硬頂法壓井技術(shù)在渤海油田的應(yīng)用

羅黎敏 廖前華 張興華 朱鵬飛 吳智文

摘 要：【目的】海上油田鉆井作業(yè)面臨的地質(zhì)條件、井下工況日趨復(fù)雜，部分井無法采用常規(guī)的壓井方法實施壓井，不僅增加了作業(yè)工期，而且可能形成井控風(fēng)險。為了實現(xiàn)渤海油田復(fù)雜井安全壓井，避免井控事故發(fā)生，在渤海油田應(yīng)用了硬頂法壓井技術(shù)。【方法】針對渤海油田的特殊工況，分析硬頂法壓井技術(shù)適用的工況，指出硬頂法壓井技術(shù)相關(guān)計算原則。通過分析硬頂法壓井應(yīng)用實例，提出該技術(shù)應(yīng)用時的注意事項。【結(jié)果】研究結(jié)果表明，硬頂法壓井技術(shù)適用于關(guān)井鉆頭離井底遠、地層含有毒有害氣體、鉆具或鉆頭水眼堵塞、關(guān)井后發(fā)生井漏導(dǎo)致噴漏同存、長裸眼段測試后壓井等五個方面，計算原則可從壓井液密度計算、壓井排量選擇和過程計算等三個方面考慮。針對該技術(shù)在渤海油田A井的應(yīng)用實例，提出了井口關(guān)鍵設(shè)備耐壓等級的確定、上層套管鞋處地層承壓能力、設(shè)備的選擇、薄弱地層的處理四個方面需要注意的事項?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果明確了硬頂法壓井技術(shù)使用原則和注意事項，可為硬頂法壓井技術(shù)在復(fù)雜海上油田應(yīng)用提供技術(shù)支持與參考。

關(guān)鍵詞：渤海油田；壓井；鉆井工程；井控；溢流

中圖分類號：TE28? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）07-0042-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.009

Application of Hard-Top Well Killing Technology in Bohai Oilfield

LUO Limin1 LIAO Qianhua1 ZHANG Xinghua1 ZHU Pengfei2 WU Zhiwen1

（1.Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin 300452，China;

2.CNOOC Energy Development Co.， Ltd.， Engineering Technology Branch， Tianjin 300452，China）

Abstract： [Purposes] The geological and downhole conditions faced by offshore oilfield drilling operations are becoming increasingly complex， and some wells cannot be killed using conventional well killing methods，which not only increases the operation period， but also may create well control risks. In order to achieve safe well killing of complex wells in Bohai Oilfield and avoid well control accidents， the hard top well killing technology has been applied in Bohai Oilfield. [Methods] The applicable working conditions of hard top well killing technology were analyzed in response to the special working conditions of Bohai Oilfield. The relevant calculation principles of hard top well killing technology were pointed out. By analyzing the application examples of hard top well killing technology， the precautions for the application of this technology were proposed. [Findings] The results indicate that the hard-top method of well killing technology is suitable for five aspects： the shut in drill bit is far from the bottom of the well， the formation contains toxic and harmful gases， the drilling tool or drill bit is blocked in the water hole， the leakage occurs after the well is shut in， and the well is killed after long open hole testing. The calculation principles can be considered from three aspects： the calculation of well killing fluid density， the selection of well killing displacement， and process calculation. Based on the application example of this technology in Well A of Bohai Oilfield， four aspects that need to be noted are proposed： determining and clarifying the pressure resistance level of key equipment at the wellhead， determining the pressure bearing capacity of the formation at the upper casing shoe， selecting equipment， and handling weak formations. [Conclusions] The research results clarify the principles and precautions for the use of hard top well killing technology， providing technical support and reference for the application of hard top well killing technology in complex offshore oil fields.

Keywords： Bohai Oilfield; well killing; drilling engineering; well control; overflow

0 引言

在鉆完井作業(yè)過程中，當(dāng)井筒液柱壓力小于地層孔隙壓力時可能會發(fā)生溢流［1-2］。對于溢流或油氣侵，常規(guī)壓井方法有工程師法、司鉆法和邊循環(huán)邊加重法等［3-6］，這些壓井方法都是通過重新建立井筒和地層的壓力平衡來控制溢流，但對于一些特殊情況，如關(guān)井時鉆頭離井底較遠、關(guān)井后發(fā)生井漏導(dǎo)致噴漏同存、儲層含有毒有害氣體等特殊情況，就需要采用其他方法進行壓井。

