水平井恒壓力梯度控壓鉆井新技術(shù)

鄭沖濤，劉殿琛，韓烈祥

(中國石油集團(tuán)川慶鉆探公司鉆采工程技術(shù)研究院)

近年來，窄壓力窗口鉆井問題越來越突出。一方面，鉆探深層優(yōu)質(zhì)氣層、凝析油層過程中地層對(duì)壓力敏感，受當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)變化影響,頻繁出現(xiàn)井涌、井漏或噴漏同存，鉆遇多個(gè)層位還需要增加更多套管層次才能鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深。另一方面，處于對(duì)少井高產(chǎn)的追求，更多井采用長段水平段、大位移水平井技術(shù)來開發(fā)。儲(chǔ)層水平段鉆井中，ECD導(dǎo)致水平段兩端可能出現(xiàn)坍塌與井漏或井涌與井漏同時(shí)發(fā)生，即使是頁巖氣水平井也會(huì)面臨面臨嚴(yán)重的井下復(fù)雜。除此之外，水平井鉆井井眼凈化困難、摩阻扭矩大，嚴(yán)重影響了鉆井效率和效益[1]。因此，迫切需要一種鉆井新方法來突破ECD的限制，實(shí)現(xiàn)安全、高效地鉆井。

一、Reelwell鉆井技術(shù)原理

Reelwell鉆井公司發(fā)明了一種鉆井方法—ReelWell Drilling Method(簡稱RDM)[2]為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)提供了一種全新的解決方案(如圖1)，通過雙層管(雙壁鉆桿)提供了可以在鉆桿內(nèi)獨(dú)立循環(huán)的通道，而裸眼中可實(shí)現(xiàn)全過程“恒壓力梯度鉆井”，使井眼環(huán)空始終在一個(gè)穩(wěn)定的壓力梯度剖面下鉆井，這種鉆井方法類似于控壓鉆井，但又不同于控壓鉆井，它是將平衡地層壓力的鉆井液與參與循環(huán)的鉆井液分為兩個(gè)獨(dú)立的壓力系統(tǒng)進(jìn)行管理,從而保持井筒壓力為一恒定的壓力梯度剖面，而不是僅僅控制某一井深點(diǎn)的壓力恒定。此外，這種控壓鉆井新方法可以以較低排量達(dá)到有效凈化井眼的目的，并且通過組合使用兩套鉆井液體系增大施加給鉆柱的浮力而降低了水平井鉆井摩阻扭矩，并且通過降低參與循環(huán)的鉆井液密度實(shí)現(xiàn)了節(jié)能鉆井。

圖1 Reelwell 鉆井技術(shù)(RDM)原理圖

1. 系統(tǒng)構(gòu)成

地面管匯控制撬(圖2)是鉆井液流程的關(guān)鍵控制裝備。該撬包括管匯、閥門及壓力、溫度、微流量傳感器，可監(jiān)控泵入及返出流體的壓力、流量和溫度，用于判斷井底壓力的平衡狀態(tài)。

在井口裝置上部裝有一套旋轉(zhuǎn)防噴器，用于井眼環(huán)空的回壓控制。雙壁鉆桿中心管和旋轉(zhuǎn)防噴器出口均通過管線連接至地面撬，司鉆室的監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)控壓鉆井需要，實(shí)時(shí)計(jì)算、獨(dú)立控制兩路管匯的回壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)開泵、停泵工況的遠(yuǎn)程自動(dòng)閥門操作與回壓控制。

圖2 地面管匯控制撬

井內(nèi)采用兩種不同性能的鉆井液，即井眼環(huán)空采用高密度鉆井液、雙壁鉆桿內(nèi)采用低密度鉆井液的組合鉆井液模式進(jìn)行水平井鉆井作業(yè)，低密度、低黏度的主動(dòng)鉆井液參與雙壁鉆桿的反循環(huán)和常規(guī)下部鉆具組合(BHA)的正循環(huán)，雙壁鉆桿外的井眼環(huán)空持續(xù)灌滿不參與循環(huán)的高密度、匹配地層壓力剖面的被動(dòng)鉆井液。還可以在井口憋回壓，實(shí)現(xiàn)壓力管理鉆井。

