韋小奇,秦張斌(中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部深圳作業(yè)公司,廣東 深圳 518000)
在高溫高壓井鉆井中,液密度不作為常數(shù)出現(xiàn),其液流變性會(huì)隨著當(dāng)前條件的變化而發(fā)生改變,ECD校核與控制技術(shù)作為全過(guò)程執(zhí)行的重要組成部分,需要從獲取各項(xiàng)參數(shù)方面入手進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,在不同工況與環(huán)境條件下合理選擇相應(yīng)的控制技術(shù),以此進(jìn)一步控制井筒壓力、降低鉆井成本,避免執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)地層壓漏或相關(guān)問(wèn)題,最終降低井漏噴塌等復(fù)雜情況的發(fā)生概率,為工程后續(xù)工作開(kāi)展做好鋪墊,保證全過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)安全鉆進(jìn),防止風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的發(fā)生。
在高溫、高壓鉆井條件下,可能會(huì)因復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)情況而引發(fā)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,若想保障建設(shè)全過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性,需要加大油氣勘探力度,關(guān)注溫度壓力對(duì)鉆井液密度的影響,隨后結(jié)合實(shí)際對(duì)鉆井液密度進(jìn)行計(jì)算,掌握溫度與壓力對(duì)鉆井液密度規(guī)律,做好高溫、高壓工況下的ECD預(yù)測(cè)并展開(kāi)相關(guān)工作,通過(guò)精確計(jì)算井底壓力獲取鉆井液的循環(huán)當(dāng)量密度值[1]。高溫高壓井ECD校核與控制對(duì)安全性和穩(wěn)定性有著重要影響,為此要綜合考慮高溫高壓對(duì)鉆井液密度,近年來(lái)我國(guó)對(duì)相關(guān)工具開(kāi)發(fā)進(jìn)行了較多的研究,最終目的是攻克高溫、高壓條件下風(fēng)險(xiǎn)高、難度大的問(wèn)題,結(jié)合鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度做好調(diào)整,獲取靜態(tài)當(dāng)量密度與環(huán)空壓耗相關(guān)參數(shù),研究發(fā)現(xiàn)鉆速提升后循環(huán)當(dāng)量密度會(huì)隨之增大,為此要控制鉆進(jìn)的鉆速保證ECD大小符合預(yù)期,使環(huán)空濃度保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。
高溫高壓井ECD校核與控制主要是針對(duì)當(dāng)量循環(huán)密度開(kāi)展的工作,為了更好地控制電子俘獲檢測(cè)器數(shù)值,要做好井眼的清潔保證洗井徹底,鉆屑能夠及時(shí)地排除。在執(zhí)行過(guò)程中,可以結(jié)合實(shí)際需求選擇使用流變性較低的流體,配合可膨脹的管柱來(lái)保持井眼尺寸,更好地對(duì)井底進(jìn)行清洗,在井口提升鉆井液的排量以降低摩擦率,最終使當(dāng)量泥漿密度值(ECD)能夠降下來(lái)[2]。傳統(tǒng)思路控制在當(dāng)前環(huán)境下應(yīng)用仍然存在一些缺陷,若想契合工程的實(shí)際建設(shè)需求,必須考慮ECD校核與控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),研究動(dòng)態(tài)壓力控制系統(tǒng)(DAPC)與不間斷循環(huán)系統(tǒng),結(jié)合各類參數(shù)信息數(shù)據(jù)改變鉆井液的流變性,從而降低靜態(tài)當(dāng)量密度,發(fā)揮ECD校核與控制的作用,通過(guò)不間斷循環(huán)的方式減少鉆井作業(yè)費(fèi)用支出。
在此基礎(chǔ)上,未來(lái)還要關(guān)注高溫高壓下的密度模型,要求以經(jīng)驗(yàn)?zāi)P团c復(fù)合模型為主,全面考慮到現(xiàn)存的各類影響因素,通過(guò)解析法推導(dǎo)出鉆井液密度與外部環(huán)境之間的關(guān)系,配合高溫高壓的鉆井液密度的試驗(yàn),對(duì)模型當(dāng)中的特性常數(shù)進(jìn)行確定,結(jié)果保持高度的一致性,比傳統(tǒng)模型能夠得出更加真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),最終達(dá)到降低ECD的目的[3]。為了能夠更加精準(zhǔn)的描繪流動(dòng)方式,要精確估算鉆井液密度與摩擦壓降。注意到高溫高壓的工況的穩(wěn)定性問(wèn)題,通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證并計(jì)算鉆井液密度變化對(duì)靜態(tài)壓力的影響,得到在既定條件下的流變性能,確保實(shí)測(cè)值偏差可以控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),最終滿足現(xiàn)場(chǎng)工作開(kāi)展的實(shí)際需求。
