隔水管鉆井液控壓技術及其在深水鉆井中的應用前景

孫玉學，李城里，趙景原，呼布欽

東北石油大學

0 引言

全球深水油氣資源豐富，約占總資源的10%～15%，已成為接替常規(guī)油氣的重要戰(zhàn)略領域[1- 2]。深水鉆井難度大，存在較多的難點及風險，如海洋環(huán)境惡劣、壓力窗口窄、井控難度高、平臺結構復雜、井口易形成水合物、作業(yè)周期長等[3- 6]，對深水鉆井提出了更高的要求，也將增加鉆井成本[7- 8]。而深水鉆井面臨的諸多問題中，孔隙壓力與破裂壓力之間的安全密度窗口窄是常見問題[9- 10]，為安全鉆達目的層，通常采用多層套管封隔各個復雜層段。但是，由于套管尺寸的限制，過多的復雜層段可能導致套管層次不夠無法鉆至目的層，或即便鉆至目的層，由于生產(chǎn)套管尺寸較小，無法達到預期的產(chǎn)能[11- 13]。此外，窄密度窗口還會限制鉆井液在環(huán)空中的流速，不利于井眼的清潔，降低機械鉆速。

隔水管鉆井液控壓技術是一種新型雙梯度控壓鉆井技術，主要是為了解決深水鉆井中遇到的窄密度窗口問題。該技術通過調整環(huán)空中鉆井液液柱高度達到控制井底壓力，有效提高單層套管的下入深度，減少套管下入的層次，節(jié)約鉆井時間，減少鉆井成本。2012年，該技術在墨西哥灣首次實現(xiàn)商業(yè)應用，但目前國內(nèi)還未將該技術付諸實踐。

1 隔水管鉆井液控壓鉆井系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

隔水管鉆井液控壓技術是基于無隔水管鉆井液上返技術發(fā)展而來的一種新型雙梯度控壓鉆井技術[14- 15]。傳統(tǒng)的雙梯度控壓鉆井技術中隔水管內(nèi)的鉆井液通常為兩種不同密度的流體，下部為加重鉆井液，上部為海水或其它與海水密度相近的流體，通過調節(jié)兩種流體之間的界面高度控制井底壓力。如果安裝了旋轉控制裝置，還可通過控制回壓調節(jié)井底壓力[16- 18]。而隔水管鉆井液控壓技術中隔水管上部為氣體，下部為鉆井液，通過調節(jié)隔水管內(nèi)鉆井液液面高度控制井底壓力。

隔水管鉆井液控壓鉆井系統(tǒng)中，鉆井液經(jīng)鉆桿、鉆頭到達井底，進入環(huán)空后并不經(jīng)隔水管返排至地面，而是通過安裝在隔水管上的海底泵模塊將鉆井液經(jīng)返排管線泵送至地面。當需要調整井筒壓力時，改變平臺上鉆井液泵與海底泵的相對泵速，由于泵入與泵出隔水管的鉆井液體積不同，隔水管中鉆井液液面高度發(fā)生變化，即井筒中鉆井液靜液壓力發(fā)生變化，從而達到調控井筒壓力的目的[19- 21]。

1.2 系統(tǒng)組成

與常規(guī)鉆井系統(tǒng)相比，采用隔水管鉆井液控壓技術需安裝輔助設備，主要有海底泵模塊、鉆井液返排管線、臍帶纜、改性隔水管單根、頂部灌注泵等[22]。隔水管鉆井液控壓鉆井系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 隔水管鉆井液控壓鉆井系統(tǒng)組成

海底泵模塊是整個系統(tǒng)的核心。模塊中的海底泵組由多個泵串聯(lián)而成，主要作用是將隔水管中的鉆井液經(jīng)返排管線泵送至地面[23- 25]。鉆井液返排管線的出口安裝有流量計，可以實時測量鉆井液返排流量。臍帶纜既能給水下海底泵模塊傳輸電力，還可向水下設備傳遞鉆井平臺上控制系統(tǒng)的控制信號并將水下傳感器測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姐@井平臺[26]。改性隔水管單根主要用來支撐海底泵模塊，內(nèi)部裝有兩個精密壓力計，用以測量隔水管上部鉆井液靜液壓力。在海底泵與改性隔水管之間裝有兩個串聯(lián)的隔離閥，通過開關隔離閥可實現(xiàn)常規(guī)鉆井與隔水管鉆井液控壓鉆井之間的轉換[27- 28]。頂部灌注泵可從隔水管上部向環(huán)空中灌注鉆井液，當井涌發(fā)生時，可使用頂部灌注泵快速提高隔水管中鉆井液液面高度，增加井底壓力，并使侵入井筒的氣體經(jīng)返排管線進入氣相處理裝置[29]。