該系統(tǒng)可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)鉆機(jī)上，雙壁鉆桿頂部通過轉(zhuǎn)換短節(jié)[3]將頂驅(qū)與雙壁鉆桿連接，底部通過內(nèi)管閥將雙壁鉆桿與標(biāo)準(zhǔn)BHA相連。根據(jù)水力學(xué)優(yōu)化結(jié)果，推薦的雙壁鉆桿規(guī)格為直井段?168.28 mm×?203.20 mm與水平段?149.23 mm×?190.50 mm的復(fù)合管柱。

內(nèi)管閥是一種實(shí)現(xiàn)反循環(huán)和工況轉(zhuǎn)換的井下關(guān)鍵工具,其功能是防止主動(dòng)、被動(dòng)鉆井液的混漿及工況變化時(shí)的壓力竄通。內(nèi)管閥采用了滑套封隔器結(jié)構(gòu)[4]設(shè)計(jì)，包含內(nèi)管、外管、變流接頭、封隔器滑套等，在封隔器滑套上方設(shè)計(jì)了類似銑鋌的結(jié)構(gòu)，以備倒劃眼之需。封隔器滑套套裝在外管上，可自由滑動(dòng)和自由旋轉(zhuǎn)，在鉆柱上下移動(dòng)過程中受井壁摩擦作用而移位控制流道開關(guān)。鉆進(jìn)時(shí)鉆柱向下前進(jìn)，封隔器滑套向上滑動(dòng)，打開鉆柱反循環(huán)通道；接單根時(shí)，上提鉆柱，封隔器滑套則向下滑動(dòng)，關(guān)閉反循環(huán)通道。配合BHA的回壓閥或雙壁鉆桿專用單流閥[5]，可在停泵時(shí)隔斷井眼與鉆柱的壓力系統(tǒng)。起鉆前將鉆柱的兩個(gè)通道均替換成被動(dòng)鉆井液以平衡井筒壓力。

2. RDM鉆井優(yōu)勢分析

RDM采用雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井，在大斜度或水平段鉆井中表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。井眼環(huán)空的靜態(tài)高密度被動(dòng)流體能夠很好地維持鉆井全過程、全井段的壓力剖面的穩(wěn)定，基本可以杜絕水平井井漏；而參與循環(huán)的低密度主動(dòng)鉆井液降低了循環(huán)功耗；反循環(huán)使巖屑由雙壁鉆桿的中心通道攜帶至地面，大部分井段的上返通道由偏心環(huán)空變成了管狀通道，攜巖環(huán)境得到大幅改善，甚至能滿足連續(xù)取心的攜巖能力[6]，所以對(duì)鉆井液的綜合性能要求不高。概括起來有如下優(yōu)勢：

(1)大幅改善井眼凈化。本系統(tǒng)除約30 m BHA井段外，鉆屑是通過鉆柱中心管這個(gè)獨(dú)立的管狀流道從井底攜巖上返，消除了偏心環(huán)空流道的低流速區(qū)，因此，水平井段巖屑返出效率很高，鉆井摩阻和遇阻卡的幾率大幅下降。

(2)控壓鉆井更靈活。常規(guī)鉆井ECD的存在、特別是長水平段水平井巖屑床的存在引發(fā)大量井下復(fù)雜，RDM的井筒壓力梯度基本可保持一個(gè)不受ECD影響的、穩(wěn)定的井下壓力梯度剖面；其次，由于BHA長度很短，水平段井筒壓力基本相等，突破了水平段鉆井的水力延伸極限[7](如圖3)；第三，地面可以獨(dú)立向中心管、井眼環(huán)空施加回壓，或加重被動(dòng)鉆井液進(jìn)行小套壓及無套壓控壓鉆井，從而適應(yīng)不同壓力系統(tǒng)地層的需要，實(shí)現(xiàn)井筒壓力剖面與地層壓力剖面的完美匹配(如圖4)。

圖3 RDM突破水平井水力延伸極限示意圖

圖4 RDM可以適應(yīng)的地層壓力剖面

(3)明顯改善水平井摩擦扭矩和起下鉆摩阻：在大斜度或水平段鉆井中采用組合鉆井液后，井眼環(huán)空被動(dòng)流體的密度大于雙壁鉆桿內(nèi)主動(dòng)流體的密度，同時(shí)?190.50 mm雙壁鉆桿采用鋁制輕質(zhì)鉆桿，對(duì)鉆柱產(chǎn)生飄浮效應(yīng)，降低了鉆柱與井壁的接觸應(yīng)力。加上無巖屑床井眼減小了鉆柱與井壁的粘附接觸面積，因此，可有效降低鉆進(jìn)時(shí)的摩擦扭矩和起下鉆摩阻。

