裂縫性儲層控壓鉆井技術及應用

宋巍，李永杰，靳鵬菠，李皋，魏納，趙向陽，劉金龍

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都610500；2.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)建設項目部，河北 唐海063200；3.中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

裂縫性儲層儲集空間發(fā)育，油氣通道發(fā)育，但是安全密度窗口窄（地層孔隙壓力和地層漏失壓力相差不大），應用常規(guī)鉆井技術鉆進經常發(fā)生涌、漏、卡、塌等復雜情況，導致鉆井周期增加，甚至無法進行正常鉆井作業(yè)［1-2］。作為近幾年從欠平衡鉆井技術發(fā)展過來的一種新技術，控壓鉆井技術可以精確控制環(huán)空壓力剖面和循環(huán)當量密度（ECD），具備解決在具有窄安全密度窗口特征的裂縫性儲層中鉆進的技術優(yōu)勢。目前，國際上成功應用于現(xiàn)場施工的控壓鉆井系統(tǒng)，主要有Weatherford 的MFC 系統(tǒng)、Schlumberger 的DAPC 系統(tǒng)和Halliburton 的MPD 系統(tǒng)［2-3］；在國內，控壓鉆井技術已在塔里木油田和南堡油田等區(qū)塊成功應用，并取得了較好的社會效益和經濟效益。

1 裂縫性儲層常規(guī)鉆井技術難點

在裂縫性儲層勘探開發(fā)中，為了最大限度地穿越多套縫洞單元，提高裂縫鉆遇率，增加油氣產量，水平井鉆井技術已被大規(guī)模應用。但是裂縫性儲層安全密度窗口窄，鉆井過程中易發(fā)生置換性漏失，井下流動表現(xiàn)為氣液兩相滑脫上升、油氣帶壓膨脹等。

在此類儲層應用常規(guī)鉆井技術鉆進，存在以下4方面問題：

1）鉆井液漏失［4］。由于各個裂縫的發(fā)育程度、連接程度及裂縫充填物性質等不同，在地層內形成了錯綜復雜的漏失通道，在鉆進過程中會出現(xiàn)不同情況的鉆井液漏失。如果裂縫與大型縫洞單元溝通，則會出現(xiàn)失返性漏失，嚴重損害儲層，影響后期油氣產量，不能達到預期產能。

2）井控風險。鉆遇中、高角度裂縫時，氣液密度差異的存在，導致出現(xiàn)諸如置換性漏失的儲層漏失，氣體不斷侵入地層。由凝析油氣相態(tài)圖可知，當環(huán)境壓力低于泡點壓力時，氣相從液相中分離出來，而氣體具有可壓縮性，在沿井筒到井口的返出過程中體積不斷增加，環(huán)空當量密度進一步降低，井底壓力進而下降，致使越來越多的地層氣體涌入環(huán)空，氣體帶壓上升，這是一個惡性循環(huán)的動態(tài)過程，井口表現(xiàn)為井涌，甚至井噴，存在較大的井控風險，這就要求井口設備具有較高的承壓能力。

3）井眼延伸能力。在儲層水平鉆進時，地層壓力變化可忽略不計，而隨著井眼不斷加深，進尺不斷增加，環(huán)空摩阻不斷增大，易出現(xiàn)井漏等鉆井復雜情況，且處理井下復雜的難度增加，很難達到設計進尺。

4）攜巖。根據上述井控風險問題中闡述的理論，氣體在井底高壓狀態(tài)下基本屬于泡狀流或分層流流型，氣液比低，當氣體到達環(huán)空井眼中上部時，流型將發(fā)生較大變化，在井口極易出現(xiàn)攪拌流或環(huán)霧流，造成攜巖不暢，嚴重時可導致卡鉆等井下復雜情況，既不利于井眼凈化，又不利于錄井取樣及地層巖性分析。

針對常規(guī)鉆井技術在鉆裂縫性儲層的上述缺陷，有必要使用控壓鉆井技術，實現(xiàn)優(yōu)質、安全、高效鉆進。

2 控壓鉆井技術優(yōu)勢

IADC 把控制壓力鉆井劃分為控壓鉆井、欠平衡鉆井、空氣鉆井3 大體系?？貕恒@井技術是一種用于精確控制整個井筒環(huán)空壓力剖面的自適應鉆井程序［5］，可以人為精確地控制井底壓力處于欠平衡狀態(tài)、近平衡狀態(tài)以及微過平衡狀態(tài)，有針對性地滿足不同工況的需求，具有較高的靈活性，使所有生產作業(yè)均處于可控范圍內，減少非生產時間，優(yōu)化鉆井工藝，提高鉆井時效，實現(xiàn)高效安全鉆進［6］。

