海洋窄壓力窗口鉆井技術(shù)

霍宏博，李金蔓，張磊，岳明，劉海龍

1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（四川成都 610500）

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司（天津 300459）

0 引言

渤海油田中深部區(qū)域勘探開發(fā)潛力巨大[1]，但儲層埋藏較深且為裂縫型，裸眼段長，鉆遇多套壓力體系及破碎帶[2]，鉆井安全密度窗口窄，導致同一井段涌漏同存，最嚴重的井，漏失多達十余次，累計漏失鉆井液達2 460 m3，常規(guī)堵漏效果不理想，且下鉆、開泵或劃眼時復漏頻發(fā)，損失大量鉆井液，導致井涌、井壁失穩(wěn)甚至井眼報廢[3]。涌漏同存是渤海油田中深層區(qū)域高效開發(fā)中亟待解決的問題[4]。

精細控壓鉆井技術(shù)在陸地窄安全密度窗口區(qū)域已被廣泛應(yīng)用，可保證鉆井安全，降低井涌、井漏發(fā)生頻次[5]，但是精細控壓鉆井裝備體積龐大，不太適合海洋鉆井狹窄的作業(yè)空間。統(tǒng)籌考慮施工成本與鉆井安全，高效堵漏提高地層承壓能力，應(yīng)用簡易控壓裝備，輔以精良的壓力預測模型，改變安全密度窗口，主動適應(yīng)地層。海洋窄壓力窗口鉆井技術(shù)在渤海中深層鉆井中得以應(yīng)用，取得了較好的使用效果。

1 提高地層承壓能力技術(shù)

提高地層承壓能力首先需要確定漏層位置，并根據(jù)漏層巖性、漏失井段長度、井漏嚴重程度等判斷漏失類型。但漏失通道性質(zhì)的確定較困難，現(xiàn)場主要是通過綜合分析方法判斷。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的漏失通道確定堵漏及提高承壓能力的方法。在探索中形成了針對惡性漏失的膠凝駐留輔助多級分段堵漏技術(shù)。

1.1 膠凝駐留輔助堵漏技術(shù)

在漏失處理過程中，凝膠類材料是提高承壓的主要材料之一[6]。凝膠類材料通過高分子聚合物分子鏈間作用，形成超分子聚集體結(jié)構(gòu)性溶液。凝膠類材料在水中形成均勻分散的不增黏體系，加入適量凝膠促進劑，加熱到適當溫度后，體系將逐漸增黏，直至形成高摩阻凝膠。凝膠過程可通過調(diào)節(jié)凝膠促進劑加量和溫度來控制，形成隔絕地層流體與井筒之間聯(lián)系的凝膠段塞，凝膠的封堵性如圖1所示。

圖1 凝膠封堵性實驗

在進入漏失通道后，凝膠材料有很高的靜結(jié)構(gòu)強度，能充滿漏失裂縫空間，形成流動阻力很大的結(jié)構(gòu)性流體，自動停止流動，具有一定的啟動壓力，可起到輔助防止漏失的作用。減緩后續(xù)堵漏材料在漏失通道內(nèi)的移動速度，提供充分凝固或架橋時間，使封堵層更加致密，以此消除漏失。

1.2 裂縫性地層堵漏提高承壓能力技術(shù)

基礎(chǔ)配方通過片狀合成樹脂片在裂縫中搭建架構(gòu)，纖維材料形成網(wǎng)架，充填大顆粒、小顆粒材料建立基礎(chǔ)的堵漏框架，調(diào)整配方中各成分的配比，適應(yīng)不同類型的漏失需求。裂縫性地層堵漏機理如圖2所示。

圖2 堵漏材料機理示意

堵漏材料包括：合成樹脂片、礦物纖維、核桃殼、酸溶性堵漏片、隨鉆堵漏材料、快速失水堵漏劑等。

合成樹脂片是經(jīng)高壓壓制的片狀橋接堵漏材料，可抗高溫高壓，化學穩(wěn)定性良好，與泥漿的兼容性好，密度為1.30～1.55 g/cm3，不與弱酸和堿性材料反應(yīng)，不溶于水基、油基與鹽水泥漿，最大酸溶度為21.5%。材料呈薄片狀，易在裂縫內(nèi)翻轉(zhuǎn)架橋，承壓能力強，長時間浸泡不變形。進入漏層后形成封堵層，承壓能力高，顆粒間摩阻大，不易反吐。