二、工業(yè)鉆井試驗(yàn)

2016年3月，在加拿大阿爾伯達(dá)一口淺層水平井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，水平段試驗(yàn)了地面流程、控制系統(tǒng)、鋁制鉆桿、高低密度組合鉆井液等。試驗(yàn)?zāi)康氖牵孩衮?yàn)證工具性能的可靠性及相關(guān)工藝流程(包括鋁制雙壁鉆桿的改進(jìn)，井控作業(yè)程序，高低密度組合鉆井液對(duì)降低環(huán)空回壓，恒定井下壓力梯度及降扭減摩)的有效性；②驗(yàn)證軟件模型如水力學(xué)計(jì)算軟件、摩擦扭矩與起下鉆摩阻計(jì)算軟件，培訓(xùn)和工藝流程模擬器的適應(yīng)性。

1. 試驗(yàn)井基本情況

試驗(yàn)井是一口淺層水平井，設(shè)計(jì)為三開井身結(jié)構(gòu)，二開?342.90 mm井眼采用常規(guī)?127.00 mm鉆桿鉆至803 m(垂深465 m)，下?273.05 mm套管固井；預(yù)計(jì)地質(zhì)靶區(qū)為均質(zhì)砂巖地層，垂深450～470 m，無油氣顯示。由于地層加深，實(shí)鉆垂深460 m為黏土層，將?342.90 mm水平井眼下探延伸鉆至井深804 m(垂深466 m)探得砂巖地層，被迫鉆出一個(gè)上翹水平井，完鉆井深1 510 m(垂深452 m)。

三開?250.83 mm井眼采用專用雙壁鉆桿結(jié)合常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆進(jìn)第一段水平段，全井均采用密度1.1 g/cm3的水基鉆井液。鉆至井深1 100 m之后，將井眼環(huán)空頂替入被動(dòng)鉆井液，采用1.1 g/cm3+1.6 g/cm3的組合鉆井液模式鉆進(jìn)水平段至完鉆井深1 510 m。

完成上述試驗(yàn)后，還試驗(yàn)了井控工藝。向套管井注入圈閉氣，成功檢測到氣侵的發(fā)生、上竄與出井過程。最后依據(jù)當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)實(shí)施棄井。

2. 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中采集了地面和井下數(shù)據(jù)，包括在高低密度組合鉆井液密度模式、全井高密度鉆井液兩種工況下的摩阻數(shù)據(jù)和井下PWD的數(shù)據(jù)。

2.1 水平井降摩減阻效果分析

完鉆后，將鉆頭提離井底進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)緩慢對(duì)鉆具進(jìn)行下鉆、起鉆操作，同時(shí)配合旋轉(zhuǎn)鉆柱動(dòng)作。采集的對(duì)比數(shù)據(jù)如圖5所示。

(a)1.6 g/cm3+1.15 g/cm3組合鉆井液

(b)1.6 g/cm3+1.6 g/cm3鉆井液

從圖5中可以看出，在高低密度組合鉆井液模式下，轉(zhuǎn)換成1.6 g/cm3+1.15 g/cm3的高低密度組合鉆井液循環(huán)后，井眼環(huán)空回壓從2.5 MPa下降到0.3 MPa，鉆柱扭矩從8.4 kN·m下降到6.2 kN·m。表明高低密度組合鉆井液模式的鉆柱扭矩可降低30%左右，與理論模擬結(jié)果一致。

本次試驗(yàn)很難精確測量對(duì)起下鉆摩阻影響，可能的原因是總鉤載較小，在鉆機(jī)提升系統(tǒng)的機(jī)械摩擦影響下產(chǎn)生了滯后效應(yīng)。但是基本可以判斷組合鉆井液模式的摩阻比單一流體模式的摩阻更小(鉤載變化小),鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩阻小于停止轉(zhuǎn)動(dòng)的摩阻。

2.2 水平井改善攜巖效果分析

實(shí)驗(yàn)過程中振動(dòng)篩上返出了大量大塊鉆屑，部分鉆屑小于1 mm是由于地層主要為黏土層的緣故。但是水平段鉆進(jìn)將排量降低到13.3～16.7 L/s，巖屑上返時(shí)間僅為9 min左右，說明攜巖效果好，能夠減少或省去接單跟的循環(huán)劃眼時(shí)間。

