冮 鵬，韓 亮，耿立軍，王 琛，劉成杰

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300450）

1 概述

隨著渤海油田開發(fā)的快速發(fā)展，更多的儲(chǔ)量被探明，所遇到的復(fù)雜地層和異常壓力體系也隨之增多，其中中深部地層的異常高壓為鉆井作業(yè)帶來更大的挑戰(zhàn)及風(fēng)險(xiǎn)。異常高壓地層特點(diǎn)是在揭開異常高壓層后地層壓力迅速升高，三壓力剖面窗口變窄，鉆井過程中易發(fā)生噴漏同層等復(fù)雜情況，處理不及時(shí)易導(dǎo)致嚴(yán)重井下事故。

針對(duì)異常高壓地層特點(diǎn)，需采取精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，精確控制整個(gè)作業(yè)井段環(huán)空壓力。根據(jù)地層壓力變化精細(xì)調(diào)控井底壓力，避免地層流體連續(xù)進(jìn)入井筒，在偶爾發(fā)生油氣侵時(shí)通過調(diào)節(jié)環(huán)空壓力即可控制井底壓力和防止地層流體進(jìn)一步侵入［1］。通過采用一系列設(shè)備和工藝，合理控制鉆井參數(shù)，人為地動(dòng)態(tài)控制環(huán)空壓力，達(dá)到快速控制井底壓力，避免地層壓力窗口窄帶來的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和困難，實(shí)現(xiàn)異常高壓地層安全鉆井作業(yè)［2］。

2 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前精細(xì)控壓鉆井技術(shù)作為一種能夠精確控制環(huán)空壓力剖面，安全鉆進(jìn)窄密度窗口地層的技術(shù)手段，已在陸地的塔里木、四川、冀東等地區(qū)取得了良好的應(yīng)用效果，獲得了石油勘探開發(fā)行業(yè)的認(rèn)可［3］。其中2014－2017 年6 月，磨溪－高石梯區(qū)塊燈影組儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)控壓鉆井作業(yè)12 口井，有效解決了該區(qū)塊壓力系數(shù)低，密度窗口窄，井底壓力高，鉆進(jìn)過程中井漏、氣侵頻繁交替發(fā)生的難題［4］。在南海鶯瓊盆地也取得了成功應(yīng)用，解決了其壓力過渡帶短、起壓快，壓力窗口窄，過高的鉆井液密度導(dǎo)致地層塑性增強(qiáng)、機(jī)械鉆速低等難題［5］。

3 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在L 井的應(yīng)用

3.1 L 井作業(yè)概況

L 井為四開井身結(jié)構(gòu)，一開16 in（1 in＝25.4 mm，下同）井眼下20 in（一開上部40～50 m 松散層因沖蝕井徑會(huì)增大）×in 套管；二開in 井眼下in 套管；三開in 井眼下7 in 尾管；四開6 in井眼（參見圖1）。

圖1 L 井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Well L structure

L 井目的層為中生界潛山，實(shí)鉆驗(yàn)證存在異常高壓，三壓力窗口窄。采用6 in 井眼鉆進(jìn)，使用1.10 g/cm3無固相鉆井液鉆進(jìn)至3317 m 發(fā)現(xiàn)溢流，停止鉆進(jìn)，立即硬關(guān)井，循環(huán)池液面增加0.75 m3，套壓7.80 MPa，立壓6.50 MPa。計(jì)算地層孔隙壓力當(dāng)量密度為1.30 g/cm3。工程師法壓井，一次壓井成功，后續(xù)使用密度為1.33 g/cm3鉆井液繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至3368 m 發(fā)生失返性漏失，最終進(jìn)行打水泥塞作業(yè)封固漏層，進(jìn)行回填側(cè)鉆作業(yè)，側(cè)鉆井眼使用精細(xì)控壓設(shè)備控制井底壓力。