2 隔水管鉆井液控壓技術特點及應用

傳統(tǒng)的液—液(隔水管上部為與海水密度相似的輕質流體，下部為鉆井液)雙梯度控壓鉆井系統(tǒng)，液體之間的界面高度確定后，在鉆井施工中便無法靈活改變，下入套管后鉆開新地層時，仍需調整鉆井液密度。而隔水管鉆井液控壓技術基本原理是通過改變環(huán)空中鉆井液液面高度控制井底壓力，調壓更加靈活，下入套管后可在不改變鉆井液密度情況下繼續(xù)鉆進。且相較其它液—液雙梯度控壓鉆井技術而言，隔水管鉆井液控壓技術操作簡單，對鉆井船改造較小，費用低[30]。

2.1 有利于減少窄密度窗口井的套管層次

海洋深水鉆井經(jīng)常遇到窄密度窗口。在鉆窄密度窗口地層時通常采用多個套管層次以封閉漏層或者氣層，增加鉆井作業(yè)時間及鉆井成本，尤其是過多的套管層次還會在一定程度上限制生產(chǎn)套管的尺寸，影響油氣井產(chǎn)量。通過改善鉆井液的流變性，可在一定程度上降低循環(huán)摩阻，減少套管使用的總長度，但這種方式減少套管用量的能力有限[31]。而隔水管鉆井液控壓技術可以通過降低環(huán)空鉆井液液柱高度，使井筒壓力與密度窗口更加匹配，大幅度降低套管的使用量與下入層次，其當量鉆井液密度計算公式如下：

(1)

式中：ρD—深度為D處的當量鉆井液密度，g/cm3；ρm—鉆井液密度，g/cm3；D—深度，m；H—隔水管空余高度，m；Pf—循環(huán)摩阻，Pa。

由式(1)可知，隔水管鉆井液控壓技術中的井筒壓力當量鉆井液密度是一條曲線，與密度窗口更加匹配。

圖2和圖3是北海的某口井井身結構設計依據(jù)。該井目標井深5 500 m，所在區(qū)域水深2 500 m[27]。采用常規(guī)鉆井方式鉆進時，為匹配對應的鉆井液密度，需下入5層套管；而采用隔水管鉆井液控壓技術，則只需下入3層套管，套管長度共減少約26%。采用隔水管鉆井液控壓技術在深水窄密度窗口地層的鉆井時能大大降低套管的下入層次，減少套管用量及下套管、固井作業(yè)時間，大幅度降低鉆井成本。

圖2 常規(guī)鉆井方式的當量鉆井液密度

圖3 采用隔水管鉆井液控壓技術的鉆井液密度

2.2 可早期井涌及漏失檢測

2.2.1 鉆進時井涌及漏失檢測

在隔水管鉆井液控壓技術中除了流量計、鉆井液池兩種常用的井涌及漏失檢測方式外，還可通過安裝在隔水管中的壓力計及海底泵泵速的變化來判斷井涌或漏失情況。如圖4所示，發(fā)生漏失時，首先引起隔水管中鉆井液液面高度下降，壓力計所測數(shù)據(jù)變小。所測壓力數(shù)據(jù)經(jīng)臍帶纜傳輸至控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)會自動向海底泵模塊傳輸信號降低泵速以穩(wěn)定井底壓力。一段時間后，流量計才能檢測到鉆井液返排流量的減小，進而導致鉆井液池液面高度減小。因此，通過壓力計測量數(shù)據(jù)以及海底泵泵速的變化判斷井涌或漏失所用的時間要少于通過流量計或鉆井液池液面高度的變化判斷井涌或漏失的時間[16,24,29]。

圖4 隔水管鉆井液控壓系統(tǒng)中井涌檢測方式

圖5是墨西哥灣某口井發(fā)生井涌時各個參數(shù)的變化情況。發(fā)生井涌時，最先出現(xiàn)異常變化的是壓力計的測量數(shù)據(jù)及海底泵泵速。而在壓力計及海底泵判斷出井涌后約38 s鉆井液返回管線上的流量計才檢測到井涌情況[32]。