2.3 水平井控壓鉆井效果分析

試驗(yàn)井采用1.1 g/cm3+1.6 g/cm3組合鉆井液鉆進(jìn)，根據(jù)井眼環(huán)空壓力和雙壁鉆桿兩個(gè)通道壓力與鉆井垂深關(guān)系而計(jì)算出的壓力梯度如圖6。

圖6 采用雙通道循環(huán)鉆井時(shí)的壓力梯度示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：井眼環(huán)空壓力梯度曲線接近高密度被動(dòng)鉆井液的靜壓力梯度曲線(吊灌鉆井液時(shí)低速向下流動(dòng)的ECD可以忽略不計(jì))，并且在水平段A、B點(diǎn)的井筒壓力僅僅因?yàn)榇股罡卟钤蛴形⑿〔顒e。中心管上返通道因上翹水平段水力循環(huán)摩阻存在，低密度主動(dòng)流體的壓力梯度并不是一條直線，且與停泵狀態(tài)下的壓力梯度線存在較大距離。接單跟過程的井底PWD數(shù)據(jù)顯示：井筒壓力波動(dòng)在0.05 MPa以內(nèi)，而在BHA內(nèi)部壓力變化范圍是5 MPa。驗(yàn)證了反循環(huán)鉆井的井內(nèi)壓力相比于常規(guī)鉆井消除了鉆井中動(dòng)態(tài)ECD的影響，這是一個(gè)非常獨(dú)特的優(yōu)勢，非常適合安全密度窗口窄及長水平段水平井的鉆井。監(jiān)控系統(tǒng)可在1～2 min完成啟停泵操作。

2.4 井控能力分析

采取向井內(nèi)注氮?dú)獾姆绞竭M(jìn)行了井控工藝試驗(yàn)。在?273.05 mm套管783 m處坐放橋塞，由雙壁鉆桿向套管內(nèi)注入氮?dú)庵寥斯ぞ?，在井下形?.43 m3(井下當(dāng)量體積)圈閉氣，以此模擬氣侵。檢測氮?dú)獾臍馇帧⑸细Z過程，然后開始排后效試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用短BHA和13.3 L/s的循環(huán)排量，溢流循環(huán)過程的主要井控標(biāo)志點(diǎn)均得到清楚記載。

井控試驗(yàn)表明微流量控制裝置科里奧利流量計(jì)具備快速檢測井內(nèi)氣侵的能力，同時(shí)表明該系統(tǒng)可以有效監(jiān)控井下壓力變化，并有能力安全可控地排除后效。

扣除相關(guān)的停等時(shí)間后，試驗(yàn)進(jìn)度基本與計(jì)劃一致，成功地按計(jì)劃完成所有項(xiàng)目。在較低的排量下就可以獲得20～40 m/h的高機(jī)械鉆速，井深1 510 m的三開井身結(jié)構(gòu)試驗(yàn)水平井，從開鉆、完成相關(guān)試驗(yàn)到棄井共耗時(shí)間僅15 d。

三、結(jié)論

通過鉆井新技術(shù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)的優(yōu)勢與特點(diǎn)，對(duì)于深井超深井窄壓力窗口地層和頁巖氣長水平段水平井的鉆井具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,結(jié)合目前國內(nèi)頁巖氣開發(fā)的工程技術(shù)現(xiàn)狀,提出如下認(rèn)識(shí)與建議。

(1)RDM鉆井是一種高效、精細(xì)的控壓鉆井技術(shù)?？梢栽诰郗h(huán)空保持近似于靜態(tài)的壓力梯度，消除動(dòng)態(tài)循環(huán)壓耗引起的壓力波動(dòng)影響，真正實(shí)現(xiàn)壓力管理鉆井。對(duì)復(fù)雜深井鉆井具有很好的借鑒作用。

(2)RDM鉆井突破了水平井水力延伸極限；有效解決了偏心環(huán)空攜巖效率低下的難題，大大降低了鉆柱與井壁的接觸摩擦力，延長了水平井機(jī)械延伸極限。有利于提高頁巖氣開發(fā)的高效鉆井和降本增效。

(3)應(yīng)大力開展國內(nèi)頁巖氣長水平段水平井鉆井的技術(shù)創(chuàng)新，尋找解決巖屑床引起的卡鉆埋鉆、水平段垮塌與井漏的有效途徑，開展油基被動(dòng)鉆井液+水基主動(dòng)鉆井液的反循環(huán)鉆井試驗(yàn)。