3.2 精細(xì)控壓地面設(shè)備

精細(xì)控壓地面設(shè)備由自動(dòng)節(jié)流管匯、回壓泵系統(tǒng)、液氣控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制及應(yīng)用軟件5 部分組成［6］。見圖2。

圖2 精細(xì)控壓地面設(shè)備流程Fig.2 Flow chart of fine pressure control surface equipment

精細(xì)控壓地面設(shè)備參數(shù)與功能：

（1）自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)，額定壓力35 MPa，節(jié)流度壓力0.35 MPa，工作壓力10 MPa，包括主節(jié)流通道、備用節(jié)流通道、輔助節(jié)流通道，可以自動(dòng)切換。具有自動(dòng)節(jié)流、節(jié)流切換、安全報(bào)警、出口流量監(jiān)測(cè)等功能，能夠適應(yīng)復(fù)雜工況的控壓鉆井作業(yè)［7］。見圖3。

圖3 自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)Fig.3 Automatic throttle system

（2）回壓泵系統(tǒng)，額定壓力35 MPa，額定流量7 L/s，能夠進(jìn)行高精度的入口流量監(jiān)測(cè)，在循環(huán)或停泵的作業(yè)過程中進(jìn)行流量補(bǔ)償，維持節(jié)流閥有效的節(jié)流功能，適應(yīng)復(fù)雜工況的控壓鉆井作業(yè)中壓力補(bǔ)償要求［8］。見圖4。

圖4 回壓泵系統(tǒng)Fig.4 Back pressure pump system

（3）液氣控制系統(tǒng)，最大工作壓力10.5 MPa，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間＜1 s，接收自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作指令并進(jìn)行處理，同時(shí)向下位機(jī)發(fā)送指令，來實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)流閥和平板閥的自動(dòng)控制。

（4）監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制精度2‰，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間＜1 s，由地面壓力傳感器、溫度傳感器、泵沖傳感器、流量計(jì)、錄井傳感器等構(gòu)成，采用現(xiàn)場(chǎng)裝置、控制器、上位計(jì)算機(jī)控制的三層遞階控制結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定［9］。

（5）自動(dòng)控制軟件，由參數(shù)采集與檢測(cè)、實(shí)時(shí)水力學(xué)計(jì)算、遠(yuǎn)處自動(dòng)控制3 個(gè)軟件構(gòu)成，具有壓力保護(hù)、工況報(bào)警等功能，水力模型實(shí)時(shí)校正，計(jì)算誤差在0.2 MPa 內(nèi)，完成與其他系統(tǒng)之間的通訊及數(shù)據(jù)交互，向液氣控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的調(diào)整指令，監(jiān)控指令的執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)閥門的平穩(wěn)控制［10］。見圖5。

圖5 自動(dòng)控制軟件界面Fig.5 Automatic control software interface

3.3 控壓鉆井水力參數(shù)模擬

3.3.1水力學(xué)模擬［11］

模擬參數(shù)見表1。

表1 模擬參數(shù)Table 1 Simulation parameters

（1）模擬狀態(tài)：鉆頭位置3318 m，排量為1000 L/min，環(huán)空壓耗為1.27 MPa，不同密度（1.10～1.20 g/cm3）、井口回壓（0～5 MPa）條件下井底ECD（井底鉆井液當(dāng)量密度）區(qū)間見圖6。

圖6 3318 m 排量1000 L/min 控壓鉆井模擬Fig.6 Pressure control drilling simulation with displacement of 1000L/min at 3318m

（2）模擬狀態(tài)：鉆頭位置3318 m，排量為0 L/min，不同密度（1.10～1.20 g/cm3）、井口回壓（0～5 MPa）條件下井底ECD 區(qū)間見圖7。

圖7 3318 m 靜止?fàn)顟B(tài)控壓鉆井模擬Fig.7 Pressure control drilling simulation under the static state at 3318m

（3）模擬狀態(tài)：鉆頭位置3625 m，排量為1000 L/min，環(huán)空壓耗為1.85 MPa，不同密度（1.10～1.20 g/cm3）、井口回壓（0～5 MPa）條件下井底ECD區(qū)間見圖8。

