楊順輝

0 前言

隨著已發(fā)現(xiàn)油氣資源的日漸衰竭,對更深更復雜地層的勘探開發(fā)活動越來越多,而在鉆探這些深層復雜地層時,常常出現(xiàn)許多如井涌、井漏、有害氣體泄漏、卡鉆、起下鉆時間過長等鉆井復雜問題。采用欠平衡作業(yè) (Under balanced Operation,簡稱 UBO)和控制壓力鉆井 (Managed Pressure Drilling,簡稱MPD)技術可以有效地解決上述問題。欠平衡作業(yè)技術始于 20世紀 80年代,隨后迅速在世界各地推廣應用,該項技術隨著井口旋轉防噴器和井下控制閥的發(fā)展而得到了進一步的推廣,控制壓力鉆井技術最早于 2004年 I ADC/SPE阿姆斯特丹鉆井會議上被提出,該項技術更注重于井底壓力的精確控制,和欠平衡作業(yè)各有側重,由于這 2項技術可以有效解決多種井下復雜問題,降低非生產作業(yè)時間,因此目前在國內外得到了廣泛的應用。

根據(jù)早期的國際標準,UBO作業(yè)時按風險等級分為 6級,從 0級 (固有安全 )至 5級 (突然設備故障會導致直接嚴重后果)風險依次遞增。每級又細分為若干亞類。目前國內的欠平衡作業(yè)應用已經非常廣泛,我國也出臺了《欠平衡鉆井技術規(guī)范》(SY/T 6543.1-2008),而對于控制壓力鉆井這一新興技術目前國內尚無行業(yè)標準,且國內的分類也比較混亂,有的從用途出發(fā)將控制壓力鉆井分為 5級[1],有的從應用形式來分,將控制壓力鉆井分為井底常壓MPD、雙梯度 MPD、加壓泥漿帽 MPD等[2]。分類形式的混亂不利于廣大石油工作者對該項技術的進一步認識,更不利于國際交流。國際鉆井承包商協(xié)會(I

ADC)下屬的 UBO/MPD委員會對這兩種技術按照風險等級、作業(yè)類別和流體系統(tǒng)進行了分類,共分為 6級、3類、5種,采用此種分類方法能更深入的了解技術內涵,同時能按統(tǒng)一標準進行國際間的交流與合作。

1 I ADC關于欠平衡作業(yè)和控制壓力鉆井的分類

國際鉆井承包商協(xié)會關于欠平衡作業(yè)和控制壓力鉆井的分類主要是描述風險等級、應用類別和流體系統(tǒng),油井分類主要依據(jù):

(1)風險等級 (0～5);

(2)應用類別 (A、B或 C);

(3)流體系統(tǒng) (1～5)。

這種分類系統(tǒng)主要是為確定最小的設備需求、特殊的操作程序以及安全管理措施提供一個框架。補充材料包括 I ADC欠平衡作業(yè) HSE指南以及其它相關文件。

1.1 風險等級

通常風險隨著作業(yè)的復雜性和油井產能的提高而增加,下面的例子僅僅提供指導性說明。

0級——僅僅提高鉆井效率,不涉及油氣層。例如利用空氣鉆井提高機械鉆速。

1級——油井靠自身壓力無法流到地面。油井是穩(wěn)定的并且從井控的角度來看風險較低。例如低于正常壓力系統(tǒng)的油井。

2級——油井依靠自身壓力可以流到地面,但是可以通過常規(guī)的壓井方法進行控制。如果發(fā)生災難性的設備失效僅能帶來有限的影響。例如異常壓力水層、低產的油井或氣井。

3級——地熱井和不產油氣的井。最大預計關井壓力小于欠平衡作業(yè)/控制壓力鉆井設備的承壓能力。包括含硫化氫的地熱井。

4級——含油氣地層。最大預計關井壓力小于欠平衡作業(yè)/控制壓力鉆井設備的承壓能力。如果發(fā)生災難性設備失效可能會導致嚴重后果。例如高壓或高產油藏、酸性油氣井、海洋環(huán)境、同時鉆井和生產的作業(yè)。

5級——最大預計關井壓力大于欠平衡作業(yè) /控制壓力鉆井設備的承壓能力。如果發(fā)生災難性設備失效可能會立即導致嚴重后果。例如任何最大預計關井壓力大于欠平衡作業(yè)/控制壓力鉆井設備承壓能力的井。