硬頂法壓井是通過壓井管匯從環(huán)空或同時從鉆具內(nèi)和環(huán)空泵壓入井液，把進入井筒的溢流壓回地層的方法。施工時以最大允許關(guān)井套壓作為施工最高工作壓力，向井筒內(nèi)擠入壓井液實施壓井，直到井筒壓力平衡得到恢復(fù)［7-8］。采用這種方法要慎重，因為壓回溢流所需的壓力通常比正常循環(huán)所需的壓力大得多，并且容易引起地層破裂而發(fā)生漏失，同時還受地面設(shè)備、地層滲透率等因素影響。從以往經(jīng)驗來看，這種方法適用于套管下入較深、只有一個產(chǎn)層且滲透性較好的地層和溢流初期的壓井。為了解決渤海油田鉆井井控存在的問題，本研究分析了硬頂法壓井技術(shù)的適用工況和使用原則，并在渤海油田進行實踐，取得了較好的應(yīng)用效果。研究成果可為壓井作業(yè)提供技術(shù)參考，并有很好的推廣應(yīng)用價值。

1 硬頂法壓井適用工況分析

1.1 關(guān)井時鉆頭離井底較遠

當(dāng)起鉆或下鉆過程中發(fā)生溢流、鉆頭距離井底較遠時，如果采用常規(guī)壓井方法，由于有效靜液柱壓力的影響，需要很高的鉆井液密度才能暫時壓井，并且壓井之后下鉆到井底還需進一步處理，可操作性不強。在這種情況下，硬頂法是優(yōu)先考慮的壓井方法，但要綜合考慮地層滲透率、套管鞋深度等因素。

1.2 地層流體含有毒有害氣體

渤海區(qū)域極少數(shù)地層流體含有毒有害氣體，對于這類井的壓井，一般利用壓井液將含有有毒有害氣體的溢流壓回地層，這樣有毒有害氣體在井下即被處理，避免了作業(yè)人員和井控裝備直接與有毒有害氣體接觸。硬頂法壓井能夠直接將地層流體壓回地層，保證了作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

1.3 鉆具或鉆頭水眼堵塞

在實際作業(yè)過程中，可能會發(fā)生鉆具或鉆頭水眼堵塞的情況，在這種情況下如果需要實施壓井，常規(guī)壓井方法會因循環(huán)通道堵塞而無法實施，硬頂法壓井則不受此情況的影響，可以直接從環(huán)空實施硬頂法壓井。

1.4 關(guān)井后發(fā)生井漏導(dǎo)致噴漏同存

部分鉆井液密度窗口窄的井，一旦發(fā)生溢流，關(guān)井后極易發(fā)生井漏。當(dāng)出現(xiàn)噴漏同存的復(fù)雜情況時，一般不能采用常規(guī)壓井法。這種情況下一般采用硬頂法實施壓井，但壓井結(jié)束后需根據(jù)漏失情況及時采取堵漏措施。

1.5 長裸眼段測試后壓井

測試作業(yè)結(jié)束后，長裸眼段內(nèi)可能存在大量油氣，且由于測試管柱結(jié)構(gòu)限制，常規(guī)壓井方式不能實施有效壓井，并存在極高的井控風(fēng)險，目前渤海油田一般采用硬頂法壓井，用壓井液從頂部直接將油氣推回地層。

2 硬頂法壓井計算原則

2.1 壓井液密度計算

壓井液的密度與壓井安全密切相關(guān)。使用硬頂法進行壓井作業(yè)，其主要目的是在井筒內(nèi)重新建立與地層系統(tǒng)的壓力平衡，保障油氣井安全。因此，在壓井過程中，壓井液的密度應(yīng)大于地層壓力當(dāng)量密度，同時需要小于地層破裂壓力當(dāng)量密度，這樣才能保證壓井安全。壓井鉆井液密度計算見式（1）。

[ρ1=ρ+ρd0.098H+ρc]? ? ? （1）

式中：ρ1為壓井鉆井液密度，g/cm3；[ρ]為原鉆井液密度，g/cm3；ρd為關(guān)井立管壓力，MPa； H為垂直井深，m；ρc為安全附加密度（根據(jù)井況確定），g/cm3。

