控壓鉆井技術(shù)在東海深部低滲地層中的應(yīng)用

王宏民，邱 康，姜 韡，王孝山

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

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控壓鉆井技術(shù)在東海深部低滲地層中的應(yīng)用

王宏民，邱 康，姜 韡，王孝山

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

摘 要：隨著東海深部地層勘探取得突破，石油鉆探進(jìn)入深部復(fù)雜地層。深部地層巖石強(qiáng)度大、可鉆性差，深部地層機(jī)械鉆速低，同時深部儲層孔滲條件差，儲層保護(hù)尤為重要。此文介紹了一種新的鉆井方式即控壓鉆井，分析其工藝優(yōu)勢和控制操作原理，結(jié)合東海地質(zhì)特征，優(yōu)化鉆井參數(shù)，對東海N構(gòu)造M4、M5井進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用分析，機(jī)械鉆速有較大的提高，同時也較好保護(hù)油氣層，效果明顯，為深部地層安全高效鉆井提供一條途徑。

關(guān)鍵詞：控壓鉆井；低滲；當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）；機(jī)械鉆速（ROP）

隨著東海深部地層勘探取得突破，深部低孔滲油氣藏越來越被重視。東海深部儲層巖石強(qiáng)度大、可鉆性差、井底溫度壓力高、坍塌嚴(yán)重，導(dǎo)致深部地層機(jī)械鉆速較低，建井周期長、鉆井費(fèi)用高［1-3］。常規(guī)鉆井一般是通過調(diào)整鉆井液密度，來實(shí)現(xiàn)環(huán)空井底壓力與地層壓力的平衡，以避免井噴、井漏或坍塌等嚴(yán)重事故的發(fā)生。然而，在多年來的鉆井實(shí)踐中逐漸認(rèn)識到，單純依靠鉆井液密度控制井筒壓力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，導(dǎo)致處理復(fù)雜情況周期較長，而且常規(guī)鉆井中使用的鉆井液密度較大，壓持效應(yīng)嚴(yán)重，嚴(yán)重降低機(jī)械鉆速。因此，本文提出了采用控壓鉆井技術(shù)（Managed Pressure Drilling，簡稱MPD）用以解決目前鉆井作業(yè)困難問題［4］?？貕恒@井主要借助于隨鉆壓力測量工具（PWD）、旋轉(zhuǎn)防噴器、自動節(jié)流管匯等工具以及包含實(shí)時水力學(xué)計算的自動控制軟件，精確控制井筒壓力，安全鉆進(jìn)窄密度窗口地層，避免和控制流體的侵入，正在被應(yīng)用到各種復(fù)雜地質(zhì)條件的鉆井當(dāng)中［5-6］。

1 東海深部地層地質(zhì)特征

圖1 井筒U型管原理示意圖

2 控壓鉆井控制原理

2.1 壓力平衡控制原理

在鉆進(jìn)過程中，井筒內(nèi)的流體流動壓力平衡狀態(tài)服從“U”型管原理。依據(jù)“U”型管原理（圖1）建立井筒內(nèi)壓力平衡關(guān)系：

（1）當(dāng)井內(nèi)鉆井液靜止時井筒內(nèi)壓力剖面為泥漿重力壓力剖面，即：

環(huán)空內(nèi)：

鉆柱內(nèi)：

（2）當(dāng)循環(huán)時，井筒內(nèi)動態(tài)壓力剖面為：

式中： Pbh為井底壓力，MPa；Pc為井口套壓，MPa；ΔPcg為環(huán)空靜液壓，MPa；Psp為井口立壓，MPa；ΔPpg為鉆柱內(nèi)靜液壓，MPa；ΔPcf為環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；ΔPpf為鉆柱內(nèi)壓耗，MPa；ΔPbit為鉆頭壓降，MPa；ΔPj為節(jié)流壓降，MPa；ΔPjl為地面管線壓降，MPa； Patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa。

市政工程概預(yù)算編制過程中存在的問題及其對造價控制的影響研究……………………………………………………… 江智偉（2-187）

由井筒環(huán)空內(nèi)壓力影響因素分析可知：影響井底壓力大小的主要因素為井筒內(nèi)氣液流量、流體物性、鉆柱組合及井身結(jié)構(gòu)、井口回壓大小等，但是針對諸多因素，要實(shí)現(xiàn)對井底壓力的控制，可以實(shí)時調(diào)控的參數(shù)主要為：泵排量、鉆井液流變性及密度、井口回壓。因此實(shí)時井底壓力控制，可以改變上述參數(shù)，但通過理論和現(xiàn)場應(yīng)用證明，最直接的控制辦法是動態(tài)調(diào)節(jié)井口節(jié)流閥控制井口壓力，實(shí)現(xiàn)對井底壓力實(shí)時調(diào)整。

