotatable sand production simulation experimental device for multi layer

不同凈毛比對篩管滲透率的影響規(guī)律如圖6所示，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，凈毛比在0.5附近為裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂與礫石充填防砂優(yōu)選分界點(diǎn)，因此在現(xiàn)場防砂方式優(yōu)選中，可將凈毛比（0.5）作為優(yōu)質(zhì)篩管與礫石充填選用的依據(jù)之一。不同井斜角對篩管最終滲透率的影響規(guī)律如圖7所示，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，井斜角30°為裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂與礫石充填防砂優(yōu)選分界點(diǎn)，因此可將井斜角30°作為優(yōu)質(zhì)篩管與礫石充填選用的依據(jù)之一。

圖6 不同凈毛比對篩管滲透率的影響規(guī)律Fig.6 Effect of different net gross ratio for screen tube permeability

圖7 不同井斜角對篩管最終滲透率的影響規(guī)律Fig.7 Effect of different well angle for final permeability of screen pipe

1.2.2 砂泥巖互層防砂設(shè)計(jì)方法

根據(jù)上述室內(nèi)防砂物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在海洋完井防砂方式選擇圖版的基礎(chǔ)上［9］，引入凈毛比與井斜角等參數(shù)，結(jié)合蒙脫石含量、粒度中值d50等數(shù)據(jù)，建立了適合砂泥巖互層適度出砂開采條件下的防砂方式優(yōu)選方法，具體如下。

1）d50＜50μm：采用礫石充填防砂。

2）50μm≤d50≤250μm：

①凈毛比≤0.5，采用礫石充填防砂；

②凈毛比≥0.8：當(dāng)蒙脫石含量≤10%，采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂；當(dāng)蒙脫石含量＞10%，采用礫石充填防砂；

③0.5＜凈毛比＜0.8：當(dāng)蒙脫石含量≤8%，采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂；當(dāng)蒙脫石含量≥10%，采用礫石充填防砂；當(dāng)8%＜蒙脫石含量＜10%時(shí)，井斜角≤30°時(shí)采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂，井斜角＞300時(shí)采用礫石充填防砂。

3）d50＞250μm：

①地層砂均質(zhì)系數(shù)UC≥5，采用金屬棉優(yōu)質(zhì)篩管防砂；

②地層砂均質(zhì)系數(shù)UC＜5，采用金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管防砂。

2 海上油田水平井穩(wěn)油控水技術(shù)研究新進(jìn)展

海上邊底水油藏水平生產(chǎn)井含水率上升速度過快是困擾該類型油藏高效開發(fā)的重要問題。ICD（流入控制裝置inflow control device，下同）和AICD（自動(dòng)流入控制裝置autonomous inflow control device，下同）控水技術(shù)的應(yīng)用一定程度上緩解了邊底水油藏出水問題，但也存在著各自的缺點(diǎn)，即ICD雖然初期能均衡沿水平生產(chǎn)段的生產(chǎn)剖面，但后期不能有效阻止高滲段底水流入井筒；AICD雖然中后期能根據(jù)流體特征的變化自動(dòng)抑水，將高滲段大量的地層水阻擋在井筒外，但初期均衡生產(chǎn)剖面作用有限，容易導(dǎo)致底水快速抵近井筒形成“水淹區(qū)”［10］，從而兩者均難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)井全壽命的有效控水。針對這些問題，“十三五”期間提出了全壽命控水理念，研發(fā)了復(fù)合型控水裝置C-AICD，發(fā)揮了ICD和AICD的優(yōu)勢。通過實(shí)驗(yàn)測試、設(shè)計(jì)模擬和現(xiàn)場應(yīng)用證明其有效性，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)全壽命穩(wěn)油控水的預(yù)期目的［11］。