隨著超深井的發(fā)展,不僅衍生出了一系列的特殊鉆井工藝,且鉆井液體系也開(kāi)始逐漸復(fù)雜化[4]。高溫高壓井ECD由當(dāng)量靜態(tài)密度與附加當(dāng)量循環(huán)密度組成,與巖屑、巖屑床、鉆柱偏心與旋轉(zhuǎn)等都有很大的關(guān)系,為了能夠有效對(duì)高溫高壓鉆井液流變性進(jìn)行分析,需要對(duì)傳統(tǒng)模式進(jìn)行優(yōu)化,借助冪律、赫巴、羅斯等化學(xué)方程式開(kāi)展后續(xù)參數(shù)獲取工作,得到準(zhǔn)確的密度計(jì)算模型,調(diào)整環(huán)空循環(huán)壓耗與鉆井液的流變模式,從而進(jìn)一步滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求。
式中:K為稠度系數(shù);n為流性指數(shù)。
式中:τ0為屈服值;K為稠度系數(shù);n為流性指數(shù)。
式中:A為稠度系數(shù);C為剪切速率校正值;B為流性指數(shù)。
控制速率與流變模型參數(shù)誤差,以此為后續(xù)工作開(kāi)展提供相應(yīng)的參考。
在鉆井的過(guò)程中為了提升ECD的精度,必須合理開(kāi)展高壓油基鉆井液流變性計(jì)算工作,對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)得的原始數(shù)據(jù),提升高溫高壓井底 ECD 的精度,避免在初始階段存在問(wèn)題。在執(zhí)行中也可以運(yùn)用流變模型方程通過(guò)傳統(tǒng)公式推導(dǎo)將計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化,通過(guò)測(cè)量力矩與轉(zhuǎn)速推導(dǎo)出流體在變性條件下的所受力,該方法在整體上更為便捷且可靠性更高,適用于冪律、羅斯等流變模型。在實(shí)際應(yīng)用中需要確定鉆井液流變參數(shù),得出圓筒壁面剪切速率與轉(zhuǎn)速關(guān)系如下:
式中:R2為旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)外筒直徑(cm);R1為內(nèi)筒直徑(cm);N為旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)。
通過(guò)方程推導(dǎo)得出修正系數(shù)值,確定鉆井液流變參數(shù),隨后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行處理,分布規(guī)律按牛頓流體流變規(guī)律進(jìn)行確定,通過(guò)修正進(jìn)行后續(xù)流變參數(shù)計(jì)算,保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確度。
在高溫高壓井當(dāng)中會(huì)遇到窄密度窗口情況,而鉆井液密度受溫度壓力影響較大,溫度產(chǎn)生膨脹效應(yīng);壓力產(chǎn)生壓縮效應(yīng),在此條件下密度與流變性都會(huì)發(fā)生一定的改變,溫度較低時(shí)鉆井液黏度呈現(xiàn)急速下降趨勢(shì),溫度超過(guò)120 ℃后,鉆井液流變特性隨溫度變化不明顯,如不對(duì)此關(guān)注則可能出現(xiàn)測(cè)量值偏差?,F(xiàn)有高溫高壓流變參數(shù)預(yù)測(cè)模型會(huì)囊括三參數(shù)流變模型、四參數(shù)流變模型,隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,現(xiàn)如今已經(jīng)可以準(zhǔn)確描述鉆井工作流變特性,后續(xù)則應(yīng)建立一套適用于所有流變模型的高溫高壓流變參數(shù)計(jì)算方法,保證工作開(kāi)展的準(zhǔn)確性[5]。
井底壓力計(jì)算是研究過(guò)程中重點(diǎn)內(nèi)容之一,鉆井液的數(shù)值不再是井口測(cè)定的固定數(shù)值,井下溫度與壓力增大對(duì)鉆井液密度產(chǎn)生影響,在相關(guān)工作開(kāi)展過(guò)程中要注重各類外部影響因素,如當(dāng)前建設(shè)區(qū)域的泥漿窗口密度比較窄,則需要對(duì)當(dāng)量泥漿密度加大關(guān)注,對(duì)井筒內(nèi)鉆井液密度、壓力變化進(jìn)行預(yù)測(cè),據(jù)物相平衡原理分析鉆井液、水基鉆井液不同溫度壓力下密度,以HTHP組份法為主建立鉆井液密度模型,在該模型中假定鉆井液由基油、水、鹽、加重材料等固相及化學(xué)處理劑組成,假定常溫常壓下鉆井液中各組分體積分別為Vo、Vw、Vs1、Vs、Vc,總體積可表示為:
