靳 楠 隋成龍 劉曉民

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300450；2.中海油服一體化和新能源事業(yè)部工程技術(shù)作業(yè)中心，天津 300450）

0 引言

在渤海油田的勘探過(guò)程中，隨著鉆井井?dāng)?shù)不斷增多，深度也逐漸加深，特別是裸眼段越來(lái)越長(zhǎng)。在鉆井過(guò)程中，當(dāng)在同一裸眼井段存在窄壓力窗口復(fù)雜地層時(shí)，通常采取提高鉆井液密度以平衡地層壓力的工序時(shí)，極易引發(fā)薄弱井段井漏等事故[1]；當(dāng)降低鉆井液密度時(shí)又容易導(dǎo)致高壓層溢流和井涌等事故發(fā)生，同一裸眼井段發(fā)生“上涌下漏”、“上漏下涌”、“漏涌同層”等復(fù)雜情況的記錄明顯增多，嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)安全和時(shí)效。另外，對(duì)渤海油田一些進(jìn)入中后期的開發(fā)井，由于長(zhǎng)期注水開發(fā)，因此導(dǎo)致注入量和采出量嚴(yán)重的失衡，地層孔隙壓力和漏失壓力紊亂，嚴(yán)重破壞了原始地層壓力系統(tǒng)，并形成了窄壓力窗口復(fù)雜地層，而對(duì)類地層的側(cè)鉆井施工過(guò)程中如果繼續(xù)采用常規(guī)同一密度的鉆井液則難以保證該井段的安全鉆井，同時(shí)也給鉆井液作業(yè)和儲(chǔ)層保護(hù)工作帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)[2]。因此，尋找合適的鉆井技術(shù)以提升渤海油田鉆井時(shí)效刻不容緩。

1 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)

精細(xì)控壓鉆井是在鉆井過(guò)程中利用旋轉(zhuǎn)控制頭密封井口，在出口管線上增加節(jié)流控制裝置，用于調(diào)整井口回壓，穩(wěn)定井底壓力的鉆井技術(shù)。其可以有效減少因工況變化引起的井底壓力波動(dòng)，是解決深層復(fù)雜地質(zhì)情況鉆井及窄壓力窗口鉆完井難題的最有效方法。

2 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)

常規(guī)鉆井其關(guān)鍵控制參數(shù)為井底壓力=靜液壓力+環(huán)空壓耗+激動(dòng)壓力-抽汲壓力。當(dāng)應(yīng)用常規(guī)鉆井井下工況變化發(fā)生時(shí)，井底壓力就會(huì)隨之變化，并引起井漏或井塌[3]。例如停泵起鉆時(shí)井底壓力因抽汲作用降低，有可能引起井壁坍塌，或者下鉆到底后正常，開泵環(huán)空壓耗增加導(dǎo)致井漏。

精細(xì)控壓鉆井技術(shù)作為目前應(yīng)對(duì)窄壓力窗口復(fù)雜地層鉆井/固井最有效的技術(shù)手段，其關(guān)鍵控制參數(shù)為井底壓力=靜液壓力+環(huán)空壓耗+激動(dòng)壓力-抽汲壓力+井口回壓?？梢钥闯隹貕恒@井中的1 個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)就是調(diào)整井口回壓來(lái)穩(wěn)定井底壓力并使其處于安全窗口內(nèi)。這是由于控壓鉆井使用較常規(guī)鉆井低的鉆井液密度進(jìn)行鉆井施工，通過(guò)井口施加回壓保證井底壓力平衡地層壓力（大于坍塌壓力），當(dāng)鉆井工況變化時(shí)，環(huán)空壓耗或者抽汲壓力等壓力也會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)調(diào)整井口回壓，使井底壓力穩(wěn)定并始終處于安全窗口內(nèi)，從而防止因井底壓力波動(dòng)引起井漏或者井塌。

3 實(shí)現(xiàn)精細(xì)控壓鉆井的關(guān)鍵設(shè)備

海上油田的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境極為特殊，如果采用精細(xì)控壓技術(shù)，就必須要保證鉆井設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定可靠[4]。為此，針對(duì)海上平臺(tái)空間狹小的問題進(jìn)行改進(jìn)，形成了適合與海上平臺(tái)作業(yè)相適應(yīng)的精細(xì)控壓鉆井設(shè)備系統(tǒng)（如圖1 所示）。