與常規(guī)鉆井技術相比，控壓鉆井技術在現(xiàn)場施工中有以下技術優(yōu)勢：

1）及時發(fā)現(xiàn)并治理井漏?？貕恒@井技術通過微流量監(jiān)測技術可及時發(fā)現(xiàn)溢流和井漏，出口流量監(jiān)測精度不超過0.08 m3，在發(fā)生氣侵或漏失的情況下，經過計算機處理后隨即調節(jié)井口節(jié)流閥回壓，可以更迅速、精確地對井下壓力變化作出反應，及時調整鉆進參數(shù)，具有較高的時效性。

2）降低井控風險。控壓鉆井技術通過實時監(jiān)測井筒參數(shù)，根據水力計算模塊的結果，將環(huán)空壓力精確控制在安全密度窗口之間，降低鉆遇窄密度窗口裂縫性儲層的井控風險，確保井筒壓力穩(wěn)定可控，從而實現(xiàn)安全鉆進。

3）提高水平段延伸能力。針對具有多套壓力系統(tǒng)的地層，常規(guī)鉆井方法無法確定合適的鉆井液密度，經常出現(xiàn)上噴下漏等復雜工況［7-8］，最終只有提前完鉆；而控壓鉆井技術可以精確控制環(huán)空壓力剖面，確保鉆井過程中不噴不漏或有控制的“邊噴邊鉆”，可極大提高水平井段的延伸能力，同時保護了儲層。

4）減少非生產時間。在接單根、起下鉆等停泵作業(yè)中，井口實施小循環(huán)，通過使用回壓泵等補壓裝置彌補循環(huán)壓耗，可以保證井底壓力接近地層壓力，有效阻止地層氣體侵入，減少循環(huán)排氣處理時間；同時，由于沒有或少量地層氣體侵入井筒，不會出現(xiàn)攜巖不暢等問題，減少了洗井時間，提高了鉆進效率。

3 控壓鉆井環(huán)空壓力計算模型

3.1 環(huán)空多相流基本方程

質量守恒方程：

動量守恒方程：

式中：Qi為流量，m3/s；ρi為密度，g/cm3；vi為上返速度，m/s；λi為體積分數(shù)，無因次；p 為井底壓力，MPa；下標i 分別代表氣相、液相和固相。

3.2 環(huán)空壓力計算公式［9-14］

采用漂移流動模型，根據井筒多相流基本方程及穩(wěn)定的多相流機械能守恒原理，運用Beggs-Brill 計算壓降的理論方法，推導出控壓鉆井環(huán)空壓力計算公式。環(huán)空總壓降由3 部分組成：重位壓降、摩阻壓降和加速壓降

重位壓降是指由氣、液、固3 相進出口的位置高度引起的壓差，計算公式為

通過分析鉆井實際數(shù)據，考慮巖屑對環(huán)空摩阻的影響，修正已有計算模型，摩阻壓降的修正公式為

式中：ρm為混合物密度，g/cm3；f 為范寧摩阻系數(shù)；K 為速度相關量；Dh為井筒當量直徑，m；Re 為體積流量雷諾數(shù)；μm為混合物黏度，Pa·s；vm為混合物速度，m/s；Dm為環(huán)空直徑，m。

由于井筒存在氣相，隨沿程壓力降低而體積增大，故引起加速壓降；當不存在氣相時，該項為0。由于固相、液相的壓縮性遠遠小于氣相的壓縮性，加速壓降的計算公式為

式中：vg為氣相流動速度，m/s；ρg為氣體密度，g/cm3。

4 現(xiàn)場應用

×3 井儲層位于奧陶系，為碳酸鹽巖儲層。根據鄰井鉆、錄、測井資料顯示和相關地質分析，該井儲層裂縫發(fā)育，以中、高角度縫為主，非均質性強，裂縫寬度從幾微米至幾十微米不等，連通性好，氣油比平均為1 309～3 675 m3/t，基質有效孔隙度為0.88%～14.82%，平均3.58%，滲透率為（0.34～58.35）×10-3μm2，平均16.94×10-3μm2。由于鄰井儲層具有高氣油比的特點，在常規(guī)欠平衡鉆井過程中均出現(xiàn)不同程度的井涌和漏失，導致提前完鉆；再加上由于鉆井液沿裂縫侵入深部地層，固相顆粒堵塞滲流通道而造成儲層損害，極大降低了單井產量，遂決定在該井采用水平井控壓鉆井技術鉆開儲層，以期達到控制井涌、井漏，保護儲層，提高水平井段延伸能力的目的［15］。

