編譯:呂立新 趙繼軍 (渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司)
審校:陳日吉 劉洪濤 (長城鉆探工程公司)
控制壓力鉆井技術(shù)在 KVITEBJΦRN油田高溫高壓井中的應(yīng)用
編譯:呂立新 趙繼軍 (渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司)
審校:陳日吉 劉洪濤 (長城鉆探工程公司)
KVITEBJΦRN油田是高溫高壓凝析氣田,油層位于中侏羅紀BREN T組和下侏羅紀的砂巖中,經(jīng)過幾年的開采,地層壓力虧空嚴重,造成井下情況復(fù)雜,無法進行鉆井作業(yè)。為此,采用了以控制壓力鉆井為主的多項綜合技術(shù),較好地解決了井下鉆井壓力窗口窄小的難題??刂茐毫︺@井是利用較低的鉆井液密度和地面控制回壓裝置來調(diào)整井下壓力的一項技術(shù),能精確地控制井底壓力接近或稍大于最大地層孔隙壓力。同時采用支持該技術(shù)的其他配套技術(shù):鉆井液技術(shù)、不間斷循環(huán)技術(shù)等,以適應(yīng)高溫高壓環(huán)境,為鉆井作業(yè)創(chuàng)造了一個安全的環(huán)境。該技術(shù)成功應(yīng)用于 KVITEBJΦRN油田的后續(xù)2口井。
凝析氣田 控制壓力鉆井 窄小壓力窗口 KVITEBJΦRN油田 高溫高壓
KVITEBJΦRN油田位于北海北部挪威大陸架Gullfaks油田的東南部,是高溫高壓凝析氣田,油層位于中侏羅紀BRENT組和下侏羅紀的砂巖中。儲層的油頂垂深大約是4070 m。早期的開發(fā)導(dǎo)致了地層壓力虧空,致使儲層的地層孔隙壓力接近破裂壓力。原始孔隙壓力是77.5 MPa(相對密度1.93 SG),破裂壓力是87.5 MPa(2.19 SG),儲層溫度155℃,作業(yè)處海水深度193 m。
在應(yīng)用控制壓力鉆井 (MPD)技術(shù)以前,共鉆了9口井。2004年9月,第二口井完井后,該油田開始投產(chǎn)。34/11-A-2井是最后一口采用常規(guī)方法鉆的井,該井鉆遇壓力虧空層,地層壓力虧空達14~17 MPa,發(fā)生了嚴重的井漏??紤]到井漏帶來的井控方面的高風險,被迫中斷鉆井作業(yè),未能鉆達設(shè)計井深。
34/11-A-2井的井漏停鉆事實表明:傳統(tǒng)的鉆井方法不再適用于該油田,除非找到能在壓力窗口窄小情況實現(xiàn)安全鉆進的鉆井方式,否則KVITEBJΦRN油田的鉆井計劃無法進一步實施。
發(fā)生34/11-A-2井井漏停鉆事件后,該油田靠采取降低產(chǎn)量、遏制地層壓力衰竭速度的方法,以完成其最初的勘探開發(fā)計劃。2006年12月,油田產(chǎn)量降低了50%,而到2007年5月,當?shù)貙犹澘諌毫_20 MPa時,被迫關(guān)井停產(chǎn)。
為解決這一高溫高壓氣田窄小壓力窗口鉆井問題,繼續(xù)該油田的開發(fā),綜合使用了包括控制壓力鉆井在內(nèi)的多項技術(shù)。
控制壓力鉆井是利用較低的鉆井液密度和地面控制回壓裝置來調(diào)整井下壓力的一項技術(shù)。如果能精確地控制井底壓力接近或稍大于最大地層孔隙壓力,就能創(chuàng)造一個安全的作業(yè)環(huán)境,繼續(xù)進行鉆井作業(yè)??刂茐毫︺@井技術(shù)為 KVITEBJΦRN油田后續(xù)鉆井作業(yè)提供了一個解決方案,但該技術(shù)在高溫高壓環(huán)境下的應(yīng)用卻鮮有成功先例。