2.2 壓井排量選擇

硬頂法壓井作業(yè)過程中，要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的實際情況，選擇合適的排量，保證施工壓力小于地層破裂壓力，并且施工壓力應(yīng)在井口設(shè)備和套管的承壓范圍之內(nèi)。壓裂排量要求見式（2）［9］。

uA＜Q＜min（Q1，Q2，Q3，Q4）

[u=1.53[gσ（ρ1-ρg）ρ21]14]? ? ?（2）

式中：u 和A分別為氣體在鉆井液中的滑脫上升速度和壓井液流動截面積；Q、Q1、Q2、Q3、Q4分別為壓井排量、井口設(shè)備允許最大壓井排量、井底破裂壓力允許最大壓井排量、套管鞋處破裂壓力允許的最大壓井排量、套管抗內(nèi)壓強度允許的最大壓井排量；ρ1和ρg分別為鉆井液密度和氣體密度。

2.3 制作壓井施工單

硬頂法壓井作業(yè)前應(yīng)制作壓井施工單，并按照壓井施工單進行作業(yè)，從而保證壓井作業(yè)的順利進行。壓井施工單按照現(xiàn)場實際要求制作。

3 硬頂法壓井應(yīng)用實例

3.1 關(guān)井時鉆頭遠離井底案例

渤海油田A井6″井眼鉆進至3 313 m時機械鉆速降低，起鉆更換鉆頭后下鉆至1 646 m中途循環(huán)，開排量至800 L/min時泥漿池液面5 min上漲0.5 m?。關(guān)井后，套壓快速上升。通過節(jié)流閥控制套壓，出口鉆井液密度下降至0.96 g/cm??？刂乒?jié)流閥開度，泵入密度為1.98 g/cm?的重泥漿，重泥漿出鉆頭后套壓及出口密度無明顯改善。停泵后，套壓上漲至20 MPa，同時因鉆頭離井底較遠，無法進行常規(guī)壓井，決定采用硬頂法壓井。由于套壓較高，利用固井泵從環(huán)空持續(xù)泵入1.70～1.90 g/cm?的重泥漿，累計擠入重泥漿105 m?（環(huán)空容積共83.5 m?），期間套壓從24 MPa逐漸下降至8 MPa后，利用壓力控制鉆井設(shè)備保持環(huán)空壓力，搶下鉆至3 105 m。通過控制泥漿池液面穩(wěn)定的方法調(diào)節(jié)阻流閥開度和壓井排量，第一階段保持入口鉆井液密度1.75 g/cm?，套壓逐漸降至3.2 MPa；第二階段保持入口鉆井液密度1.80 g/cm?，套壓逐漸降為零。停泵后，觀察套壓、立壓均為零，開井后井口液面穩(wěn)定，壓井成功。該井是采用硬頂法處理關(guān)井時鉆頭離井底較遠情況的典型案例。

3.2 井漏導(dǎo)致噴漏同存案例

渤海油田B井8-1/2"井眼鉆進全過程發(fā)生持續(xù)漏失，鉆井液體系密度1.04 g/cm?，鉆進至3 440 m地層時發(fā)生失返性漏失。處理井漏至靜止漏速逐漸減小后準備中途測試，短起鉆至3 180 m時發(fā)現(xiàn)溢流，為此立即實施關(guān)井。由于噴漏同存，鉆頭離井底有一定距離，并且密度要求苛刻（測試結(jié)果為井底壓力系數(shù)1.056，大于1.07 g/cm?漏速迅速增加至45 m?/h以上，低于1.05 g/cm?測溢流），因此決定采用硬頂法壓井。通過環(huán)空反擠稠鉆井液71 m?，鉆具內(nèi)正擠稠鉆井液35 m?，關(guān)井，套壓、立壓為零。開井，不溢不漏，然后轉(zhuǎn)入測試作業(yè)。本井是硬頂法壓井處理噴漏同存的典型案例。