圖8 3625 m 排量1000 L/min 控壓鉆井模擬Fig.8 Pressure control drilling simulation with displacement of 1000L/min at 3625m

（4）模擬狀態(tài)：鉆頭位置3625 m，排量為0 L/min，不同密度（1.10～1.20 g/cm3）、井口回壓（0～5 MPa）條件下井底ECD 區(qū)間見圖9。

圖9 3625 m 靜止?fàn)顟B(tài)控壓鉆井模擬Fig.9 Pressure control drilling simulation under the static state at 3625m

3.3.2鉆井液密度與井口控壓值

（1）井深3318～3625 m，計(jì)算環(huán)空壓耗為1.23～1.25 MPa（見表2）。

表2 鉆井液當(dāng)量密度及控壓設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Drilling fluid equivalent density and pressure control design results

（2）本井根據(jù)實(shí)鉆數(shù)據(jù)，6 in 井眼開鉆地層孔隙壓力當(dāng)量密度≯1.30 g/cm3，3368 m 之后井段地層存在漏失，井漿密度1.33 g/cm3發(fā)生漏失。

（3）本井安全窗口極窄（小于0.03 g/cm3，當(dāng)前實(shí)鉆數(shù)據(jù)計(jì)算），甚至隨著鉆進(jìn)可能出現(xiàn)零窗口或負(fù)窗口。為保證井口、平臺(tái)安全，控壓策略采取平衡高壓油氣層，井口施加回壓維持井底當(dāng)量密度1.30 g/cm3鉆進(jìn)，必要時(shí)井底微漏鉆進(jìn)［12］。

（4）井口設(shè)備的最大承壓能力：RCD 膠芯最大動(dòng)壓10.5 MPa，取30%的安全余量；確定井口回壓最大不超過7 MPa，再取30%安全余量，井口控壓不超過5 MPa［13］。

3.4 精細(xì)控壓鉆井參數(shù)控制

3.4.13318～3368 m 控制參數(shù)

6 in 井眼開鉆使用1.20 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)，井口循環(huán)控壓2 MPa，維持井底當(dāng)量密度1.30 g/cm3鉆進(jìn)，密切觀察泵入、返出流量，實(shí)現(xiàn)近平衡控壓鉆進(jìn)。

3.4.23368～3625 m 不同工況控制參數(shù)

3.4.2.1發(fā)生漏失

（1）鉆至3368 m，密切觀察出口流量，如發(fā)生漏失時(shí)則調(diào)低井口回壓0.6 MPa，井底當(dāng)量密度維持在1.28 g/cm3，觀測(cè)漏速，漏失量＜1 m3/h，則維持當(dāng)前工藝參數(shù)不變，繼續(xù)鉆進(jìn)。

（2）漏失量1～2 m3/h，采取隨鉆堵漏措施，進(jìn)行1 個(gè)循環(huán)后如果漏失量＜1 m3/h，則按照（1）步驟參數(shù)鉆進(jìn)；如果漏速不改變，則降低泵排量至700～800 L/min，但須維持井底當(dāng)量密度≮1.28 g/cm3鉆進(jìn)。

（3）漏失量＞2 m3/h，退出控壓鉆井流程，進(jìn)行堵漏作業(yè)。

3.4.2.2未發(fā)生漏失

鉆至3368 m，密切觀察出口流量，未發(fā)現(xiàn)漏失，井口回壓2～1.8 MPa 調(diào)節(jié)，保持井底當(dāng)量密度1.30 g/cm3，繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深。