高溫高壓環(huán)境需要用到精確的自動節(jié)流控制,以補償因井下溫度、鉆具旋轉(zhuǎn)、抽吸/壓力激動及其他原因產(chǎn)生的井底壓力變化。為了恢復(fù)KVITEBJΦRN油田的鉆井作業(yè),采用了以控制壓力鉆井技術(shù)為核心,選擇了能支持該技術(shù)的其他配套技術(shù),以適應(yīng)高溫高壓環(huán)境,統(tǒng)稱為綜合控制壓力鉆井技術(shù)。2007年,該技術(shù)在 KVITEBJΦRN油田2口開發(fā)井中得到成功應(yīng)用。
綜合控制壓力鉆井技術(shù)是多項技術(shù)的集成,包括:MPD在高溫高壓井中的應(yīng)用技術(shù);接單根/立柱過程中的不間斷循環(huán)技術(shù);選用能提高地層承壓能力的鉆井液體系等。新技術(shù)和新方法的開發(fā)和應(yīng)用貫穿于項目的設(shè)計、配套裝備測試和調(diào)試等各個階段。
專業(yè)管理是成功實施MPD技術(shù)的關(guān)鍵。MPD鉆井的復(fù)雜性,以及服務(wù)、設(shè)備和人員的協(xié)作,要求高水平的監(jiān)督和管理。要充分發(fā)揮設(shè)備的潛能,必須優(yōu)化設(shè)備的配套,但這種配套應(yīng)根據(jù)設(shè)計的主要目標和要求進行優(yōu)化。
完成技術(shù)和設(shè)備的配套設(shè)計后,要做的便是進行合理的取舍和權(quán)衡,例如要在快速反應(yīng)和高精度之間進行合理的均衡等。水力模型模擬在應(yīng)用MPD作業(yè)全過程中十分重要,是作為一項最基礎(chǔ)的工作反映在MPD作業(yè)的設(shè)計、作業(yè)程序、應(yīng)急方案及設(shè)備配套等各個環(huán)節(jié)中。
然而,實踐表明,計算機的模擬數(shù)據(jù)和實際情況還是有差別的,在MPD實施的過程中,應(yīng)始終進行實時參數(shù)的人工解釋,對模擬數(shù)據(jù)的準確與否作出判斷。
MPD核心是利用旋轉(zhuǎn)頭實現(xiàn)環(huán)空動態(tài)密封,使返回的泥漿流經(jīng)地面節(jié)流閥,依靠節(jié)流閥控制環(huán)空回壓,達到調(diào)節(jié)井下壓力的目的。采用的泥漿密度低于初始地層孔隙壓力,泥漿柱靜壓力、環(huán)空循環(huán)阻力和環(huán)空回壓平衡于底層壓力或稍微高于地層孔隙壓力。MPD技術(shù)以這種方式保持了井下壓力平衡,阻止地層流體侵入,防止地層垮塌。
水力流型是實現(xiàn)MPD技術(shù)應(yīng)用于高溫高壓井的關(guān)鍵。
高溫高壓井的顯著特點是井下壓力大,這種變化并不只是體現(xiàn)在高當量循環(huán)密度 (ECD)的影響,而且井溫的變化可以影響泥漿密度和黏度,管柱的運動、轉(zhuǎn)動、扭矩和巖屑的運移等,這一切對井底壓力變化產(chǎn)生連續(xù)和顯著的影響。因此,只有通過采用補償壓力機制,才能實現(xiàn)井底壓力穩(wěn)定(圖 1)。
圖1 設(shè)備布置圖
壓力補償是利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥和調(diào)控環(huán)空回壓實現(xiàn)的。為此,在高溫高壓情況下,需要實時運行一個高級動態(tài)水力流型。受微機計算能力和來自鉆機傳感器的數(shù)據(jù)輸入速度和準確性的限制,需要用實測的井下壓力數(shù)據(jù)對流型進行校對,確保其準確性。