1.2 應用類別

A類——控制壓力鉆井,泥漿返回到地面,保持環(huán)空內當量泥漿密度等于或大于裸眼井段孔隙壓力。

B類——欠平衡作業(yè),流體返回到地面,保持環(huán)空內當量流體液密度小于裸眼井段孔隙壓力。

C類——泥漿帽鉆井 (MCD),泥漿和巖屑進入漏失地層而無法返回到地面,在漏失層上面的環(huán)空內保持一段泥漿液柱。

1.3 流體系統(tǒng)

(1)氣體——氣體作為流動介質,沒有液體進入。

(2)霧狀流——有液體進入,氣體為連續(xù)相,典型的霧狀流液體小于 2.5%。

(3)泡沫——液體為連續(xù)相的兩相流,泡沫來源于液體中添加的表面活性劑和氣體。典型的泡沫包含 55%到 97.5%的氣體。

(4)充氣液體——流體中還有氣泡的鉆井液體系。

(5)液體——鉆井液中僅含有單相液體。

如果一口井采用MPD方式,流體系統(tǒng)選擇液體且最大預計關井壓力大于欠平衡作業(yè)/控制壓力鉆井設備的承壓能力,則這口井被分為:5級,A類,流體類型 5,或者 5A5。

2 欠平衡作業(yè)方式的選擇

欠平衡作業(yè)是指在鉆井過程中,井筒環(huán)空中循環(huán)介質的井底壓力低于地層孔隙壓力,允許地層流體有控制的進入井筒,并將其循環(huán)到地面進行有效處理的鉆井技術[3,4]。從上面描述可以看出,欠平衡作業(yè)和常規(guī)鉆井作業(yè)最大的區(qū)別在于井底壓力低于地層孔隙壓力,地層有流體產出,該項技術在提高勘探開發(fā)水平、降低作業(yè)成本、保護油氣層等許多方面具有極大的優(yōu)勢。

2.1 欠平衡作業(yè)的優(yōu)點與局限性

2.1.1 欠平衡作業(yè)的優(yōu)點

首先該項技術能有效地減少地層傷害,在欠平衡作業(yè)過程中驅使鉆井液中固相和液相進入地層的正壓差消除了,因此有效地減少了有害物質對近井地帶的污染,保護了油氣層。其次由于井底壓力低于地層的孔隙壓力,避免了井漏現(xiàn)象的發(fā)生,特別是對于低壓、有裂縫或溶洞的高滲油氣藏,能夠有效的降低作業(yè)成本,同時減少了壓差卡鉆事故的發(fā)生。另外利用欠平衡鉆井過程中“邊鉆邊噴”的特性可以在鉆井階段就對油氣藏進行評價,求取產液指數(shù)、滲透率等油藏特性參數(shù)。欠平衡作業(yè)在提高機械鉆速方面也表現(xiàn)突出,特別是在空氣或泡沫鉆井過程中和鉆井液鉆井相比機械鉆速能提高 4～10倍,低密度鉆井液也可以提高機械鉆速 20%～40%。

2.1.2 欠平衡作業(yè)的局限性

欠平衡作業(yè)的局限性主要表現(xiàn)在井壁失穩(wěn),鉆井液易受到污染,對于產氣的井容易發(fā)生井下著火和井下爆炸,嚴重時甚至發(fā)生鉆桿和鉆鋌斷裂,導致井下惡性事故的發(fā)生。另外采用欠平衡作業(yè)對井控也要求更高,產出物的速度過大,地面設備的處理能力以及旋轉防噴器的控制回壓過高等一系列因素都使得欠平衡作業(yè)的井控相對于普通的井控有更高的設備要求和技術要求。

2.2 欠平衡作業(yè)方式的優(yōu)選

欠平衡作業(yè)主要應用于油氣田的評價與開發(fā),然而并非所有的油氣井都適合欠平衡作業(yè),在對一口井進行欠平衡作業(yè)前必須經過詳細的論證,國際大型石油公司如 Weathford、BP、Schlumberger等都有一套嚴格的篩選程序,對多種因素進行綜合評價分析,包括:地層的傷害機理、井壁穩(wěn)定性、井漏程度預測、地層孔隙壓力和坍塌壓力、地層流體及施工風險,Schlumberger公司還對欠平衡作業(yè)的增產效果進行預測為欠平衡鉆井的經濟性提供數(shù)據(jù)支持。