圖1 自升式鉆井平臺(tái)精細(xì)控壓鉆井設(shè)備連接示意圖

3.1 旋轉(zhuǎn)控制頭

對(duì)接優(yōu)化，采用整體式旋轉(zhuǎn)控制頭，材質(zhì)滿足H2S 酸性氣體井服務(wù)。旋轉(zhuǎn)控制頭密封膠芯的材質(zhì)是氨基甲酸乙酯并且使用Kevlar 聚合物高強(qiáng)纖維尼龍復(fù)合材料做加強(qiáng)涂層，使用時(shí)間是常規(guī)膠芯的3 倍。旋轉(zhuǎn)控制頭軸承總成靜密封工作壓力35 MPa，100 r/min 下的動(dòng)密封工作壓力是17.5 MPa，200 r/min 下的動(dòng)密封工作壓力是10.5 MPa。旋轉(zhuǎn)控制頭潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)全過(guò)程使用油對(duì)旋轉(zhuǎn)控制頭進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，不使用水冷卻，便于操作和維修保養(yǎng)。下法蘭型號(hào)35-35，通過(guò)變徑法蘭與環(huán)形防碰器連接，通徑350mm，卡箍關(guān)緊壓力21MPa，打開壓力≤7.5MPa，注油泵壓力20MPa，總功率8kW。

優(yōu)化改進(jìn)研發(fā)的海洋平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)控制頭（如圖2 所示），具有以下6 個(gè)特點(diǎn)：①防溢管與旋轉(zhuǎn)總成安裝互不干擾，大大降低更換旋轉(zhuǎn)總成的時(shí)間和降低安全風(fēng)險(xiǎn)。②整個(gè)控壓鉆井過(guò)程中防溢管只安裝一次，節(jié)約井口時(shí)間。③防溢管安裝完成以后不拆卸，避免泥漿泄露，降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。④通徑由192 增至230 mm；⑤采用自潤(rùn)滑降溫系統(tǒng)及獨(dú)特軸承接頭，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)220 r/min。⑥可用于半潛式平臺(tái)的控壓鉆井。

圖2 海洋型旋轉(zhuǎn)控制頭

3.2 自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)

使用控壓儀器，將數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，可對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體流程如下：鉆井液等流體從井內(nèi)返出后，要經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)控制頭及控壓自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)，自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)通過(guò)控制自動(dòng)節(jié)流閥開度的大小，調(diào)整施加的井口回壓，調(diào)整壓力變化，從而保持穩(wěn)定地預(yù)設(shè)井底壓力?？刂葡到y(tǒng)額定工作壓力35 MPa，節(jié)流閥具有自動(dòng)控制功能和手動(dòng)操作功能。自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)還安裝質(zhì)量流量計(jì)，以測(cè)量出口流量?？貕涸O(shè)備自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)包括手動(dòng)控制面板、進(jìn)程邏輯控制器、操作面板、報(bào)警設(shè)置和2 個(gè)相互連通的節(jié)流閥（節(jié)流閥A、B 全開通徑為?76.2 mm），節(jié)流閥的額定工作壓力為35 MPa，通徑103 mm，節(jié)流閥最小控制精度0.07 MPa（10 psi）。

3.3 PWD 隨鉆測(cè)壓工具

PWD 隨鉆測(cè)壓工具基于壓阻效應(yīng)，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以精準(zhǔn)測(cè)得連續(xù)實(shí)時(shí)的井底壓力，通過(guò)MWD 將信號(hào)傳輸至控壓鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)井底壓力進(jìn)行調(diào)整，從而更精確地控制井下壓力，保持穩(wěn)定的井底壓力，提高作業(yè)的安全性（如圖3 所示）。

圖3 PWD 隨鉆測(cè)壓工具安放位置

測(cè)量精度：±0.07 MPa；最高工作溫度175 ℃；最高工作壓力138 MPa；電池工作時(shí)間200 h；工作排量：8-60l/s；適用井眼尺寸：5-7/8″~13-1/8″。

3.4 質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)來(lái)自艾默生公司，材質(zhì)316 不銹鋼，流量管通徑73 mm，數(shù)量2 個(gè)，壓力級(jí)別10.3 MPa，體積流量測(cè)量范圍為0~150 L/s，單向流量測(cè)量精度為±0.1%，密度測(cè)量范圍為0~5 g/cm3；密度測(cè)量精度為±0.0005 g/cm3。溫度范圍：-40 ℃~60 ℃，節(jié)流閥最小控制精度0.07 MPa（10psi）。

3.5 其他設(shè)備

回壓補(bǔ)償系統(tǒng)：海上平臺(tái)采用固井泵進(jìn)行。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：可與錄井連接，實(shí)時(shí)接收錄井?dāng)?shù)據(jù)，與定向連接，實(shí)時(shí)接收PWD 數(shù)據(jù)。

溢漏預(yù)警監(jiān)測(cè)軟件：可以顯示采集到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線，設(shè)置報(bào)警值，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)正常范圍，會(huì)立即報(bào)警，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，調(diào)取歷史曲線并保存。

自動(dòng)控制軟件：位置壓力控制模式分為井口壓力、井底壓力、井底當(dāng)量密度、立管壓力、旋控頭壓力、定點(diǎn)井深定點(diǎn)壓力、重漿帽七種模式。