自動節(jié)流控制的作用有兩方面:一方面將來自流型的變化準確地輸入給節(jié)流閥控制器;另一方面是準確及時地調(diào)節(jié)節(jié)流閥,從而實現(xiàn)實時、動態(tài)的節(jié)流調(diào)節(jié)與控制。二者是實現(xiàn)系統(tǒng)快速反應(yīng)和有效工作的關(guān)鍵。
一般的鉆井過程中,是連續(xù)小幅度地調(diào)節(jié)節(jié)流閥,平衡井下壓力的連續(xù)小幅變化。但在一些特殊情況下需要節(jié)流控制作出極快速和精確的反應(yīng),例如,環(huán)空發(fā)生堵塞、突然停泵、動力系統(tǒng)故障、刺鉆具等,這時通常就需要人工干預(yù)。
用于鉆井液的先進的流體計量技術(shù)也適用于MPD鉆井系統(tǒng)。質(zhì)量流量計精度高,與合適的軟件配套應(yīng)用,可對井涌進行極其準確的檢測和辨識。
不間斷循環(huán)系統(tǒng)允許在不停止鉆井液循環(huán)的條件下實現(xiàn)接單根或立柱的上卸扣作業(yè)。在高溫高壓井中,泥漿不間斷循環(huán)降低了井下溫度變化造成的影響,實現(xiàn)井筒內(nèi)的水力學(xué)穩(wěn)定,并有利于更好地實施節(jié)流閥控制。作為設(shè)備配套的不可或缺步驟,在完成安裝調(diào)試不間斷循環(huán)系統(tǒng)后,還需要與鉆機系統(tǒng)進行匹配運轉(zhuǎn),該系統(tǒng)才能完成預(yù)期的作業(yè)任務(wù)。
作業(yè)中采用的泥漿體系為甲酸鹽 (銫/鉀)體系,加入含量和分布得到良好控制的固相顆粒,以及混入碳酸鈣、石墨和果殼等材料。實驗室證明,這種混合泥漿配方具有良好的提高地層承壓能力特性,能有效提高 KVITEBJΦRN油田砂巖破裂壓力。
在鉆高溫高壓井過程中,起鉆時單靠應(yīng)用旋轉(zhuǎn)頭和節(jié)流閥機械密封的方式實現(xiàn)井筒壓力的控制并非最佳的選擇,對于井下壓力的有效控制是不夠的。在MPD控制壓力作業(yè)中,當起鉆起出大約2/3時,可以采用打平衡泥漿塞 (BMP)和加重泥漿的辦法實現(xiàn)井內(nèi)的靜液柱壓力過平衡于地層壓力,此后便可以采用常規(guī)方法起鉆。這種新研制的BMP是非常穩(wěn)定的,具有良好的分隔作用,同時可以完全傳遞靜液柱壓力,對井底壓力實現(xiàn)直接控制。當打重泥漿時,先打膠聯(lián)隔離塞 (基于甲酸鹽泥漿),起支撐作用,最大程度地減小輕重泥漿間的接觸面,防止重泥漿沿井眼下滑。不過應(yīng)該注意到,這種利用井內(nèi)多密度泥漿柱實現(xiàn)井底壓力平衡辦法可能會使井內(nèi)壓力過平衡于油層壓力的程度較高,且由于后續(xù)起鉆作業(yè)沒有MPD的壓力補償機制,起鉆時產(chǎn)生的井內(nèi)壓力波動會比較大。
MPD作業(yè)的設(shè)備布置見圖1。將MPD技術(shù)用于高溫高壓井的關(guān)鍵是將MPD井口壓力控制組置于高壓防噴器 (HP BOP)上面,這樣的井口組合可以滿足高溫高壓井的所有井控要求。在任何情況下,都可以即時啟用高溫高壓井控程序,使用高壓防噴器。
KVITEBJΦRN油田 MPD作業(yè)中,采用了183/4in(1 in=25.4 mm) 15000 psi(1 psi=6.895 kPa)防噴器組,其包含4個閘板防噴器和1個10000 psi的環(huán)形防噴器。其中中上部閘板為全封/剪切閘板,可以實現(xiàn)剪切鉆桿并實施全密封。置于高壓防噴器組上面的MPD井口控制組則由1個11 in 5000 psi的旋轉(zhuǎn)控制頭 (RCH)、1個135/8in 5000 psi的閘板防噴器 (能起刮泥和密封作用)和1個135/8in 5000 psi的起下鉆環(huán)形防噴裝置組成。