圖5 墨西哥灣某口井的井涌檢測曲線

2.2.2 停泵時井涌及漏失檢測

雙梯度控壓鉆井系統(tǒng)中，鉆桿內(nèi)壓力和環(huán)空內(nèi)壓力不平衡。停泵時鉆桿內(nèi)的鉆井液會流入環(huán)空，這種現(xiàn)象被稱為“U 型管效應”。液—液雙梯度控壓鉆井一般采用鉆桿閥消除U型管效應，但隨著水深的增加，鉆桿閥失效的風險越來越大，且安裝鉆桿閥后會增加鉆井操作的復雜性，有時為了方便甚至不用鉆桿閥。鉆桿閥失效或不用鉆桿閥都會導致停泵時無法判斷井筒是否有流體侵入[33]。平臺鉆井液泵停止運轉后，隔水管鉆井液控壓系統(tǒng)中的海底泵可將因“U型管效應”流入環(huán)空的多余的鉆井液經(jīng)返排管線輸送至鉆井液池，保持井底壓力的恒定，可在不安裝鉆桿閥的情況下處理“U”型管問題并檢測井涌或漏失。

采用隔水管鉆井液控壓技術進行接單根操作時，記錄改性隔水管中壓力計所測壓力、海底泵泵速，以未發(fā)生井涌及井漏時各種參數(shù)的變化曲線作為基線，將相同方式和步驟下所記錄的接單根各參數(shù)與基線對比，若發(fā)生偏離，則可判斷發(fā)生了井涌或漏失[16,32]。

圖6是墨西哥灣某口井停泵發(fā)生井涌時各參數(shù)的變化情況所繪制的曲線圖。從圖6看出，發(fā)生井涌后初始階段，較基線相比，壓力計所測壓力、泵功率率及流量計流量均增加，并且通過壓力計及海底泵判斷出井涌所用時間比從流量計判斷的井涌快了約35 s[32]。圖7是未發(fā)生井涌或漏失時各參數(shù)的變化情況所繪制的曲線，該情況下各個參數(shù)的變化與基線相吻合。相較于傳統(tǒng)控壓鉆井及液—液雙梯度控壓鉆井系統(tǒng)，隔水管鉆井液控壓技術具有更快的井涌及漏失檢測能力，大大提高了深水鉆井過程中的安全性。

圖6 墨西哥灣某口井接單根時發(fā)生井涌的曲線

圖7 墨西哥灣某口井接單根時正常情況的曲線

2.3 控壓固井

窄密度窗口地層固井時，通常降低水泥漿的密度及頂替速率以避免壓裂地層[34]。但這樣會影響水泥石膠結強度，且易發(fā)生竄槽。同時，水泥漿的固化伴隨著失重現(xiàn)象，地層中的流體很有可能突破水泥與地層之間的連接而竄層。

使用隔水管鉆井液控壓技術固井時，可以很好的解決上述問題。固井過程中，可通過調整隔水管中的鉆井液液面高度調控井筒壓力，保證環(huán)空中水泥漿的頂替速率及水泥漿密度，提高固井質量[35]。具體過程可分為：

(1)在水泥漿到達環(huán)空之前，保持環(huán)空中的鉆井液液面高度不變。

(2)當水泥漿進入環(huán)空后，分步逐漸降低環(huán)空中的液面高度，以抵消水泥漿的靜液壓力。

(3)當水泥漿到達指定位置后，保持環(huán)空中鉆井液液柱高度不變。

(4)一定時間后，水泥漿逐漸凝固，靜液壓力降低，此時分步逐漸升高環(huán)空中鉆井液液柱高度，補償水泥漿固化過程中喪失的靜液壓力。

圖8是墨西哥灣某口井固井過程中，隔水管中的液面高度變化情況。水泥漿進入環(huán)空后，分5步將隔水管液面高度降至300 m，并在300 m高度保持1.5 h。1.5 h后水泥漿逐漸因固化而失重，在之后的4 h時間里，分步逐漸提升隔水管中鉆井液液面高度，防止地層流體竄層[29]。采用隔水管鉆井液控壓技術固井不僅能大大提高固井質量，保證井筒的完整性，還能通過調整隔水管中鉆井液液面高度，使固井過程中井筒壓力始終保持在破裂壓力以下，提高固井過程的安全性。

圖8 墨西哥灣某口井固井過程隔水管中鉆井液液面高度變化情況

2.4 增加水平井鉆進長度

在窄密度窗口地層鉆水平井時，隨著水平段段長的增加，循環(huán)摩阻逐漸增加，限制了水平段的鉆進長度。通過調節(jié)鉆井液的流變性或者降低循環(huán)速率來降低循環(huán)摩阻，會影響鉆井液的攜屑能力以及井眼凈化能力。而采用隔水管鉆井液控壓技術鉆進，通過降低隔水管中液面高度，可抵消部分循環(huán)摩阻，在保證循環(huán)速率的情況下增加水平段的鉆進長度。