2.1 C-AICD工具結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理

C-AICD結(jié)構(gòu)主要由過濾單元、固定式流動(dòng)控制單元和可自動(dòng)調(diào)節(jié)流動(dòng)控制單元等3部分組成，如圖8所示。固定式流動(dòng)控制單元由支撐導(dǎo)流盤、可旋轉(zhuǎn)的均衡盤、鎖緊及密封裝置等組成?？勺詣?dòng)調(diào)節(jié)流動(dòng)控制單元主要由主體、浮筒、下蓋組成。油層中的流體一般經(jīng)篩管過濾后進(jìn)入固定式流動(dòng)控制單元和可自動(dòng)調(diào)節(jié)流動(dòng)控制單元，最后由出油通道進(jìn)入生產(chǎn)管柱內(nèi)部后被舉升到地面從而實(shí)現(xiàn)完整的智能控水流程。

圖8 C-AICD工具示意圖Fig.8 Schematic diagram of C-AICD tool

復(fù)合型智能控水工具的控水機(jī)理結(jié)合油井的生產(chǎn)周期可劃分為2個(gè)控水階段：第一個(gè)控水階段即油井生產(chǎn)早期，主要通過設(shè)計(jì)C-AICD的固定式流動(dòng)控制單元的流入孔道數(shù)量，控制沿水平段各段的附加壓差，來促進(jìn)油水界面均衡推進(jìn)，防止早期水竄，實(shí)現(xiàn)早期控水的目的。第2個(gè)控水階段即油井生產(chǎn)中后期，由于沿水平段各段的水淹程度不同，主要通過C-AICD的可自動(dòng)調(diào)節(jié)流動(dòng)控制單元，根據(jù)各段生產(chǎn)段含水率高低（即流體的綜合黏度）的不同來自動(dòng)調(diào)整各段流入通道的大小，以控制水淹段流入量，提高非水淹段的流入量。從而在整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)前期均衡油水界面推進(jìn)剖面，減少死油區(qū)面積，后期大幅降低高含水段流量，來提高單井的采收率。

圖9 控水原理示意圖Fig.9 Schematic diagram of water control principle

2.2 C-AICD室內(nèi)測試和實(shí)際應(yīng)用

為檢驗(yàn)ICD、AICD、C-AICD等不同控水工具的抑水增油性能，設(shè)計(jì)了控水裝置計(jì)量標(biāo)定系統(tǒng)，主要包括儲油箱、儲水箱、電磁閥、計(jì)量泵（公稱壓力0.3 MPa，公稱流量50 L／min）、靜態(tài)混合器（公稱壓力1.0 MPa）、多相混合增壓泵（公稱壓力3.0 MPa，公稱流量85 L／min）、溢流閥、質(zhì)量流量計(jì)（體積流量范圍0.5～50 L／min）、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵，液壓監(jiān)控系統(tǒng)和專用試驗(yàn)工裝等。試驗(yàn)平臺成功完成測試不同類型控水工具達(dá)2 000次以上［12］，其中ICD為噴嘴式，AICD為碟片式，C-AICD的固定式流動(dòng)控制單元和可自動(dòng)調(diào)節(jié)流動(dòng)控制單元分別與ICD、AICD結(jié)構(gòu)原理相同。

利用流入控制裝置性能測試系統(tǒng)，測試C-AICD（入口節(jié)流孔9個(gè)，孔徑3.2 mm）在水和黏度為20、50、100、150 mPa·s油的過流量和壓差。測試結(jié)果（如圖10所示）顯示C-AICD過流油量為過流水量的4～9倍，控水暢油作用明顯［10］。同時(shí)對比實(shí)驗(yàn)表明［10］，當(dāng)含水率很低時(shí)，C-AICD近似ICD特性。C-AICD的過流量比AICD小，并沒有像AICD一樣讓原油大量流入，而是略低于ICD的過流量，發(fā)揮類似ICD的作用。當(dāng)含水率很高時(shí)，C-AICD近似AICD特性。C-AICD的過流量比ICD小，但并沒有像ICD一樣讓水大量流入，而是略低于AICD的過流量，發(fā)揮類似AICD的作用。

圖10 C-AICD不同流體流量與壓差關(guān)系示意圖Fig.10 Schematic diagram of the relationship between different fluid flow and differential pressure of C-AICD

