控制壓力鉆井技術(shù)應(yīng)用探討

劉強(qiáng)宇

(中國(guó)石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司，河南南陽(yáng) 473132)

0.引言

隨著信息擴(kuò)容、技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員在鉆井技術(shù)研究方面取得了明顯成果。隨著油氣井勘探逐步走向成熟，向復(fù)雜深層方面發(fā)展，控制壓力鉆井技術(shù)也面臨著新挑戰(zhàn)，為了提升油氣井開(kāi)發(fā)的綜合技術(shù)水平，廣大技術(shù)人員需要開(kāi)拓眼界，積極探索，不斷學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)鉆井設(shè)備理念，應(yīng)用新技術(shù)，尋找技術(shù)突破口，進(jìn)而縮短我國(guó)與國(guó)外控制壓力鉆井技術(shù)的差距，提升國(guó)內(nèi)鉆井綜合質(zhì)量。

1.控制壓力鉆井技術(shù)概述

1.1 控制壓力鉆井技術(shù)目標(biāo)

控制壓力鉆井技術(shù)使用封閉和承壓鉆井循環(huán)系統(tǒng)，所采用的欠平衡鉆井技術(shù)以及新設(shè)備，都具備一定的可實(shí)踐性與應(yīng)用性，能夠有效解決傳統(tǒng)技術(shù)水平下鉆井遇到的諸多難題，進(jìn)而提高了鉆井的性價(jià)比，大大提升鉆井綜合水平。技術(shù)人員運(yùn)用控制壓力鉆井技術(shù)，能夠更好地控制鉆井過(guò)程中的壓力，克服傳統(tǒng)模式鉆井出現(xiàn)的可鉆性低，成本高等諸多問(wèn)題，是針對(duì)鉆井過(guò)程控制壓力平衡的新技術(shù)。多年之前，國(guó)外便開(kāi)始應(yīng)用鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，隨著技術(shù)的逐步成熟，成為陸地鉆井的主要發(fā)展方向，能夠快速提高井控能力，同時(shí)控制鉆井成本，提高鉆井經(jīng)濟(jì)性。隨著技術(shù)不斷成熟，理念不斷完善，進(jìn)而減少安全事故發(fā)生概率，同時(shí)縮短鉆井時(shí)間，提升鉆井效率，使得鉆井過(guò)程兼具安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1.2 控制壓力鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

控制壓力鉆井技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)鉆井過(guò)程中的諸多問(wèn)題。首先，能夠大幅度提高鉆井壓力的準(zhǔn)確度，地下液體不容易流入到鉆井當(dāng)中；其次，控制壓力鉆井技術(shù)能夠有效穩(wěn)定井底壓力，鉆井過(guò)程中的壓力能夠與井底壓力更加吻合，平衡整個(gè)井底的壓力。最后，該技術(shù)采用封閉和承壓鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)鉆井液溢流問(wèn)題能夠快速發(fā)現(xiàn)，快速處理，減少人員、設(shè)備的損失，進(jìn)而有效避免事故發(fā)生。除此之外，若技術(shù)人員在進(jìn)鉆井的過(guò)程中突發(fā)井塌、井漏等問(wèn)題，采用控制壓力鉆井技術(shù)能夠得到快速處理，進(jìn)而減少安全事故的發(fā)生概率，降低鉆井成本，優(yōu)化井身的總體結(jié)構(gòu)。

2.控制壓力鉆井技術(shù)的應(yīng)用

2.1 井底常壓控制壓力鉆井的應(yīng)用

在鉆井過(guò)程中，能夠合理控制井底壓力是保證鉆井過(guò)程安全的重要環(huán)節(jié)?？刂茐毫︺@井技術(shù)也可稱為當(dāng)量循環(huán)密度控制技術(shù)，能夠有效把控鉆井液的密度，一旦發(fā)現(xiàn)常規(guī)鉆井液密度低于正常值，便需要進(jìn)行平衡鉆井。在循環(huán)的過(guò)程中井底壓力是上環(huán)空壓耗與靜夜柱壓力的總和，在接鉆桿與關(guān)井的過(guò)程中，循環(huán)壓耗便會(huì)消失，此時(shí)井底壓力便處于欠平衡狀態(tài)，控制人員需在接口處加一個(gè)回壓，使其處于壓力再平衡狀態(tài)，防止出現(xiàn)地層流體侵入的狀況。技術(shù)人員需要在壓力穩(wěn)定的情況下開(kāi)展鉆井作業(yè)。環(huán)空壓力剖面的壓力處于平衡狀態(tài)，同時(shí)運(yùn)用水力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算測(cè)量井下數(shù)據(jù)，能夠?qū)︺@井過(guò)程中流體流變性能、井眼大小、井口回壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行合理把握，進(jìn)而保障井底壓力處于相對(duì)平衡狀態(tài)。