就設(shè)備本身而言,MPD井口控制裝置可以作為鉆低壓井的井控裝置,但在這里的MPD作業(yè)中,應(yīng)將井控控制和正常作業(yè)控制區(qū)分開來。MPD控制系統(tǒng)的核心是隨鉆壓力控制 (PCWD)旋轉(zhuǎn)控制頭,通過活動的密封元件控制帶壓起下鉆具,并要考慮多組密封配合,確保密封膠芯可以在作業(yè)過程中安全更換。
安裝雙節(jié)流閥是為了防止節(jié)流閥腐蝕壞損。泄壓閥安裝在回流管線,主泄壓閥由節(jié)流控制軟件自動控制,主泄壓閥的壓力設(shè)置比節(jié)流參考壓力高出0.5~1 MPa。
當節(jié)流閥設(shè)定壓力通過流型器調(diào)節(jié)時,泄壓閥的設(shè)定壓力也會相應(yīng)自動調(diào)節(jié)。壓力超過設(shè)定值,泄壓閥打開,泄壓。當壓力降到設(shè)定值后,泄壓閥會自動關(guān)閉。這種泄壓閥能準確地按照預(yù)設(shè)自動調(diào)節(jié),保持井眼的壓力平衡。
流量計安裝在旁路,以便清潔和拆卸。安裝和校驗后,它可提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用于實時在線分析和判斷,甚至可以用于對意外事件的系統(tǒng)反應(yīng)和決策。在MPD作業(yè)中,流量計只用于監(jiān)測,不用于對系統(tǒng)的直接控制。
輔助泵用于在起下鉆時通過井口裝置連續(xù)從循環(huán)罐向井內(nèi)注清潔的泥漿,保持環(huán)空充滿泥漿,泥漿的連續(xù)循環(huán)流動使節(jié)流管匯可以維持回壓。這樣就能在不使用鉆井主泥漿泵的情況下,確保環(huán)空的壓力控制,降低能耗。輔助泵要求必須是獨立驅(qū)動(電動機或柴油機),此外,對其可靠性、壓力波動和排量也有較高的要求。
根據(jù)所鉆井的地層壓力預(yù)測,制定了壓力控制策略和辦法,在鉆34/11-A-13 T2井時采用的壓力控制方法中,初始儲層壓力根據(jù)已鉆井獲得;儲層壓力曲線是由當量循環(huán)密度來表示的,儲層頂部的值為1.92 SG,儲層底部的值為1.86 SG。由于地層破裂壓力衰竭情況無法準確預(yù)計,因此在該儲層中鉆遇壓力虧空的幾率和風險較高。
鉆井過程中,在儲層頂部,井眼壓力梯度控制在1.94 SG(比預(yù)測的最大孔隙壓力高出 0.02 SG)。隨著井深增加,壓力逐漸降低,原則是:
◇在儲層鉆進時,始終保持井筒壓力高于最大地層預(yù)測壓力值0.02 SG;
◇井筒壓力保持高于已鉆地層壓力測量值0.02 SG,已鉆地層壓力值通過井下鉆具組合中的隨鉆地層壓力測試 (FPWD)工具獲取。
對于壓力控制策略而言,FPWD技術(shù)是關(guān)鍵,它可以在不停泵或起下鉆的情況下,對地層壓力隨時進行測定。
這種壓力控制方法可以最大限度地利用“壓力窗口”內(nèi)的可控性,不存在欠平衡帶來的風險。通過節(jié)流壓力的控制,可以簡單又快捷地實現(xiàn)對井下壓力的增量控制。實踐表明,利用MPD控制壓力系統(tǒng)對井下壓力進行動態(tài)調(diào)整的范圍是±0.5 MPa。