C-AICD控水技術(shù)推薦應(yīng)用于新開發(fā)油田水平井，基本要求為：

1）油井井況：一般井徑為152.4 mm、215.9 mm裸眼段水平井；

2）地層原油黏度：3～320 mPa·s；

3）最佳產(chǎn)液量：＞500 m3／d；

4）油藏條件：儲層物性較好，滲透率非均質(zhì)性強(qiáng)。

目前，C-AICD技術(shù)已在海上油田的7口井中應(yīng)用，總體控水效果良好。以在南海東部某C-AICD井為例，開發(fā)層位H1B，該油藏有效厚度約7 m，地層原油黏度11 mPa·s。儲層物性好，屬于中-高孔、中-特高滲儲集層，底水能量強(qiáng)，油藏該井含水率上升速度快，需采取控水措施。鉆前模擬預(yù)測（圖11、12）表明，C-AICD相對于ICD、AICD具有更好的控水穩(wěn)油效果。

圖11 某井設(shè)計(jì)與實(shí)際累產(chǎn)對比Fig.11 Comparison between design and actual cumulative production of a well

圖12 某井不同控水方式下的預(yù)測累產(chǎn)油量對比Fig.12 Prediction cumulative production comparison between different methods

跟蹤該井投產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際含水率一直低于預(yù)測值，通過鉆后數(shù)值模擬預(yù)測C-AICD控水條件下比不采取控水措施條件下單井增油量1.8萬m3。自2020年6月投產(chǎn)至2021年9月，在相同累產(chǎn)油（4.743萬m3）條件下，實(shí)際累產(chǎn)水量比預(yù)測累產(chǎn)水量減少52.4萬m3?？紤]前期控水作業(yè)投資成本后的單井經(jīng)濟(jì)收益約為0.7億元人民幣。

3 海上油田鉆完井環(huán)保技術(shù)研究新進(jìn)展

海上鉆井廢棄物主要包括廢棄鉆井液和巖屑，為了降低對海洋環(huán)境的影響，通常采取回收上岸處理，其中廢棄鉆井液體積巨大，含水率高，全部運(yùn)回陸地帶來了巨大的運(yùn)輸成本和水資源的浪費(fèi)?！笆濉逼陂g采用源頭治理的思路，開發(fā)易固液分離、易脫穩(wěn)的鉆井液體系［13］，提高廢棄鉆井液脫水效率，同時(shí)針對海上平臺空間有限，常規(guī)鉆井廢棄物處理裝置占地大、流程復(fù)雜的問題，研發(fā)小型高效固液分離設(shè)備，實(shí)現(xiàn)海上平臺廢棄鉆井液有效處理，實(shí)現(xiàn)液相重復(fù)利用，降低運(yùn)回陸地處理量，達(dá)到廢棄物處理減量化效果。

3.1 易脫穩(wěn)環(huán)保型鉆井液體系

海上油田常用水基鉆井液是用黏土形成穩(wěn)定性極高的分散體系，由于膨潤土的表面、界面和小尺寸效應(yīng)以及大量有機(jī)物處理劑的護(hù)膠作用，導(dǎo)致廢棄鉆井液脫水難度大，固液分離困難。在鉆井液體系中通過采用新的納-微米結(jié)構(gòu)材料替代影響固液分離的傳統(tǒng)鉆井液材料黏土，可以實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的快速脫穩(wěn)，解決廢棄鉆井液處理中固液分離難題，從而減少廢棄鉆井液的回收處理量。

納-微米結(jié)構(gòu)材料是以剛性的納米材料為骨架，通過功能性基團(tuán)對其表面進(jìn)行改性，在液相環(huán)境中可以形成類似于黏土膠體的顆粒。納-微米結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性主要由表面吸附的活性功能基團(tuán)控制，在活性環(huán)境下，分子鏈上的活性功能基團(tuán)游離，分子充分伸展，在靜電斥力的作用下形成微凝膠，穩(wěn)定體系流變性，控制失水，來保證鉆井液的工程性能；惰性環(huán)境下，活性功能基團(tuán)發(fā)生卷曲，分子呈緊致收縮狀態(tài)，凝膠結(jié)構(gòu)破壞，體系脫穩(wěn)。