×3 井用φ152.4 mm 鉆頭五開鉆進，技術套管下深5 060 m，五開鉆具組合為：φ152.4 mm 鉆頭+φ120 mm×（1.25～1.75°）高溫螺桿+浮閥×2 只+壓力計短節(jié)+座鍵接頭+φ88.9 mm 無磁抗壓鉆桿+MWD（高溫）+φ88.9 mm 鉆桿×836 m+φ88.9 mm 加重鉆桿×315 m+φ88.9 mm 鉆桿×若干。采用油基鉆井液，性能如下：密度0.93 g/cm3，漏斗黏度83 s，塑性黏度30 Pa·s，鉆井液排量17 L/s。01：35 鉆至井深5 228.49 m 發(fā)現(xiàn)放空0.73 m，循環(huán)鉆井液至液面穩(wěn)定，泥漿池鉆井液體積減少1.4 m3，產氣量32～1 781 m3/h，井口節(jié)流管匯控壓0～2 MPa，產氣量逐漸降低，泥漿池鉆井液體積變化逐漸趨于穩(wěn)定，鉆井液累計漏失67 m3。

該井儲層屬于正常壓力系統(tǒng)，地層壓力系數(shù)為1.005，應用環(huán)空多相流壓力計算模型編制計算程序，鉆至5 228.49 m 發(fā)生井漏前、后五開井段井底壓力及地層壓力剖面如圖1所示。

圖1 漏失前、后井底壓力和地層壓力剖面

鉆至5 228.49 m 發(fā)現(xiàn)放空后循環(huán)排氣，其間根據多相流壓力計算程序計算的井底壓力與地層壓力對比及井口套壓與產氣量分別如圖2、圖3所示。

在鉆至5 228.49 m 處裂縫之前，井底處于欠平衡狀態(tài)，至01：35 鉆遇放空段，井底壓力隨即降低，調整鉆井液排量并維持在11 L/s，井筒氣體流量的瞬態(tài)變化導致井底壓力為波動狀態(tài)，經過一個遲到時間后，井底氣體于04：15 到達井口，出氣時間持續(xù)約0.5 h。結合圖2和圖3可以看出，02：20 開始調整節(jié)流閥開度增大套壓，井底壓力略高于地層壓力，04：45 出氣量開始逐漸減少，泥漿池液面穩(wěn)定?？梢钥闯觯嚎貕恒@井技術通過控制井口套壓，調整鉆進參數(shù)，及時找到壓力平衡點，實現(xiàn)安全鉆進，并大幅減少了非鉆進時間。

與同一層位的鄰井常規(guī)欠平衡鉆井相比，×3 井在五開鉆進過程中漏失量減少了數(shù)倍，處理循環(huán)排氣時間也大大減少，非生產時間縮短，且水平井段的進尺大大超出設計進尺（見表1）。

圖2 循環(huán)排氣期間井底壓力與地層壓力變化

圖3 循環(huán)排氣期間井口套壓與產氣量變化

表1 ×3 與鄰井儲層鉆進情況對比

現(xiàn)場應用表明： 與同區(qū)塊鄰井應用常規(guī)欠平衡鉆井技術相比，控壓鉆井技術在處理井漏等鉆井復雜情況時具有較好的時效性，大幅提高了水平井段的延伸能力，鉆井液漏失量僅為欠平衡鉆井的1.7%。

5 結論

1）控壓鉆井技術可精確監(jiān)測出口流量，及時對井漏、井噴作出反應，控制環(huán)空壓力剖面和ECD，確保井下壓力在安全窗口范圍內安全鉆進。該技術可最大限度地提高水平井段的延伸能力，具有較好的經濟效益和社會效益。

2）控壓鉆井技術井筒壓力計算模型對現(xiàn)場施工有一定的指導作用，但是需要進一步研究深井、復雜井鉆進條件下的壓力計算模型，使其計算結果符合實際壓力，更具有現(xiàn)場指導意義。

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