97/8in套管下深為6101 m(垂深4093 m),調(diào)整替換為甲酸鹽泥漿 (密度為1.84,測量溫度50℃),在鉆出97/8in套管鞋23 m后,進行地層破裂壓力試驗,測得地層破裂壓力當量泥漿密度為2.05。之后,安裝、調(diào)試MPD控制系統(tǒng),并完成人員培訓(xùn)、實戰(zhàn)演練等準備工作。
鉆具組合配有綜合隨鉆測井 (LWD)(包括1個隨鉆地層壓力測試工具)、環(huán)空壓力和溫度傳感器、3個鉆柱浮閥 (工作壓力51.7 MPa)、1個多功能循環(huán)接頭 (MFCS)。采用含41/2in和5 in鉆桿的塔形鉆具組合,能承受55 kN·m的扭矩。
以MPD模式鉆81/2in井眼至6197 m,由于當量循環(huán)密度比預(yù)測的高0.8~1 MPa,泥漿密度從1.84降至1.81(測量溫度50℃),從而提高了節(jié)流閥控制的壓力范圍。
在鉆進過程中壓力檢測到鉆具被刺壞,停鉆,起鉆檢查,發(fā)現(xiàn)鉆具在1900 m處斷開。關(guān)高壓封井器,關(guān)井套壓為4.2 MPa,以補償當量循環(huán)密度及回壓的損失,確保井下壓力平衡。人工干預(yù)措施以盡量縮短井下欠平衡的時間,未監(jiān)測到有地層流體的侵入。為達到靜液態(tài)平衡,打入密度為2.12的重泥漿塞 (特制的平衡泥漿塞)。由于在斷開處以上的鉆具中沒有浮閥,當起鉆并替換井內(nèi)泥漿時,不間斷循環(huán)系統(tǒng) (CCS)被證明可以維持井筒內(nèi)的壓力。
打撈作業(yè)進行了數(shù)次,在成功打撈出落魚前,還下了電纜測試工具。通過打入平衡泥漿塞,曾幾次在控制壓力鉆井模式和普通鉆井之間轉(zhuǎn)換。由于泥漿中固相粒子的沉降,落魚的頂部所處環(huán)空和鉆具被堵塞,因此必須先清除堵塞物才能成功實施打撈,這延長了打撈作業(yè)的時間。在打撈作業(yè)過程中,控制壓力鉆井系統(tǒng)的設(shè)計靈活性及其可靠性得到充分的證明。
成功完成打撈后,繼續(xù)采用控制壓力鉆井的方式鉆穿油層,到測量井深6351 m完鉆。平均鉆井參數(shù):機械鉆速10 m/h,排量 (鉆井泵)1000 L/min, (輔助泵)580 L/min,轉(zhuǎn)速100 r/min,扭矩是45~58 kN·m。井下壓力維持在當量泥漿密度1.92,節(jié)流閥的節(jié)流壓力是1.4~1.6 MPa。在鉆穿儲層時,對多點進行地層壓力測試,測試記錄表明儲層壓力衰竭很大,且測到的最大地層虧空壓力出現(xiàn)在下Ness地層,虧空值為12.4 MPa。
鉆達目的井深后,評估完獲取的數(shù)據(jù),后續(xù)作業(yè)順利轉(zhuǎn)換為過平衡鉆井方式,即常規(guī)鉆井模式。
正常鉆進和循環(huán)作業(yè)期間,MPD鉆井系統(tǒng)將井眼壓力變化增幅控制在0.04 MPa的范圍內(nèi)。MPD系統(tǒng)在鉆高溫高壓井中,可以實施精確的壓力自動控制。
在不間斷循環(huán)系統(tǒng)安裝調(diào)試結(jié)束后,完全可以在不中斷井內(nèi)循環(huán)的情況下接鉆具。接鉆具時,立管壓力波動范圍大約是0.6 MPa,比井下壓力指示值低0.2 MPa,鉆桿上卸扣的扭矩是63 kN·m。
當多次連接鉆具時,停止泥漿循環(huán)。此時,當量循環(huán)密度減少到零,利用泥漿泵摘泵后的慣性并配合節(jié)流閥自動控制模式增加節(jié)流閥回壓,用這樣的方法維持井底壓力。這種方法多在緊急情況下和在上部井段起下鉆時使用。