納米骨架材料以無機(jī)納米粒子為膠核，通過表面活性劑反應(yīng)處理形成納米分散懸浮液；該懸浮液與天然高分子聚合物水溶液、共聚反應(yīng)單體及交聯(lián)劑，在引發(fā)劑條件下引發(fā)聚合反應(yīng)，形成水溶性好、分子量適當(dāng)?shù)木酆衔锛{-微米材料。

室內(nèi)評價(jià)對研究的納-微米結(jié)構(gòu)材料NMS的粒徑與黏土膠體粒徑進(jìn)行了對比分析。實(shí)驗(yàn)液相環(huán)境選用海水，在海水中加入按質(zhì)量體積比分別配制不同泥漿，然后在25℃條件下靜置養(yǎng)護(hù)24 h后，通過激光粒度進(jìn)行粒度測試分析，具體實(shí)驗(yàn)評價(jià)如表1所示。

表1 粒徑分布情況Table 1 Particle size distribution

從粒徑分析情況來看，研究的納-微米結(jié)構(gòu)劑的粒徑分布情況基本接近黏土與護(hù)膠材料組成的膠體粒徑分布情況，具備同樣的尺寸大小，可以取代黏土，為鉆井液提供良好的封堵能力，在井壁上形成致密泥餅，防止井壁坍塌和防漏，潤滑防卡。

實(shí)驗(yàn)研究對比評價(jià)了有土相和無土相條件下，鉆井液體系性能變化情況，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鉆井液性能評價(jià)Table 2 Performance evaluation of drilling fluid

基本配方：海水+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH+1.5%納-微米材料+0.5%包被劑HMP+2%降濾失劑HFL-2+2%封堵劑HBJ-3+5%抑制劑KCl+2%潤滑劑HSM，重晶石加重至1.2 g／cm3。

從表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，加入少量的納-微米材料表現(xiàn)出良好的增黏、控制失水的效果，鉆井液性能穩(wěn)定，可以達(dá)到目前現(xiàn)場用般土作用效果，同等條件下基本不會影響目前體系成本。

在滿足現(xiàn)場鉆井作業(yè)性能后，對鉆井液體系添加生化處理劑進(jìn)行破膠，以離心分離法對固液分離效果進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如表3所示。

表3 離心脫水率對比Table 3 Water removal comparison of drilling fluids

從表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，易脫穩(wěn)鉆井液體系的固液分離效果最好，可以達(dá)到70%以上，比常用鉆井液體系的脫水率增加20%以上。

3.2 海上固液分離裝置及配套技術(shù)

海上平臺普遍具有作業(yè)空間小特點(diǎn)，“十三五”期間引入管道絮凝技術(shù)，縮短絮凝時(shí)間，減少大罐體積；采用長徑比高速離心機(jī)提高連續(xù)脫水效率；集成撬裝設(shè)計(jì)，節(jié)約空間，方便運(yùn)輸；針對易脫穩(wěn)鉆井液及海上現(xiàn)有鉆井液，優(yōu)化設(shè)計(jì)加藥系統(tǒng)和優(yōu)選了混凝劑，通過上述攻關(guān)形成了小型撬裝的固液分離裝置［14］。