酸溶性堵漏片主要以高酸溶、抗高溫合成礦物類片狀材料為主，輔配其他可酸溶堵漏材料，應(yīng)用于儲層漏失，方便后期解堵。采用間隙擠注或循環(huán)堵漏進行儲層防漏、堵漏。

礦物纖維是由不同種類的微?；袡C纖維及礦物質(zhì)混合而成的抗高溫合成材料，輔配其他隨堵類材料，進行隨鉆防漏、堵漏的技術(shù)。

在2015年，中央一號文件中指出了我國農(nóng)業(yè)成本存在的問題。我國所有農(nóng)產(chǎn)品的價格較高、成本高，在高價格和高成本雙重壓迫下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形勢越來越嚴重。再加上國內(nèi)資源被過度開發(fā)，生態(tài)環(huán)境嚴重破壞，為我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴重影響。面對上述兩種情況，我國需要利用國內(nèi)市場和國外市場的資源，擴大對外投資規(guī)模和加強利用農(nóng)業(yè)外資，促進農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)出口貿(mào)易發(fā)展，對我國農(nóng)產(chǎn)品對外貿(mào)易有重要意義。

在壓差和流速作用下，不同級配堵漏顆粒迅速的鍥入、堆積、鍥緊，形成高穩(wěn)壓層。片狀材料在裂縫、孔隙中翻轉(zhuǎn)時易卡住架橋，為隨后顆粒提供屏障。堵漏材料在近井壁對地層進行加固，可進一步提高地層承壓能力。

高承壓堵漏漿配方：基漿+6%復合堵漏劑+5%礦物纖維+9%核桃殼+5%酸溶堵漏劑+4%NTS-S+1%隨鉆堵漏纖維+1%NT-T。

針對不同的縫寬，采用堵漏儀對上述配方進行評價（圖3）。結(jié)果表明，對3 mm 縫板、5 mm 縫板封堵承壓均可達10 MPa以上。

圖3 常規(guī)泥漿與堵漏材料封堵性對比

2 海洋鉆井井筒流動控制技術(shù)

精細控壓鉆井技術(shù)集恒定井底壓力和微流量控制功能于一體，鉆井過程中實現(xiàn)不間斷循環(huán)及實時精細控制井筒壓力，井底壓力波動小，控制精度可達0.35 MPa，而常規(guī)鉆井井底壓力波動達幾個兆帕。該技術(shù)應(yīng)用于窄安全密度窗口地層安全鉆進，可防止井漏、溢流、漏噴同存等復雜情況發(fā)生。但是海洋鉆井作業(yè)環(huán)境不同于陸地，鉆井平臺作業(yè)空間極為有限，對壓力控制設(shè)備管匯撬的體積和重量有明確要求，無法照搬陸地精細壓力控制設(shè)備，亟需適合海洋鉆井井筒流動安全控制的相關(guān)裝備和技術(shù)[8]。

2.1 海洋鉆井井筒流動試驗?zāi)M

針對涌漏同存情況，構(gòu)建海洋鉆井井筒流動的計算模型，分析各種工況下井下壓力狀況。

井底壓力低于孔隙壓力時，儲層發(fā)生氣侵溢流，壓差越大溢流速度越大，儲層滲透率越高，氣侵越快；當液柱壓力超過井底壓力發(fā)生井漏，壓差越大，漏失速度越快，地層滲透率越高漏失速度越大。

而裂縫性儲層涌漏同存的嚴重程度與裂縫大小有關(guān)，同等井底壓力下，大縫地層其漏失速率及氣侵溢流量要遠高于中縫和小縫地層，小縫地層最小[9]。

國內(nèi)外對井筒流動進行了大量研究，模擬多相流井筒過程中壓力、流體相態(tài)的變化，用于壓力的模擬分析?；诤Ｑ筱@井特殊溫度場、地層-井筒復雜耦合流動、鉆井液密度及流變性時變特性等，建立了多種計算模型[10-14]。

基于漂移流動模型建立海洋鉆井井筒氣液兩相瞬態(tài)流動數(shù)學模型，假設(shè)井筒內(nèi)流體為多相流一維流動；巖屑及鉆井液固相含量為均值；不考慮井壁、鉆桿、套管彈性變形；不考慮相態(tài)變化?；谝陨霞僭O(shè)，建立海洋鉆井井筒鉆井液氣液兩相瞬態(tài)流動的一維流動基本控制方程。