要啟動隨鉆測量系統(tǒng) (LWD)中的地層壓力測試功能 (FPWD),需要周期性地將泥漿泵排量從1000 L/min減到600 L/min,排量的定量變化可以啟動FPWD工具進行壓力測量。要補償泥漿排量的這種變化造成的壓力波動,單靠控壓系統(tǒng)的自動控制難以達到穩(wěn)定壓力的目的,這就需要實施人工控制,并且產(chǎn)生結(jié)果過程具有可重復(fù)性。盡管利用人工干預(yù)的方式與井下工具進行通訊會產(chǎn)生±0.4 MPa的井下壓力波動,但仍在±0.5 MPa的控制目標范圍內(nèi)。
在鉆穿油層的過程中,沒有觀察到氣體滲入或氣侵。但仍然在鉆進過程中有氣體進入井內(nèi),根據(jù)記錄,在泥漿中鉆進氣的濃度最高達到3%,泥漿循環(huán)量增加了400~500 L。滯后時間約是1小時。依據(jù)流量計的測量,相應(yīng)的上返速度相當于300 L/min。
監(jiān)測各參數(shù)是確定泥漿中侵入氣體性質(zhì)及其相關(guān)事故的最好方法,一旦鉆進過程中進入井內(nèi)的氣體返回到地面,泥漿池液面和流速恢復(fù)到正常水平,對BHP沒有影響。必要時,應(yīng)停鉆循環(huán)排放氣體。在這種情況下,用BOP關(guān)井會使水力流型不穩(wěn)定,產(chǎn)生更大的壓力波動。明確判斷是氣侵或是地層其他流體侵入,有利于減少關(guān)井次數(shù)。
所用泥漿配方基于大量的室內(nèi)實驗,其特點是具有低的當量循環(huán)密度,但同時在某種程度上犧牲低泥漿的懸浮性。最初的泥漿配方包括果殼材料,但施工過程中發(fā)現(xiàn)它會堵塞一些地面設(shè)備,因此沒再使用。
泥漿中加入了大量的碳酸鈣。正常循環(huán)時,沒有發(fā)生問題。停止循環(huán)進行長時間的打撈作業(yè)時,在井斜57°的井段發(fā)現(xiàn)存在嚴重的固相顆粒沉降,嚴重影響了打撈作業(yè)的進行。
可見,該泥漿的固相粒子懸浮特性較差,因此在后續(xù)的作業(yè)中需要調(diào)整固相粒子的濃度和增加泥漿的懸浮能力,在優(yōu)化當量循環(huán)密度 (ECD)和泥漿懸浮性能間獲取較平衡、合理的方案。
用隨鉆環(huán)空壓力測試 (APWD)短節(jié)實時測量環(huán)空壓力值。這些壓力值主要用來校核流型,優(yōu)化流型。在測試階段,APWD讀數(shù)有1.2 MPa的誤差,經(jīng)過仔細校核后,讀數(shù)穩(wěn)定。
在鉆井過程中,流型分析結(jié)果和APWD讀數(shù)之間有0.8~1 MPa的壓力差值,由此可見校核的必要性。通過修正鉆井液流變性輸入值,兩者之間的差值可以減至0.2 MPa,從而提高了精度。
當精度要求較高時,結(jié)果校核及APWD工具的誤差值是非常重要的考慮因素。盡管流型的精度不斷得到改善,但畢竟是有限的??梢员容^來自APWD和FPWD(隨鉆地層壓力測試)兩個工具的壓力讀數(shù)值,這兩個壓力值是獨立的,可與流型比較。對這些測量工具而言,準確性和誤差依然需要關(guān)注。
在作業(yè)開始階段,依靠鉆井液密度來盡可能減少出現(xiàn)欠平衡,并可以實現(xiàn)較小的回壓。在實際的鉆井過程中,當量循環(huán)密度比預(yù)計的高,只能逐步降低鉆井液密度,這占用了大量的鉆機時間。隨著對MPD系統(tǒng)信心的增加,將會采用更低的鉆井液密度,提高作業(yè)效率。實踐表明,節(jié)流壓力越高,節(jié)流閥控制的性能和輔助泵的功效越穩(wěn)定。
10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.009