對于廢棄鉆井液處理而言，固液分離技術(shù)是廢棄鉆井完井液治理的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的機(jī)械脫水方式有：板框壓濾、帶式壓濾、離心脫水和螺旋榨式脫水，采用離心脫水機(jī)進(jìn)行分離比較合適海上的實(shí)際應(yīng)用條件。通過向離心機(jī)進(jìn)液管道中同時(shí)投放兩種絮凝劑溶液，與離心機(jī)供液泵管道中的鉆井液交匯。在靜態(tài)管道混合器中藥品溶液與鉆井液充分混合反應(yīng)后進(jìn)入離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)；當(dāng)離心加速度大于2 500g（g為重力加速度），混合液將分離為固相和清液兩部分；固相進(jìn)入沉渣收集槽，排出到外部巖屑收集罐或噸袋內(nèi)，清液則進(jìn)入集液罐，通過集液罐上安裝的中轉(zhuǎn)泵將清液轉(zhuǎn)運(yùn)至存液罐內(nèi)，最終通過存液罐上安裝的外排泵將清液外輸，工藝流程如圖13所示。

圖13 鉆井液固液分離撬設(shè)備Fig.13 Drilling fluid solid-liquid separation prying equipment

通過研究所構(gòu)建的易脫穩(wěn)環(huán)保型鉆井液體系在海上現(xiàn)場應(yīng)用2井次，配合小型撬裝固液分離裝置及其配套的處理劑，在減小占地空間50%、縮短反應(yīng)時(shí)間30%同時(shí)，實(shí)現(xiàn)體積脫水率達(dá)65.74%。

4 海上油田開發(fā)高效鉆完井技術(shù)發(fā)展展望

中國海洋石油集團(tuán)公司經(jīng)過“十一五”至“十三五”國家重大專項(xiàng)課題的研究，形成了一套以提高效能、降低成本、環(huán)境友好為核心的海上油田高效開發(fā)鉆完井技術(shù)體系，部分關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過了現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)集團(tuán)公司“十四五”發(fā)展目標(biāo)及支撐增儲上產(chǎn)“七年行動(dòng)計(jì)劃”要求，國內(nèi)勘探開發(fā)力度日益加大，工程地質(zhì)環(huán)境不斷復(fù)雜化，鉆完井專業(yè)面臨油更稠、溫度壓力更高、水深或儲層埋深更深、多種復(fù)雜工況疊加的技術(shù)挑戰(zhàn)。超稠油低成本與稠油在產(chǎn)井綜合治理技術(shù)、超高溫高壓開發(fā)井鉆完井技術(shù)、中深層安全高效鉆完井關(guān)鍵技術(shù)、深水復(fù)雜開發(fā)井及超深水開發(fā)鉆采技術(shù)等亟需開展相關(guān)技術(shù)攻關(guān)與儲備。精細(xì)控壓鉆井及固井全套技術(shù)與裝備、高性能智能鉆井完井工具裝備等方面需持續(xù)加大研發(fā)投入和國產(chǎn)化、自主化攻關(guān)力度。鉆完井廢棄物處理技術(shù)研究需進(jìn)一步開展，以踐行海上鉆完井作業(yè)安全綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念。

4.1 低成本鉆完井技術(shù)

進(jìn)一步推動(dòng)高效滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工程化應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用，針對鉆機(jī)裝備控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)封閉，自動(dòng)化、智能化水平低，操作繁雜、性能難以充分發(fā)揮，效率低、安全性差；鉆井作業(yè)效率和質(zhì)量依賴于司鉆、定向井工程師等人員的經(jīng)驗(yàn)和水平，未通過數(shù)字化、智能化平臺與鉆井工藝需求、井下測控?cái)?shù)據(jù)有效融合，難以實(shí)現(xiàn)地面井下閉環(huán)聯(lián)動(dòng)控制的問題，進(jìn)一步優(yōu)化基于多體動(dòng)力學(xué)理論的滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井工具面控制技術(shù)的控制算法，提高計(jì)算速度；與鉆機(jī)裝備及井下測量數(shù)據(jù)融合，開展鉆井作業(yè)參數(shù)智能優(yōu)化技術(shù)、井下工具系統(tǒng)作業(yè)安全智能評價(jià)技術(shù)和地面井下閉環(huán)聯(lián)動(dòng)鉆井技術(shù)，提高鉆井效率和井眼軌跡質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)裝備工具與鉆井工藝一體化智能控制和井眼軌跡閉環(huán)自動(dòng)控制。