對于非儲層段有：

對于儲層段，考慮氣層段和漏失井段的環(huán)空流動，在連續(xù)性方程中考慮源項的影響：

式中：ρg、ρl分別為氣相、液相的密度，kg/m3；αg、αl分別為氣相、液相的體積分數(shù)，即持氣率、持液率，無量綱；ug、ul分別為氣相、液相的速度，m/s；Fgl為氣液兩相間的相間作用力，N/m；Ffg、Ffl分別為氣相、液相的壁面剪切力，N/m；ρm為氣液兩相混相的密度，kg/m3；um為氣液兩相混相的速度，m/s；p為壓力，MPa；Qkp為單位長度的氣侵速率，m3/s；Qlp為單位長度的漏失速率，m3/s；C0為氣體分布系數(shù)，無量綱；ud為氣體漂移速度，m/s；t為時間，s；θ為井斜角，°。

鉆井過程中，若環(huán)空出現(xiàn)氣液兩相流，地層氣侵或溢流時，井口氣體和液體的流量、壓力等可以通過測量得到，但井底的情況是未知的，據(jù)此可以定義其邊界條件，如公式（7）。

可根據(jù)實際情況調(diào)整邊界條件，比如可根據(jù)PWD等設(shè)備，調(diào)整定解邊界條件。

海洋井筒流動預測模型依托海洋井筒流動試驗?zāi)M裝置預測正常鉆進、控壓、起下鉆、開關(guān)泵、井漏、氣侵、漏噴同存等多種控壓鉆井工況。

模型準確性的檢驗是制約現(xiàn)場實際應(yīng)用的瓶頸，需要大型試驗?zāi)M裝置驗證各種模型的準確性，并對模型的參數(shù)進行校正，實現(xiàn)對模型準確性的判斷，驗證了井筒流動計算模型的精度[15]，并據(jù)此調(diào)整計算模型參數(shù)，研究依托的試驗設(shè)備如圖4所示。

圖4 井筒流動性試驗?zāi)M裝備

如圖5 所示，模型模擬的壓力與設(shè)備實測壓力數(shù)據(jù)相吻合，可實現(xiàn)對連續(xù)氣侵過程的壓力動態(tài)模擬，以及海洋鉆井井筒流動特性的精細預測。

圖5 井筒流動性試驗?zāi)M數(shù)據(jù)

2.2 緊湊型井筒壓力控制設(shè)備的研制

通過提高井壁承壓增大安全密度窗口范圍，并研發(fā)井筒流動精細計算模擬實現(xiàn)井底壓力實時準確預測。井壁承壓能力提高，計算精度提高，可以降低對壓力控制設(shè)備精度要求，實現(xiàn)壓力控制設(shè)備的緊湊化、集成化。通過技術(shù)研發(fā)，形成緊湊型井筒壓力控制設(shè)備，減少設(shè)備占地面積，解決鉆井設(shè)備尺寸超限問題。

緊湊型井筒壓力控制設(shè)備包括旋轉(zhuǎn)控制頭、自動節(jié)流管匯、回壓補償撬，滿足了海洋平臺對井筒壓力控制設(shè)備尺寸及重要的限制，從而解決了井筒壓力控制設(shè)備上平臺的難題，保障了海上控壓鉆井的順利實施，緊湊型井筒壓力控制設(shè)備主要組塊如圖6所示。

此外，由于海上環(huán)境潮濕，高鹽高腐蝕，對設(shè)備的材質(zhì)及防腐要求更為苛刻，因此，在管道材質(zhì)滿足工作介質(zhì)為鉆井液、原油、天然氣、硫化氫的前提下，要求控制管線和傳感器為不銹鋼材質(zhì)，并且規(guī)定設(shè)備的防腐噴涂使用年限符合SY/T 6919—2012標準要求的12年以上。

圖6 緊湊型井筒壓力控制設(shè)備主要組塊

緊湊型井筒壓力控制系統(tǒng)額定工作壓力≥35 MPa；井底壓力控制精度范圍為±0.35 MPa；撬塊最大質(zhì)量小于15 t；最大尺寸6.2 m×2.5 m×2.7 m，設(shè)備總占地面積僅41 m2；自動節(jié)流管匯配置主、備、輔助3個節(jié)流通道，能夠自動切換，鉆井作業(yè)中可在線維護。當其中一路節(jié)流閥堵塞后，自動開啟另外一路節(jié)流閥，同時聲光報警；根據(jù)設(shè)定的套管壓力能分別自動控制3 個節(jié)流閥的開啟和關(guān)閉，始終使管匯臺的壓力維持在設(shè)定值附近，正負不超過0.35 MPa；回壓補償系統(tǒng)能夠在循環(huán)或停泵的作業(yè)過程中，進行流量補償，維持節(jié)流閥有效的節(jié)流功能，適應(yīng)復雜工況的控壓鉆井作業(yè)中壓力補償?shù)囊?；全自動操作控制，實現(xiàn)高精度入口流量監(jiān)測和輸出流量穩(wěn)定的功能要求，高壓區(qū)最高工作壓力35 MPa，低壓區(qū)最高工作壓力2 MPa，排量6～20 L/s，排量誤差≤±5%。