3.3 硬頂法壓井技術(shù)應(yīng)用推廣

常規(guī)測試壓井方式為測試結(jié)束后，打開循環(huán)閥，反循環(huán)頂替出管柱內(nèi)油氣，繼續(xù)反循環(huán)清洗管柱至返出干凈流體，然后解封封隔器，正循環(huán)壓井。渤海油田C井完鉆后進行裸眼測試，裸眼段長度近1 000 m，測試結(jié)束后裸眼段內(nèi)全部是油氣，常規(guī)方式壓井十分困難，井控風(fēng)險極高。從減小井控風(fēng)險等方面考慮，決定實施硬頂法壓井，即解封前通過正擠壓井液將測試管柱內(nèi)及裸眼段油氣推回地層，解封測試封隔器后再次擠注壓井液，后續(xù)通過循環(huán)、短起下等方式確保井控安全。具體實施步驟如下：①測試結(jié)束后，打開測試樹生產(chǎn)翼閥放空管柱內(nèi)壓力，泄壓完畢后，關(guān)閉油嘴管匯；②打開測試樹與固井泵相連的壓井翼閥，泵入壓井液，使測試閥以上的管柱中充滿壓井液，停泵；③泥漿泵環(huán)空加壓打開測試閥，繼續(xù)用固井泵將管柱內(nèi)及裸眼段剩余油氣擠入地層，停泵；④解封RTTS封隔器，關(guān)閉防噴器環(huán)空擠注不少于2倍裸眼段容積的壓井液，然后反循環(huán)壓井與正循環(huán)壓井相配合，監(jiān)測氣全量持續(xù)小于2%； ⑤采用短起下方式，一般持續(xù)時間為5～6 h，循環(huán)測后效氣及氣竄速度，確認安全后起出測試管柱。

該井在壓井過程中改變常規(guī)測試壓井作業(yè)思路，大膽突破，引入硬頂法，同時結(jié)合“正循環(huán)”與“反循環(huán)”，最終高效順利完成壓井作業(yè)，極具推廣意義。

4 硬頂法壓井技術(shù)注意事項

4.1 井口關(guān)鍵設(shè)備耐壓等級的確定

由于實施硬頂法壓井可能會出現(xiàn)較高的地面壓力，作業(yè)前應(yīng)再次確認井口關(guān)鍵設(shè)備的耐壓等級，并確保壓井時的泵壓應(yīng)在井口設(shè)備和套管的承壓范圍內(nèi)，否則可能會引起井口及防噴器泄漏，甚至出現(xiàn)井口失控的復(fù)雜情況。

4.2 硬頂法壓井設(shè)備的選擇

硬頂法壓井作業(yè)初期一般泵壓較高，如果泵壓超過20 MPa，建議使用固井泵實施壓井作業(yè)，待井口壓力降低后換成泥漿泵繼續(xù)作業(yè)。

4.3 上層套管鞋處地層承壓能力

一般情況下，上層套管鞋處的地層是最易漏的地層，在壓井過程中，應(yīng)盡量保證施工壓力小于套管鞋地層破裂壓力。

4.4 薄弱地層的處理

在實施硬頂法壓井時，有可能侵入井筒的地層流體未被壓回至溢流層位，而是被壓回至最薄弱且易壓漏的層位，即使氣體被壓回至滲透性地層，大量的壓井液也可能壓漏溢流層位。這樣壓井的同時就容易出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，壓井作業(yè)結(jié)束后，如果裂縫不能自行閉合，則需要采取堵漏措施后才能繼續(xù)作業(yè)。

5 結(jié)論

①井控工作重在預(yù)防，要把握好井筒液柱壓力大于地層孔隙壓力的原則，執(zhí)行好溢流監(jiān)測和檢查、短程起下鉆、測油氣上竄速度等要求，確保井眼處于一級井控狀態(tài)。

②硬頂法壓井作為一種非常規(guī)壓井技術(shù)，在渤海油田鉆井、測試作業(yè)中成功應(yīng)用并進行推廣，有效處理了噴漏同存的壓井、發(fā)生溢流時鉆頭不在井底等復(fù)雜井控事件。

③實施硬頂法壓井應(yīng)綜合考慮地面井控設(shè)備及泥漿泵壓力等級、套管抗內(nèi)壓強度、地層承壓能力、上層套管下入深度及固井質(zhì)量、地層滲透率等因素，慎重選擇。

④實施硬頂法壓井后，地層可能會發(fā)生漏失現(xiàn)象，應(yīng)及時采取堵漏措施，防止因漏失再次出現(xiàn)溢流、井涌，甚至漏轉(zhuǎn)噴等復(fù)雜情況。

⑤對于井控風(fēng)險較高的井，井控設(shè)計應(yīng)明確規(guī)定每鉆進一定深度就做一次地層承壓試驗，記錄好地層強度試驗數(shù)據(jù)，在出現(xiàn)溢流、井涌后，應(yīng)當(dāng)考慮是否應(yīng)用硬頂法等非常規(guī)控制技術(shù)。

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收稿日期：2023-10-01

基金項目：國家自然科學(xué)青年基金項目（51904034）。

作者簡介：羅黎敏（1979—），男，本科，高級工程師，研究方向：井控技術(shù)。