鉆井液總質(zhì)量為:
式中:ρo為常溫、常壓下鉆井液中油相的密度;ρw為常溫、常壓下鉆井液中水相的密度;ρs為常溫、常壓下鉆井液中鹽的密度;ρs1為常溫、常壓下鉆井液中加重材料的密度;ρc為常溫、常壓下鉆井液中化學(xué)處理劑的密度。
遇到窄窗口密度的情況,需要考慮壓耗與波動(dòng)壓力,針對(duì)ECD的計(jì)算結(jié)果與記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行校核,在遇到高溫高壓的情況下更加準(zhǔn)確地控制井下壓力,為鉆井提供數(shù)據(jù)支撐,實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定鉆井[6]。
為保證窄密度窗口安全鉆井,基于PWD強(qiáng)化ECD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)多參數(shù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)調(diào)控微壓差,相對(duì)于傳統(tǒng)鉆井增加井下 PWD工具,主要優(yōu)勢(shì)是設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小,井底ECD數(shù)據(jù)可以直接傳輸至控制中心,自動(dòng)發(fā)出調(diào)整指令預(yù)測(cè)允許ECD值,結(jié)合當(dāng)前實(shí)際情況選擇關(guān)閉位于連接器中部的盲板,上部壓力腔壓力被釋放,下壓力腔進(jìn)入鉆桿而使鉆井液循環(huán),結(jié)合快速混漿裝置等設(shè)備實(shí)現(xiàn)正常鉆井,此時(shí)壓力腔中充入鉆井液平衡鉆柱內(nèi)外壓力,卸開(kāi)鉆柱公螺紋和母螺紋,分成上下2個(gè)壓力腔,依靠司鉆房操作直流鉆井液泵完成工作。鉆井液經(jīng)過(guò)管匯聚集,比對(duì)排量、轉(zhuǎn)速、鉆井液密度等推薦值,如條件不允許則可以選擇關(guān)閉連接器上下閘板,密封腔重新充壓,壓力腔的卸壓、加壓都通過(guò)連接器完成,滿足要求后鉆井過(guò)程再次開(kāi)始,鉆具后釋放連接器壓力腔中的壓力,回流的鉆井液通過(guò)管路進(jìn)入鉆井液池,流向鉆柱鉆井液從未停止過(guò),避免鉆井液的損失和浪費(fèi)。在后續(xù)循環(huán)短節(jié)的調(diào)整過(guò)程中,要從高壓儲(chǔ)層段鉆井、循環(huán)方面入手,在連接過(guò)程中需要對(duì)管匯和閥門(mén)進(jìn)行控制,壓力和流量一直處在連續(xù)控制中,從而使上下鉆井液壓力達(dá)到平衡,ECD恒定高于地層壓力0.01~0.02 g/cm3,而微壓差定量精確控制,復(fù)雜時(shí)效由65%降至5%以下,保證后續(xù)工作開(kāi)展的安全性和穩(wěn)定性。
3.2.1 井底壓力控制的基本原理
在高溫高壓井當(dāng)中,井筒內(nèi)氣液混合物會(huì)造成直接影響,為實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫高壓井ECD的控制,需要結(jié)合需求調(diào)節(jié)泥漿密度,在井筒流體不循環(huán)的時(shí)候,要合理選擇鉆井液的密度,確定好井筒的環(huán)空壓力剖面,針對(duì)安全泥漿窗口適當(dāng)施加回壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)井底壓力的控制,以此保證鉆井的安全快速,滿足在高溫高壓條件下控制當(dāng)量密度的要求。在高溫高壓井當(dāng)中,井底壓力控制要對(duì)參數(shù)進(jìn)行選擇,通過(guò)控制節(jié)流閥來(lái)調(diào)整套壓,可結(jié)合鉆井區(qū)域情況在井口適當(dāng)增加回壓,使高溫高壓井井底壓力在安全窗口之內(nèi),在降低泥漿密度的同時(shí)控制井內(nèi)ECD變化,優(yōu)化靜態(tài)壓力與動(dòng)態(tài)壓力,泥漿安全密度窗口較窄的情況下也能實(shí)現(xiàn)有效壓力控制。