當確定能使用欠平衡作業(yè)后,進而對井口設備和流體類型進行優(yōu)選,通常氣體包括空氣、天然氣和氮氣鉆井密度適用范圍 0.001～0.01 g/cm3;霧狀流密度適用范圍 0.01～0.03 g/cm3;泡沫密度適用范圍 0.03～0.6 g/cm3;充氣液體密度適用范圍 0.6～1.0 g/cm3;液體密度大于 1.0 g/cm3。

3 控制壓力鉆井和欠平衡作業(yè)的對比分析

國際鉆井承包商協(xié)會控制壓力鉆井分委員會將MPD定義為“是一種應用鉆井工藝,用于精確控制整個井眼的環(huán)空壓力分布,其目的是確定井下壓力窗口,并根據(jù)壓力窗口控制環(huán)空壓力分布?！痹摷夹g主要是通過對回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合控制,使整個井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間,進行平衡或近平衡鉆井,有效控制地層流體侵入井眼,減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復雜情況,非常適宜孔隙壓力和破裂壓力窗口較窄的地層作業(yè)。

控制壓力鉆井和欠平衡作業(yè)有著類似之處,許多 UBO設備同樣適用于MPD作業(yè),且MPD發(fā)展初期主要依靠 UBO理論和設備,但是這兩種工藝從應用目的、設備配置、工藝方法與地質工程效果等方面均有一定區(qū)別。

(1)兩種工藝技術對井底壓力大小的控制不一樣。MPD方式下井底壓力大于或等于地層的孔隙壓力,而UBO方式下井底壓力小于地層的孔隙壓力,這樣就導致了在MPD鉆井過程中地層沒有流體產出,而 UBO方式則是“邊噴邊鉆”。

(2)兩種工藝技術的施工目的不一樣。UBO鉆井主要解決儲層傷害問題,提高機械鉆速;而 MPD則是一種解決鉆井復雜問題的作業(yè)方法,主要是為了解決窄安全密度窗口帶來的井漏、井塌、卡鉆、井涌等井下復雜問題,因為作業(yè)時采用閉式壓力控制系統(tǒng),更適合于控制井涌,通過動態(tài)壓力控制或自動節(jié)流控制,可以快速控制地層流體侵入井內,安全性高。

(3)UBO和MPD所需設備存在一定區(qū)別。大多數(shù)情況下,UBO設備可用于MPD,而為MPD所設計的分離設備的處理能力較小,但其它配套設備更為復雜。UBO鉆井中所采用的輔助流動管線、儲備罐及地質取樣設備在MPD鉆井中不需要,MPD還需增加密閉循環(huán)系統(tǒng)、CCS、舉升泵等,以精確控制井底壓力。

(4)UBO能夠獲得地層地質特征參數(shù)與綜合地質分析;而MPD是將地層流體壓制在地層中,因此對產層的識別以及巖石物性不能直接進行評估,但可通過隨鉆測井 (LWD)和隨鉆測量 (MWD)儀進行儲層評估[5,6]。

4 控制壓力鉆井適應性評價

通過對MPD和UBO兩種鉆井工藝的對比分析可以看出,MPD鉆井工藝技術更注重對井底壓力的精確控制,主要適用于鉆井液密度窗口小的井況條件,主要包括衰竭油藏的調整井、含有多套壓力層系,噴漏同時出現(xiàn)的裸眼段以及海上復雜地層的鉆進。

5 結語

采用 I ADC關于欠平衡作業(yè)和控制壓力鉆井的分類方法有助于這兩項技術的國際合作和進一步推廣應用,在實際應用前應針對具體的井況、層位進行詳細的論證分析,最大限度地發(fā)揮兩種工藝技術的特點,選擇合適的鉆井方式。

[1] 周英操,崔猛,查永進.控壓鉆井技術探討與展望[J].石油鉆探技術,2008,36(4):1-4.

[2] 王果,樊洪海,劉剛,等.控制壓力鉆井技術應用研究[J].石油鉆探技術,2009,37(1):34-38.

[3] 楊虎,王立國.欠平衡鉆井基礎理論與實踐[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[4] 周英操,翟洪軍.欠平衡鉆井技術與應用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2003.

[5] 向雪琳,朱麗華,單素華,等.國外控制壓力鉆進技術[J].鉆采工藝,2009,32(1):27-30.

[6] 朱麗華.控制壓力鉆井技術與欠平衡鉆井技術的區(qū)別[J].鉆采工藝,2008,31(5):136.