4 作業(yè)措施及效果

4.1 控壓鉆進(jìn)作業(yè)措施［14］

（1）調(diào)整鉆井液性能至規(guī)定值，鉆井過程中保持鉆井液性能穩(wěn)定，如有變化及時(shí)匯報(bào)。

（2）正常鉆進(jìn)保持井底ECD＝1.28～1.30 g/cm3，同時(shí)進(jìn)行微流量監(jiān)測(cè)。

（3）控壓鉆進(jìn)期間，發(fā)現(xiàn)出口流量上升，每5 min記錄一次液面，發(fā)現(xiàn)液面±0.2 m3以上，則加密監(jiān)測(cè)。通過微溢流監(jiān)測(cè)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與井隊(duì)、錄井三方的聯(lián)合監(jiān)測(cè)做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流和井漏。

（4）發(fā)現(xiàn)溢流，按照一次0.5 MPa 增加井口壓力，觀察5 min，觀察出入口流量的變化，直至溢流停止。在此過程中，加強(qiáng)觀察液面變化情況。若地層對(duì)井口壓力變化極其敏感，可縮小一次調(diào)整壓力的值，若井口壓力＞3 MPa，則考慮提高鉆井液密度0.01～0.02 g/cm3。

（5）發(fā)現(xiàn)漏失，根據(jù)出入口流量差值及鉆井液液面變化情況測(cè)出鉆井液漏速，采取合適的堵漏方式進(jìn)行堵漏作業(yè)。

（6）實(shí)施控壓鉆井作業(yè)過程中，密切注意控壓設(shè)備工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，無法進(jìn)行正?？貕鹤鳂I(yè)，應(yīng)立即轉(zhuǎn)入常規(guī)鉆井或者常規(guī)井控裝備。

4.2 接立柱作業(yè)措施

（1）每柱作業(yè)結(jié)束，按照控壓鉆井排量循環(huán)劃眼5～10 min，上提到接立柱位置坐吊卡，準(zhǔn)備接立柱。上提鉆具要緩慢，避免產(chǎn)生過大的井底壓力波動(dòng)。

（2）根據(jù)地層壓力預(yù)測(cè)值或?qū)崪y(cè)值設(shè)定合理的井底壓力控制目標(biāo)值，確定停止循環(huán)立柱狀態(tài)下需要補(bǔ)償?shù)木趬毫Γ话丛O(shè)定排量啟動(dòng)回壓補(bǔ)償裝置，進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

（3）司鉆緩慢降低泵排量至0 L/s。

（4）泄掉鉆桿和立管內(nèi)的圈閉壓力，確認(rèn)立壓為0 MPa 后再卸扣接單根。

（5）立柱接完后緩慢開泵，逐漸增加泥漿泵排量至鉆進(jìn)排量?？貕恒@井工程師相應(yīng)調(diào)整井口壓力，?；貕罕?。

（6）循環(huán)下放鉆具，恢復(fù)鉆進(jìn)。下放鉆具要緩慢，避免產(chǎn)生過大的井底壓力波動(dòng)。

4.3 控壓起鉆［15］

（1）計(jì)算需要的泥漿帽深度、體積、密度、井口壓力降低步驟。

（2）充分循環(huán)，保證井眼清潔。在此期間活動(dòng)鉆桿時(shí)，鉆具接頭通過旋轉(zhuǎn)控制頭的速度＜2 m/min。

（3）啟動(dòng)自動(dòng)節(jié)流管匯和回壓補(bǔ)償裝置在井口壓力控制模式下，保持井底壓力。

（4）準(zhǔn)備停泵，調(diào)節(jié)井口套壓，保持穩(wěn)定的井底壓力。鉆具內(nèi)泄壓為0 MPa 之后，卸頂驅(qū)。

（5）通過回壓補(bǔ)償裝置控壓起鉆至預(yù)定深度，核實(shí)鉆井液灌入量，保證實(shí)際鉆井液灌入量不小于理論灌入量，否則適當(dāng)提高套壓控制值。

（6）連接頂驅(qū)，準(zhǔn)備打入隔離液。啟動(dòng)泥漿泵，停止回壓補(bǔ)償裝置，控壓鉆井工程師調(diào)節(jié)井口套壓，保證井底壓力大于地層壓力。