2.2 加壓鉆井液帽控制壓力鉆井的應(yīng)用

技術(shù)人員在進(jìn)行鉆井作業(yè)的過(guò)程中，難免會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)因素、外界環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)井漏現(xiàn)象。在開(kāi)展鉆井作業(yè)的過(guò)程中，若突發(fā)井漏狀況，技術(shù)人員可以采用加壓鉆井液帽控制壓力鉆井技術(shù)進(jìn)行及時(shí)處理。在進(jìn)行問(wèn)題解決的過(guò)程中，其主要是通過(guò)控制泵泵入高密度的鉆井液，目的是隔封環(huán)空，保證井內(nèi)壓力。若發(fā)生井漏問(wèn)題的地層壓力相對(duì)較小，則也可利用諸如海水之類的密度相對(duì)較小的鉆井液，沿著鉆桿沿線注入鉆井液，使得其漏入裂隙當(dāng)中，進(jìn)而有效提升機(jī)械的轉(zhuǎn)速，此種措施可以有效減少鉆井液的使用量，起到降低成本的作用。

2.3 雙梯度控制壓力鉆井的應(yīng)用

雙梯度控制壓力鉆井技術(shù)主要應(yīng)用隔水導(dǎo)管在導(dǎo)管中注入低密度鉆井液，或者通過(guò)套管外部的寄生管注入低密度鉆井液，在此過(guò)程中在連接點(diǎn)注入空氣、惰性氣體、低密度鉆井液以及固體添加物，能夠使得其與地面鉆井液密度更加接近。此項(xiàng)技術(shù)并不是簡(jiǎn)單地降低井底壓力或者降低鉆井液密度，而是避免在鉆井作業(yè)的過(guò)程中，出現(xiàn)壓力不平衡的問(wèn)題，防止井身壓力過(guò)大出現(xiàn)破裂狀況。

3.控制壓力鉆井設(shè)備研究進(jìn)展

隨著廣大技術(shù)人員對(duì)于控制壓力鉆井技術(shù)的不斷研究，目前控制壓力鉆井系統(tǒng)主要包括連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、地面壓力控制設(shè)備、旋轉(zhuǎn)控制裝置等諸多設(shè)備以及其他特定應(yīng)用的專業(yè)設(shè)備。

3.1 可控鉆井液帽系統(tǒng)

此系統(tǒng)與加壓泥漿帽鉆井系統(tǒng)相類似，主要是通過(guò)鉆井泵液帽的液面高度合理調(diào)整井底壓力?？煽劂@井液帽系統(tǒng)通過(guò)回流管以及灌漿液輸送管與鉆井液池相接，運(yùn)用隔水管單根通過(guò)鉆井液的舉升泵以及高壓閥相連接，通過(guò)調(diào)節(jié)鉆井葉帽的液面高度，精準(zhǔn)控制隔水管中鉆井液的體積，進(jìn)而合理調(diào)控井底的壓力。

3.2 當(dāng)量循環(huán)密度降低工具

此類工具主要是由上部、中部、下部三部分組成，包括密封裝置、軸承以及渦輪馬達(dá)等裝置。上部利用渦輪馬達(dá)能夠有效吸收液壓，將液壓轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，當(dāng)工具開(kāi)始作業(yè)時(shí)，渦輪馬達(dá)會(huì)隨著鉆柱進(jìn)入井內(nèi)，驅(qū)動(dòng)渦輪助力環(huán)空返回鉆井液進(jìn)行吸收，有效減少下部井段的當(dāng)量循環(huán)密度，進(jìn)而快速降低井底壓力，增加上部套管的當(dāng)量密度，保持井筒上部分高壓。中部主要是由渦輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)多級(jí)混輸泵展開(kāi)作業(yè)，下部分主要是由密封裝置以及軸承組成，并配備專屬應(yīng)急密封備用裝置。在鉆井作業(yè)的過(guò)程中，一旦需要壓力差，環(huán)空便可迅速開(kāi)啟，進(jìn)而展開(kāi)鉆井作業(yè)。

3.3 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)便是易于控制的、穩(wěn)定的、平衡的，特別是在鉆井過(guò)程中有氣體存在的情況下。連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)便是新型連接器，新型連接器可以設(shè)定并連續(xù)控制鉆井入口、出口的壓力以及鉆井液流量。在循環(huán)系統(tǒng)中，連接器接單根時(shí)可以有效避免鉆井液回流，且不單純依靠單向閥。經(jīng)實(shí)踐研究，單向閥作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，若技術(shù)人員在鉆井的過(guò)程中需二次建立循環(huán)系統(tǒng)則會(huì)影響井內(nèi)壓力，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)可以有效平衡壓力，并使得鉆井過(guò)程中的壓力梯度處于最佳狀態(tài)。