2.2 優(yōu)化鉆井液密度原理

（1）建立精細(xì)控壓鉆井當(dāng)量循環(huán)密度模型

鉆井液在環(huán)空內(nèi)流動型態(tài)一般分為層流和紊流兩種，而判別標(biāo)準(zhǔn)主要通過對雷諾數(shù)的計算。本文采用的流變模型為赫巴模型，以下為環(huán)空流動雷諾數(shù)計算公式及不同流型下的壓降計算公式：

雷諾數(shù)：

式中：Re為雷諾數(shù)，ρ為鉆井液密度，g/cm3；n為流性指數(shù)，無因次；Do為井眼內(nèi)徑，cm；Di為鉆桿外徑，cm；v為鉆井液環(huán)空平均流速，m/s；K為稠度系數(shù)，Pa·sn；τ0為動切力，Pa；f為摩阻系數(shù)，無因次；L為管路長度，m。

為精確計算井底壓力，通過上述模型計算全井段循環(huán)壓耗，從而確定井底壓力，建立精細(xì)控壓鉆井當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）模型。

（2）優(yōu)化合理鉆井液密度方法

結(jié)合常規(guī)鉆井鉆井液密度確定方法和國外控壓鉆井鉆井液密度確定方法，本文提出通過“等值線法”數(shù)值模擬合理泥漿密度。利用上述建立的精確水力學(xué)模型，考慮不同井口回壓對ECD的影響，模擬出井筒環(huán)空段精確ECD，作出不同井口回壓和不同鉆井液密度時的環(huán)空ECD等值線圖，結(jié)合地層壓力剖面，給出合理ECD區(qū)間即合理的操作窗口，如圖2、圖3方框空間，通過“等值線法”對靜止、循環(huán)狀態(tài)下控壓鉆井段開始、中間、結(jié)束點(diǎn)分別數(shù)值模擬，利用模擬操作窗口確定最優(yōu)鉆井液密度和井口回壓值。

圖2 模擬M4井4 423 m處不循環(huán)施加井口回壓和ESD變化情況

圖3 模擬M4井4 423 m處排量2 400 L/min施加井口回壓和ECD變化情況

2.3 控壓鉆井工作原理

在控壓鉆井的封閉循環(huán)系統(tǒng)中，鉆井液從泥漿池通過鉆井泵進(jìn)入立管下降到鉆桿，通過浮閥和鉆頭上部的環(huán)空，然后從旋轉(zhuǎn)防噴器（RCD）一側(cè)的旁通流出。再通過一系列的節(jié)流閥到振動篩或脫氣裝置，最后回到鉆井液池?？貕恒@井過程中，因允許地層流體不斷滲入井筒，并連同鉆井液攜帶著巖屑從鉆具與井筒之間的環(huán)空上返，在井口可能會產(chǎn)生壓力，因此必須要控制和密封井口的壓力，確保鉆井安全。另一方面，井口有壓力時鉆井生產(chǎn)必須正常進(jìn)行，也就是說鉆具必須既能旋轉(zhuǎn)又能上下活動，旋轉(zhuǎn)防噴導(dǎo)流裝置的作用是在控壓鉆井作業(yè)過程中，在井眼環(huán)空與鉆柱之間起封隔密封作用，承受一定的井口壓力，防止井口鉆井液噴出，并將井眼內(nèi)返出的流體導(dǎo)離井口，允許鉆具旋轉(zhuǎn)和上下活動，保證鉆井作業(yè)正常進(jìn)行。環(huán)空中的鉆井液液柱壓力通過使用RCD和節(jié)流管匯被保持在鉆井泵出口和節(jié)流閥之間。RCD允許管柱和全部鉆柱旋轉(zhuǎn)，所以立管、鉆桿和鉆柱能連續(xù)工作。

3 現(xiàn)場實(shí)例分析

東海西湖凹陷N構(gòu)造目前已鉆井5口，分別為M1、M2、M3、M4和M5井，其中前三口深部地層鉆井時采用常規(guī)鉆井，M4、M5井在8-1/2"井眼段采用控壓鉆井。本次控壓鉆井比較常規(guī)鉆井增加了旋轉(zhuǎn)防噴器、控壓節(jié)流管匯等設(shè)備，從功能上實(shí)現(xiàn)了簡易控壓，其流程有以下三種。圖4為這三種的控壓鉆井流程圖。