系統(tǒng)監(jiān)測及自動控制系統(tǒng)測量精度2‰，動態(tài)響應(yīng)時間小于1 s；系統(tǒng)采用PLC 雙冗余系統(tǒng)設(shè)計，包括控制器冗余、控制回路I/O冗余和電源的冗余，實現(xiàn)故障系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的自動切換；具備第三方傳輸OPC Server 接口，實現(xiàn)檢測與自動控制系統(tǒng)與第三方軟件的雙向通訊功能；具有溢流漏失預警功能，進行聲光報警和溢流漏失計量功能。

同時自主研發(fā)井筒壓力自動控制軟件，由參數(shù)采集監(jiān)測、實時流體力學計算和遠程自動控制軟件等構(gòu)成，完成系統(tǒng)之間的通訊和數(shù)據(jù)交互，向液氣控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整指令，并監(jiān)控指令和閥門開關(guān)情況；與井場錄井數(shù)據(jù)進行對接通訊，穩(wěn)定的同步采集顯示鉆井參數(shù)；與定向數(shù)據(jù)進行對接通訊，穩(wěn)定的同步采集顯示MWD 和PWD 等鉆井參數(shù)；具備水力模型實時校正，計算誤差小于0.2 MPa。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

渤海探井A1 井，215.9 mm(8.5")井眼鉆進至3 195 m，發(fā)現(xiàn)溢流，關(guān)井求取地層壓力當量密度1.51 g/cm3；壓井期間上部地層發(fā)生漏失，循環(huán)漏速40 m/h，發(fā)生“上漏下涌”的復雜情況，薄弱層深度約3 030 m。

經(jīng)對地層巖性、漏失情況綜合分析，漏失為縫隙、溶孔洞導致，堵漏還需兼顧儲層保護，綜合分析地層承壓堵漏材料及級配，選用酸溶性堵漏材料施工，用大顆粒材料架橋，片狀材料楔入，纖維類、細小材料填充，逐步提高地層承壓能力，達到施工目的。

堵漏配方：基漿24 m3（密度1.25～1.30 g/cm3，黏度40～50 s）+9%核桃殼（粗、中、細）+5%復合堵漏劑+5%合成樹脂片+5%礦物纖維+5%酸溶性片狀堵漏劑+1%隨鉆堵漏劑，總濃度30.5%左右。

通過3 次擠注，地層承壓當量密度達到1.81 g/cm3。完成堵漏后，安裝緊湊型井筒壓力控制裝備，控制鉆完井過程中井底當量鉆井液密度在1.60～1.75 g/cm3間波動，安全快速鉆進至3 890 m，順利完成該井的鉆井作業(yè)。

完井中，采用隱形酸完井液體系，溶解酸溶性堵漏材料，恢復儲層產(chǎn)能，該井試采過程中獲得平均日產(chǎn)油411 m3，日產(chǎn)氣25×104m3的高產(chǎn)。

4 結(jié)論與建議

海洋堵控結(jié)合窄壓力窗口鉆井技術(shù)在渤中、渤南、曹妃甸、蓬萊等區(qū)域的三百余口井中成功應(yīng)用，有效完成了包括渤中19-6 油田、渤中34-9 油田在內(nèi)的多個高難度、大型油氣田的勘探開發(fā)工作。海洋鉆井井筒流動安全及井控應(yīng)急治理技術(shù)，在推廣應(yīng)用過程中對施工工藝、設(shè)備逐步優(yōu)化，成本適中，易于推廣，取得了巨大社會效益和經(jīng)濟效益。

建議：后續(xù)作業(yè)中裂縫性儲層漏失要考慮堵漏對儲層的傷害，兼顧后期解堵；堵漏成功后，防止起下鉆時破壞井壁，保持承壓能力；地震資料確定的大斷裂帶容易造成復漏，建議采用高效堵漏方法；壓力未知區(qū)域勘探開發(fā)也可運用堵控結(jié)合窄壓力窗口鉆井技術(shù)，采用低密度開鉆，鉆遇高壓層后依靠控壓設(shè)備提供回壓保證井控安全；膨脹管堵漏可為涌漏同存提供裸眼段封固的技術(shù)手段，是未來研究的一部分。