鉆井與停泵的過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)中一般會(huì)預(yù)設(shè)井內(nèi)的套壓為0,結(jié)合部地層壓力不確定等復(fù)雜地質(zhì)條件做好排量選取,設(shè)計(jì)出合理和安全的井身結(jié)構(gòu)。如高溫高壓井安全壓力窗口窄,則需要做好不確定性分析,評(píng)估套管鞋處地層是否滿足承壓要求,隨后要做好雙向迭代設(shè)計(jì),考慮溫度效應(yīng)的井壁穩(wěn)定性,確定套管最大允許下深和最大允許全角變化率,以此避免出現(xiàn)時(shí)效低、成本高的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,需要做好地質(zhì)條件下地層壓力和分析,基于高溫高壓井控原則,利用專業(yè)軟件計(jì)算出套管的最大懸重,通過(guò)模擬不同工況條件,從井控角度評(píng)估套管下深是否合理,立足一級(jí)井控及時(shí)控制二級(jí)井控,全井眼ECD和ESD井套壓不超過(guò)上層套管鞋處破裂壓力,固井評(píng)估則關(guān)注漏失層的漏失壓力,要求最大ECD不超過(guò)薄弱點(diǎn)破裂壓力,最后評(píng)估補(bǔ)償器提升能力和鉆機(jī)提升能力,進(jìn)而規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。
3.2.2 ECD控制技術(shù)的相關(guān)參數(shù)的影響
ECD控制技術(shù)的相關(guān)參數(shù)的影響必須加大關(guān)注力度,在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中需要收集相關(guān)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行劃分,考慮到鉆井液性能的變化會(huì)造成井筒溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)發(fā)生變化,在準(zhǔn)備階段必須高效、高質(zhì)地完成所有工作,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行管段劃分,隨后評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)狀進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別,以此進(jìn)行深度優(yōu)化[7]。在參數(shù)確認(rèn)階段需要對(duì)收集到的信息進(jìn)行整理和分類,結(jié)合當(dāng)前實(shí)際情況明確檢測(cè)目的、方法以及時(shí)間,根據(jù)參數(shù)條件開(kāi)展完整性評(píng)價(jià),保障最終參數(shù)與測(cè)試結(jié)果保持一致,從而提高工作的整體效果。高溫高壓對(duì)鉆井液的密度影響較大,鉆井安全隱患排除工作必須做好識(shí)別,考慮井內(nèi)實(shí)際泥漿密度與黏度等指標(biāo),結(jié)合鉆井的實(shí)際情況做好算例分析,對(duì)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了解,客觀評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)危害性。如井筒溫度壓力之間相互作用,則要獲取泥漿密度在高溫高壓下的變化,及時(shí)防范和制止各種不安全因素,運(yùn)用科學(xué)合理的風(fēng)險(xiǎn)管控工具進(jìn)行預(yù)測(cè),避免出現(xiàn)人為意外風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),要對(duì)參數(shù)信息資料、數(shù)據(jù)資料綜合考慮區(qū)域的泥漿密度,探求泥漿性能變化,以入口數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,否則很容易產(chǎn)生復(fù)雜情況。為此在進(jìn)行高溫高壓井井筒壓力計(jì)算的過(guò)程中,要探求循環(huán)時(shí)間對(duì)ECD計(jì)算的影響,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后需要向有關(guān)部門(mén)及時(shí)匯報(bào),根據(jù)最后數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行判斷,隨后制定切實(shí)可行的對(duì)策進(jìn)行完善,將現(xiàn)存問(wèn)題合理解決。在高溫高壓井的鉆井過(guò)程中,泥漿密度值比入口密度要大,為此要展開(kāi)流變實(shí)驗(yàn)研究,以某井為例,其井套管尺寸為311.2 mm,下入深度為 3 791 m,鉆井采用127 mm鉆桿,井底地層壓力測(cè)得為108.87 MPa,針對(duì)限定條件為不同循環(huán)時(shí)間下的井筒內(nèi)的溫度分布情況進(jìn)行探究,控制其循環(huán)時(shí)間作為自變量,發(fā)現(xiàn)鉆井液體積縮小ECD變大;鉆井液體積變大上部ECD減小。本次實(shí)驗(yàn)循環(huán)時(shí)間為25 h,循環(huán)時(shí)環(huán)空壓耗大小與泵排量的1.8次冪成正比,在控制變量的情況下環(huán)空ECD會(huì)隨井段上部分的溫度增大,為此要優(yōu)選參數(shù)達(dá)到最佳的安全配置。
3.2.3 不同工況下的ECD控制技術(shù)與方法