3.4 旋轉(zhuǎn)控制頭

在鉆井作業(yè)的過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)控制頭能夠有效密封井眼環(huán)以及鉆井空間，能夠保障安全精確的壓力控制。此外，在鉆桿或方鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，密封膠心也可隨之變動(dòng)，井眼內(nèi)若反出流體，可直接導(dǎo)出井口。運(yùn)用控制壓力鉆井技術(shù)可以有效保障鉆桿或方鉆頭的密封性，使井口始終保持壓力平衡，確保鉆井液無(wú)法噴上鉆臺(tái)，鉆井液可以從旁側(cè)流出，進(jìn)而保證控制壓力鉆井作業(yè)的正常運(yùn)行，合理把控環(huán)空回壓，在壓力值安全范圍內(nèi)開(kāi)展作業(yè)，有效避免井噴現(xiàn)象的發(fā)生。

4.技術(shù)研究趨勢(shì)

基于技術(shù)發(fā)展的要求，油氣井開(kāi)展鉆井作業(yè)的過(guò)程中，大量應(yīng)用控制壓力鉆井技術(shù)，能夠有效控制井身的壓力，達(dá)到安全鉆井、高效鉆井的目的。國(guó)外經(jīng)過(guò)反復(fù)的鉆井實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論，控制壓力鉆井技術(shù)相較于其他技術(shù)而言，更加高效、更加安全?？刂茐毫︺@井技術(shù)主要目的是合理把控井筒壓力，基于水力的摩阻、流體密度、井眼幾何特征以及鉆井液位使得井筒壓力能夠維持在破裂壓力以及地層孔縫壓力范圍之內(nèi)，做到近乎平衡的鉆井作業(yè)，能夠精準(zhǔn)把控地層流體進(jìn)入地眼，減少鉆井過(guò)程中出現(xiàn)卡鉆、井漏、井涌等問(wèn)題，契合常見(jiàn)油氣井窗口窄小的特性。

鉆井技術(shù)研究的新方向便是深入探索控制壓力鉆井技術(shù)，保證技術(shù)理念完善、實(shí)踐應(yīng)用成熟。使用密封系統(tǒng)能夠快速提升返回系統(tǒng)的鉆井液壓力，使得其在連續(xù)接方鉆桿或鉆桿的過(guò)程中保證壓力剖面平衡，避免鉆井液流入地層。過(guò)合理把控鉆井液壓力，強(qiáng)化鉆井控制，更加精準(zhǔn)把控鉆井壓力，使得鉆井液導(dǎo)流順暢，避免出現(xiàn)壓力鉆井作業(yè)中斷的情況，進(jìn)而保障油氣井的采收率。

新技術(shù)的研發(fā)與升級(jí)，能夠充分體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展理念，注重安全、環(huán)保方面的考慮，滿足安全發(fā)展、綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的要求，對(duì)于鉆井技術(shù)設(shè)計(jì)更加精細(xì)準(zhǔn)確，通過(guò)強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，減少人工作業(yè)部分，減少安全事故發(fā)生概率，最大程度保障人員、設(shè)備的安全。該技術(shù)通過(guò)新材料、新技術(shù)、人工智能、自動(dòng)控制技術(shù)、液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，強(qiáng)化多學(xué)科、多技術(shù)融合交叉，將計(jì)算機(jī)信息技術(shù)廣泛融入其中，使得控制壓力鉆井技術(shù)設(shè)備更加自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化，體現(xiàn)出自動(dòng)操作的優(yōu)越性。同時(shí)完善鉆井設(shè)備技術(shù)自動(dòng)化、集成化、智能化，從而改變傳統(tǒng)鉆井模式，提高鉆井的質(zhì)量和效率。目前設(shè)計(jì)人員對(duì)于控制壓力鉆井設(shè)備技術(shù)及品種設(shè)計(jì)更加多元化、系列化，研究出應(yīng)用于不同地區(qū)、不同條件、不同環(huán)境，能夠滿足不同井深、不同井況、不同井形要求的專業(yè)化鉆井設(shè)備，形成系列化鉆井設(shè)備，進(jìn)而擴(kuò)大控制壓力鉆井設(shè)備的作業(yè)范圍，大大提升設(shè)備的應(yīng)用性能，進(jìn)而提升鉆井的綜合效率。同時(shí)，技術(shù)人員要重視拓寬眼界，積極學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)鉆井研發(fā)理念，基于復(fù)雜地形進(jìn)行鉆井技術(shù)的深入研究與探索，強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用性與實(shí)踐性。

5.結(jié)語(yǔ)

控制壓力鉆井技術(shù)的研究，基于復(fù)雜地形鉆井作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，是理念的創(chuàng)新與技術(shù)的優(yōu)化，技術(shù)人員通過(guò)深入開(kāi)發(fā)新技術(shù)能夠在有效降低鉆井成本的同時(shí)提升鉆井效率。該技術(shù)應(yīng)用需要地面壓力控制設(shè)備、循環(huán)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等諸多壓力鉆井設(shè)備。隨著理念不斷完備、技術(shù)不斷升級(jí)，不同的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝將會(huì)更加適應(yīng)不同環(huán)境條件的要求，進(jìn)而提升鉆井的綜合質(zhì)量。