（7）隔離液頂替至預(yù)定深度，啟動(dòng)回壓補(bǔ)償裝置，停泵，卸鉆具內(nèi)壓力為0 MPa 之后卸頂驅(qū)，控壓起鉆至隔離液段頂部。

（8）連接頂驅(qū)，準(zhǔn)備重漿。啟動(dòng)泥漿泵，停止回壓補(bǔ)償裝置，控壓鉆井工程師確定井口壓力降低步驟和頂替排量，保持井底壓力連續(xù)穩(wěn)定。

（9）按照頂替方案注入重泥漿返至地面，井口套壓降為0 MPa。要求返出的泥漿與設(shè)計(jì)的重泥漿密度偏差為0.01 g/cm3，觀察30 min 井口無外溢之后，拆掉旋轉(zhuǎn)總成，裝上防溢管。

（10）按照常規(guī)方式起鉆鉆完，關(guān)閉全封閘板。

4.4 控壓下鉆［15］

（1）下鉆之前，計(jì)算所需控壓鉆井液體積、頂替鉆井液時(shí)井口壓力提高步驟和頂替體積量，準(zhǔn)備泥漿罐回收泥漿帽。

（2）確認(rèn)套壓為0 MPa 之后，打開全封閘板防噴器。

（3）下鉆，對(duì)工具進(jìn)行淺層測(cè)試。

（4）常規(guī)下鉆至隔離液段底部。控制下鉆速度，減少“激動(dòng)”壓力。

（5）接上頂驅(qū)，準(zhǔn)備循環(huán)控壓鉆井液。拆防溢管，安裝帶壓起下鉆控制頭。

（6）按照頂替方案泵入控壓鉆井液替出重泥漿。期間按照計(jì)算的井口壓力提高步驟和頂替體積量的關(guān)系，逐漸提高井口套壓。

（7）頂替結(jié)束后，啟動(dòng)回壓補(bǔ)償裝置，停止循環(huán)，保持合適的井口壓力，泄鉆具內(nèi)壓力為0 MPa 之后卸頂驅(qū)。

（8）通過回壓補(bǔ)償裝置及自動(dòng)節(jié)流管匯控壓下鉆至井底，接頂驅(qū)，啟動(dòng)泥漿泵，停止自動(dòng)回壓補(bǔ)償裝置，將自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到井底壓力控制模式。

（9）下鉆期間，每下入5～10 柱，灌滿控壓鉆井液一次，記錄鉆井液的返出量，要求實(shí)際返出量不大于理論返出量。

4.5 L 井側(cè)鉆井眼作業(yè)效果

6 in 井眼鉆水泥塞至3402.51 m（3403 m 進(jìn)入新地層），控壓監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)溢流，停止鉆進(jìn)，立即硬關(guān)井，循環(huán)池液面增加1 m3。求取套壓6.50 MPa，立壓5.50 MPa。計(jì)算地層孔隙壓力當(dāng)量密度為1.31 g/cm3。工程師法壓井作業(yè)，一次壓井成功。最終順利控壓鉆進(jìn)至完鉆深度3508 m，進(jìn)行電測(cè)及測(cè)試作業(yè)。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)異常高壓地層，采用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，可以精確控制整個(gè)作業(yè)井段環(huán)空壓力，根據(jù)地層壓力變化精細(xì)調(diào)控井底壓力，避免地層流體連續(xù)進(jìn)入井筒，在偶爾發(fā)生油氣侵時(shí)通過調(diào)節(jié)環(huán)空壓力即可控制井底壓力和防止地層流體進(jìn)一步侵入。

（2）針對(duì)L 井上噴下漏的特點(diǎn)，采用精細(xì)控壓技術(shù)，配合精細(xì)控壓地面設(shè)備，通過水力模擬計(jì)算，設(shè)置合理的控壓參數(shù)，采取控壓鉆進(jìn)、接立柱、起下鉆等措施，成功實(shí)施L 井側(cè)鉆井眼作業(yè)，為異常高壓地層的勘探提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。