圖4 控壓鉆井流程圖

（1） 無溢流、井漏時，鉆井液進(jìn)行常規(guī)鉆井循環(huán)流程：

鉆井泵→立管→鉆具內(nèi)→環(huán)空→旋轉(zhuǎn)控制頭→旁通閥→導(dǎo)流管→高架槽→振動篩→循環(huán)池→鉆井泵。

（2） 有異常工況時，鉆井液進(jìn)行控壓鉆井循環(huán)流程：

鉆井泵→立管→ 鉆柱→環(huán)空→旋轉(zhuǎn)控制頭→控壓專用節(jié)流管匯→高架槽→振動篩→循環(huán)池→鉆井泵。

若氣測值較大或發(fā)生氣侵等情況時：

鉆井泵→立管→鉆具內(nèi)→環(huán)空→旋轉(zhuǎn)控制頭→節(jié)流管匯（平臺方）→液氣分離器→①（液相、固相）→高架槽→振動篩→循環(huán)池→鉆井泵。

→②（氣相）→排氣管線→火炬。

（3） 控壓接單根流程：

固井泵→井隊(duì)壓井管匯→旋轉(zhuǎn)控制頭→控壓專用節(jié)流管匯→高架槽→振動篩→循環(huán)池。

由于東海西湖凹陷N構(gòu)造屬于低滲地層，考慮成本費(fèi)用，為了有利于油氣層的發(fā)現(xiàn)，避免了重的鉆井液對油氣層的污染，采用簡易控壓鉆井設(shè)備。M4、M5井8-1/2"井眼段采用鉆井液密度1.05 ～ 1.07 g/cm3，鉆穿局部地層壓力系數(shù)為1.2的異常壓力層，鉆遇井漏或氣侵地層時，實(shí)現(xiàn)邊循環(huán)邊壓井，大大減少壓井時間，且對比同一地區(qū)M1、M2及M3井采用相同鉆井液體系，M4、M5井由于降低鉆井液密度，降低井底壓持效應(yīng)，釋放機(jī)械鉆速，機(jī)械鉆速提高10.7% ～ 92%，降低事故發(fā)生率，大大提高鉆進(jìn)時效（表1）。在關(guān)井接單根時施加井口回壓，確保關(guān)井時井底壓力和正常循環(huán)或鉆進(jìn)時的井底壓力非常接近，精確控制整個井眼流體的壓力剖面，實(shí)現(xiàn)了安全高效鉆進(jìn)。

表1 東海N構(gòu)造5口井鉆井參數(shù)及事故發(fā)生統(tǒng)計數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）針對東海深部低滲地層，控壓鉆井能夠有效提高機(jī)械鉆速和減少各種復(fù)雜事故，精確控制井筒壓力，保護(hù)儲層，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。

（2）針對控壓鉆井關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計，提出通過“等值線法”數(shù)值模擬的合理泥漿密度方法，對該區(qū)塊已鉆井M4、M5井進(jìn)行模擬，建議泥漿密度1.03 ～ 1.14 g/cm3、1.05 ～ 1.18 g/cm3，井口加回壓0 ～ 1 MPa的情況下進(jìn)行控壓鉆進(jìn)，現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯。

（3）控壓鉆井為東海深部低滲地層優(yōu)快鉆井提供一種途徑，但在東海還處于起步階段，尤其針對東海復(fù)雜地層控壓鉆井適應(yīng)性還需進(jìn)行深入研究。

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中圖分類號：TE242

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.02.081

文章編號：1008-2336（2016）02-0081-04

收稿日期：2016-01-13；改回日期：2016-03-07

第一作者簡介：王宏民，男，1989年生，碩士，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，從事與鉆井相關(guān)的巖石流體力學(xué)研究、鉆井設(shè)計等。E-mail：wanghm.shhy@sinopec.com。

Application of Managed Pressure Drilling Technique in Deep Low Permeability Formation of East China Sea

WANG Hongmin， QIU Kang， JIANG Wei， WANG Xiaoshan
（Institute of Petroleum Engineering Technology， SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company， Shanghai 200120， China）

Abstract：With the breakthrough of hydrocarbon exploration in the deep formations of the East China Sea， more and more drilling operations are targeting at the deep complex formations. Reservoir protection is especially important for the deep drilling due to the high rock strength， poor drillability， low ROP， poor porosity and permeability in reservoirs. This paper introduces MPD （Managed Pressure Drilling）， a new kind of drilling technology， and analyses the technical advantages as well as the operation principles. In the drilling operation of Wells M4 and M5 located at Trap N of East China Sea， MPD were adopted and were successful， as demonstrated by signifcant increasing in the ROP and protecting oil and gas reservoir from formation damage. MPD provides a safe and effcient way for deep drilling in East China Sea.

Keywords：Managed pressure drilling（MPD）； low permeability； equivalent circulating density （ECD）； rate of penetration（ROP）