墨西哥灣某口井水深1 500 m，造斜點深度為2 743 m，水平段所在的地層孔隙壓力當量鉆井液密度為1.35 g/cm3，破裂壓力當量鉆井液密度為1.45 g/cm3[32](見圖9)。假設單位長度上兩種鉆井方式循環(huán)摩阻相同，采用隔水管鉆井液控壓技術鉆進時，將隔水管中鉆井液液面高度降低240 m，可將水平段長度鉆至1 003 m，而常規(guī)的鉆井方式為避免井底壓力超過破裂壓力，僅能將水平段長度鉆至523 m，隔水管鉆井液控壓技術鉆進長度比常規(guī)鉆井方式鉆進長度多480 m[32]。

圖9 常規(guī)鉆井與隔水管鉆井液控壓技術鉆水平段長度的比較

2.5 降低鉆井液濾失量及提高井眼清潔能力

鉆井過程中，降低井底壓力能有效降低鉆井液濾失量。隔水管鉆井液控壓技術的井底壓力能更加貼近孔隙壓力(見圖10)，且隔水管鉆井液控壓技術可抵消循環(huán)摩阻，使鉆進過程的井底壓力進一步接近孔隙壓力，大大降低鉆井液的濾失量[36- 37]。

圖10 不同技術條件下密度窗口關系圖

如圖11所示，當需要增加鉆井液排量以提高井眼清潔能力時，常規(guī)鉆井方式增加排量后可能由于循環(huán)壓耗增加而導致井筒壓力超過地層破裂壓力，而在隔水管鉆井液控壓技術的支撐下，雖然鉆井液排量增大了，但其井筒內(nèi)當量鉆井液密度仍可保持在井筒密度窗口內(nèi)[38]。

圖11 排量增加后密度窗口關系圖

3 隔水管鉆井液控壓技術展望

隔水管鉆井液控壓技術調節(jié)井筒壓力更為靈活，檢測井涌及漏失所用時間更短，受海洋環(huán)境的影響更小。但該技術本身目前還存在一定的問題以及需要改進的地方。

(1)氣侵時存在一定的安全隱患。當有氣體侵入井筒時，頂部灌注泵會從隔水管上部向隔水管中灌注鉆井液，鉆井液向下流入的速率大于氣體向上的滑移速率，氣體會經(jīng)鉆井液返排管線返排至地面。但在某些極端情況下，如頂部灌注泵損壞、對氣體向上滑移速度預測不準確等，侵入井筒的氣體可能與隔水管中空氣混合，存在潛在的安全隱患。

(2)隔水管鉆井液控壓技術需要配套抗壓強度更高的隔水管。隔水管上部為氣體，管內(nèi)壓力為大氣壓，受周圍海水周向內(nèi)擠壓力，該內(nèi)擠壓力在氣液界面達到最大，這就對隔水管的抗擠強度提出了更高的要求。由于現(xiàn)用隔水管抗擠強度的限制，在一定程度上約束了隔水管鉆井液控壓系統(tǒng)的壓力調節(jié)范圍。未來需要研制新的抗擠強度更高的隔水管以滿足隔水管鉆井液控壓技術的要求。

(3)隔水管鉆井液控壓技術與旋轉控制裝置結合。隔水管鉆井液控壓技術雖然能靈活調整井筒壓力，但根據(jù)目前資料，現(xiàn)場只應用該技術進行了過平衡鉆井，還沒有應用該技術進行欠平衡鉆井。未來有希望將隔水管鉆井液技術與旋轉控制裝置相結合，在深水區(qū)探井及開發(fā)井中實現(xiàn)欠平衡鉆進。

4 結論

(1)隔水管鉆井液控壓技術是一種新型控壓鉆井技術，該技術通過控制隔水管中鉆井液液面高度，靈活調整井筒壓力，具有較早的井涌及漏失檢測能力，且受海洋環(huán)境影響較小，在深水鉆井中具有巨大的應用前景。

(2)應用隔水管鉆井液控壓技術進行深水鉆井，井筒壓力與地層安全密度窗口更加匹配，可大幅度減少套管的下入層次及累計用量。隔水管鉆井液控壓技術還可在一定程度上減少鉆井液的濾失量，提高機械鉆速，增加水平井鉆進長度。

(3)應用隔水管鉆井液控壓技術進行固井，通過分步調節(jié)隔水管中鉆井液液面高度，可減少頂替過程中水泥漿的濾失量，避免水泥凝固過程中地層流體的上竄，增加固井過程中的安全性并提高固井質量。