為了保證井底壓力處在合適的范圍內(nèi),需要及時(shí)掌握參數(shù)變化情況,通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制井底壓力,在排量Q不變,泵壓P下降的情況下,隨著鉆井液的循環(huán),油氣混合物上升。因此,要及時(shí)調(diào)節(jié)節(jié)流閥參數(shù),使立壓恢復(fù)到初始大小,如泵壓出現(xiàn)較為明顯減小時(shí),需要緊密關(guān)注泵壓的變化,保證井內(nèi)恒壓,有氣體產(chǎn)生立壓會(huì)下降,此時(shí)需要做出有效判斷,精準(zhǔn)下達(dá)后續(xù)執(zhí)行指令,提高回壓促使泵壓升高。
環(huán)空保護(hù)液壓力自動(dòng)平衡控制可解決測(cè)試期間因溫度變化引起 的壓力變化,井筒溫度升高環(huán)空流體膨脹;井筒溫度降低環(huán)空流體收縮,為保證測(cè)試期間壓力處于安全范圍值,必須關(guān)注作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的波動(dòng)壓力,節(jié)流閥不能夠?qū)畠?nèi)壓力進(jìn)行控制時(shí)可認(rèn)為增加回壓[8]。
排量Q不變,立壓套壓升高時(shí),可以通過(guò)循環(huán)排氣的方式降低套壓,如發(fā)生節(jié)流閥不能操作的情況,則說(shuō)明地層壓力預(yù)測(cè)值過(guò)小。為此要及時(shí)進(jìn)行關(guān)井操作,根據(jù)壓差值設(shè)計(jì)加重值,在此過(guò)程中收集到的各類數(shù)據(jù)資料必須進(jìn)行儲(chǔ)存,方便日后在有需要時(shí)進(jìn)行調(diào)取和利用。且信息數(shù)據(jù)分類保存也可以為方便開(kāi)展企業(yè)的相關(guān)工作,將隱患整改工作和相關(guān)措施貫徹落實(shí),為該領(lǐng)域后續(xù)發(fā)展提供有效推動(dòng)力。
在此基礎(chǔ)上,需要明確這些監(jiān)管單位的具體責(zé)任,結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整,做好鉆井保護(hù)、安全監(jiān)督以及質(zhì)量監(jiān)管等工作,結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況制定出有效方案,從而避免風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的出現(xiàn)。排量不變立壓套壓下降明顯時(shí),如果出口流量變小則可能存在漏失,可利用井筒多相流理論模型預(yù)測(cè)控制理論進(jìn)行壓力控制設(shè)計(jì),提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。且能夠?yàn)楹罄m(xù)工作的開(kāi)展提供保障,在執(zhí)行的過(guò)程規(guī)范作業(yè),切實(shí)發(fā)揮全過(guò)程監(jiān)督管理的作用,避免因“小問(wèn)題”而發(fā)展成“大隱患”。
在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中,需要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和完善,包括監(jiān)測(cè)技術(shù)、勘察技術(shù)、信息技術(shù)、傳輸技術(shù)等,并在此基礎(chǔ)上設(shè)置應(yīng)急預(yù)案處理各類突發(fā)性問(wèn)題,以ECD校核與控制技術(shù)作為保障高溫高壓鉆井正常運(yùn)行的一道防線,切實(shí)發(fā)揮各技術(shù)的實(shí)際作用,避免高復(fù)雜條件下發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。針對(duì)溫度壓力等級(jí)更高的井,亟需做好技術(shù)儲(chǔ)備,強(qiáng)化高溫高壓井對(duì)鉆井液技術(shù)應(yīng)用,在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)理論和工程技術(shù)研究,指導(dǎo)完成后續(xù)的施工作業(yè)。
高溫高壓井ECD校核與控制技術(shù)對(duì)于鉆井安全有著直接作用,在實(shí)際工作開(kāi)展中必須做好流變性測(cè)試實(shí)驗(yàn),關(guān)注鉆井液密度和流變參數(shù)所造成的影響。隨著循環(huán)時(shí)間的增加,環(huán)空鉆井液密度與稠度系數(shù)逐漸增加,環(huán)空壓耗和井底ECD會(huì)隨之增大。只有大力發(fā)展高溫高壓鉆完井技術(shù),才能保障高溫高壓井的安全作業(yè),為后續(xù)該領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)提供幫助,最終避免風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的發(fā)生。