4.2 提高效能鉆完井技術(shù)

1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆完井技術(shù)：隨著油田進(jìn)入大規(guī)模調(diào)整開發(fā)階段，調(diào)整井大量的實(shí)施與平臺槽口緊張及鉆井防碰風(fēng)險(xiǎn)的矛盾日益突出，分支井方案被越來越多的油氣田考慮使用，需進(jìn)一步開展包括主分支井眼機(jī)械連接技術(shù)、再入與密封技術(shù)、分采分注技術(shù)的五級完井技術(shù)和關(guān)鍵工具的研究與應(yīng)用，智能完井技術(shù)的研究與應(yīng)用。

2）穩(wěn)油控水技術(shù)：進(jìn)一步優(yōu)化控水工具控水性能和智能控制，探索防砂控水一體化技術(shù)以及控水技術(shù)在氣田中的應(yīng)用。

3）海上海上注水井高效增注技術(shù)：開展活性酸解堵技術(shù)、物理擴(kuò)容解堵技術(shù)及物理化學(xué)復(fù)合解堵技術(shù)研究，解決海上油田酸化技術(shù)作業(yè)成本相對偏高、實(shí)施效果差、效率低的問題。

4.3 環(huán)保鉆完井技術(shù)

1）成本環(huán)保鉆井液技術(shù)：以水基鉆井液減排技術(shù)為核心，進(jìn)一步開展微納米骨架易脫穩(wěn)環(huán)保型鉆井液體系的研究與應(yīng)用，研究固相控制技術(shù)，開展固控制設(shè)備的升級改造研究，綜合提高水基鉆井液重復(fù)利用率；通過研究廢棄的非儲層段和儲層段的鉆井液濾液中組分對重復(fù)配漿的影響規(guī)律，建立廢液處理方法及相關(guān)裝備，實(shí)現(xiàn)濾液回用，減少廢棄物排放。

2）鉆完井廢棄物處理技術(shù)：開展含油鉆屑超臨界二氧化碳萃取處理等含油鉆屑物理／化學(xué)處理技術(shù)研究，針對水基鉆井液油層段鉆屑，研究小型高效物理減量化處理方法，研究在線化學(xué)除油無害化處理方法，形成水基油層鉆屑的處理模式、相關(guān)化學(xué)藥劑及裝備。針對油基鉆井液鉆屑，以減少上岸處置為目標(biāo)，研究熱處理及化學(xué)熱處理隨鉆處理技術(shù)，研發(fā)小型高效隨鉆處理裝備，形成一級海域和三級海域油基鉆屑海上處理技術(shù)。

5 結(jié)論

1）面對海上油田高效開發(fā)中存在的難點(diǎn)，“十三五”期間中國海油深化研究提高單井效能、降低成本、環(huán)境友好的鉆完井技術(shù)體系：形成了一套滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)理論，可指導(dǎo)定向鉆井工具面高效控制技術(shù)研究及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)導(dǎo)向／旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井井眼軌跡閉環(huán)控制，提高鉆井效率；建立了一套適合渤海灣砂泥巖互層特點(diǎn)的防砂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠更好的指導(dǎo)油田的防砂設(shè)計(jì)，并提高挖潛增產(chǎn)效果；形成了1套水平生產(chǎn)井C-AICD穩(wěn)油控水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)早期限流，中后期根據(jù)流體特征的變化自動(dòng)控水的功能，獲得了較好的控水效果；形成了一套易脫穩(wěn)新型環(huán)保鉆井液及廢棄物處理技術(shù)，源頭減量，滿足海上平臺空間處理需求。

2）隨著勘探開發(fā)領(lǐng)域擴(kuò)大，鉆完井專業(yè)面臨超稠油、超高溫高壓、深層超深層、深水超深水等復(fù)雜情況，亟需進(jìn)一步開展低成本鉆完井技術(shù)、提高效能鉆完井技術(shù)、環(huán)保鉆完井技術(shù)等技術(shù)的研究。