4 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

4.1 作業(yè)井概況

XXX2-2-2 井是渤海油田的一口重點(diǎn)開發(fā)井，采用四開次井身結(jié)構(gòu)直井，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)如下：762.00mm×609.60mm×200m+406.40mm×339.7mm×1700m+311.2mm×244.5mm×3370m+215.9mm×3718m。該井四開采用精細(xì)控壓流程鉆塞、四開鉆進(jìn)。

4.2 鉆井施工難點(diǎn)

本井鉆進(jìn)至3424m 即開始發(fā)生漏失，溢漏同存且不同層，油氣活躍，短暫欠平衡即會(huì)形成氣柱。油氣顯示層經(jīng)中途測(cè)試確定地層壓力系數(shù)在1.05~1.06，必須將該地層的壓力當(dāng)量控制在1.07 g/cm3才能壓穩(wěn)油氣，而漏層漏失壓力系數(shù)在1.06 以下，進(jìn)行多次堵漏作業(yè)效果均不理想，無(wú)法提高地層承壓至正常鉆進(jìn)要求。

4.3 精細(xì)控壓

要解決地層溢漏并確保鉆進(jìn)時(shí)效，ECD 控制是關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)ECD 的精細(xì)控制可以通過(guò)調(diào)整鉆井排量或井口壓力參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要注意的是ECD 控制遵循以下兩個(gè)原則：1）保證井口能順利實(shí)現(xiàn)鉆井液返出。2）鉆進(jìn)壓力平衡點(diǎn)以漏失層出現(xiàn)微漏或氣層出現(xiàn)微量氣侵為最佳。

此外，在鉆進(jìn)期間要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)返出流量，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)溢流，這時(shí)如果漏失嚴(yán)重，帶RCD 總成起鉆至安全井段，降低鉆井液密度，防止卡鉆，同時(shí)做好井漏后發(fā)生溢流的處置準(zhǔn)備。

關(guān)井求壓，如果關(guān)井立壓小于5 MPa，開井恢復(fù)控壓鉆進(jìn)，關(guān)井立壓高于5 MPa，節(jié)流循環(huán)適當(dāng)提高鉆井液密度，待套壓降至控壓鉆井要求范圍內(nèi)后恢復(fù)控壓鉆進(jìn)，鉆進(jìn)期間通過(guò)調(diào)整井口回壓或鉆井液密度改變井底當(dāng)量，尋找壓力平衡點(diǎn)，保持不漏不溢或微漏狀態(tài)。

這時(shí)要以設(shè)計(jì)密度低限開鉆，鉆進(jìn)期間持續(xù)監(jiān)測(cè)返出流量，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整鉆井液密度或井口回壓值。

接立柱或起鉆期間增加井口壓力，補(bǔ)償環(huán)空壓耗損失，保證井底當(dāng)量等于鉆進(jìn)時(shí)的井底當(dāng)量。停泵時(shí)要通過(guò)回壓泵提供流量控制井底當(dāng)量高于氣層壓力，防止氣侵嚴(yán)重形成氣柱。

4.4 精細(xì)控壓施工效果

4.4.1 密切監(jiān)測(cè)鉆井參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏失

通過(guò)精細(xì)控壓對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中出口流量、節(jié)流閥后壓力、井口壓力、立管壓力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)井漏和溢流，鉆井平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)處理，遏制了溢流事故的發(fā)生，減少漏失量。

4.4.2 模擬計(jì)算井底當(dāng)量密度，為作業(yè)提供依據(jù)

在鉆進(jìn)中通過(guò)軟件模擬計(jì)算了井底壓力當(dāng)量密度，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生溢漏等復(fù)雜狀況時(shí)，可以精準(zhǔn)確定地層壓力或地層漏失壓力，為后期壓井或降低密度作業(yè)提供可靠依據(jù)。

4.4.3 通過(guò)控制井口壓力，解決了在溢漏同存不同層鉆井的難題

本井鉆進(jìn)期間井漏程度加劇，進(jìn)行多次堵漏作業(yè)效果均不理想，無(wú)法提高地層承壓至正常鉆進(jìn)要求。降低鉆井液密度則上部顯示層氣侵嚴(yán)重。采用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)將降鉆井液密度控制在1.03 g/cm3~1.04 g/cm3，根據(jù)出口流量的變化實(shí)時(shí)模擬計(jì)算井底壓力當(dāng)量，確定井口回壓值，始終保持井底壓力當(dāng)量1.07 g/cm3鉆進(jìn)，徹底解決了溢漏同存狀況下的不同層鉆井難題，順利鉆至井深4142 m 完鉆。

4.4.4 控壓起鉆，保障起鉆期間井筒安全

本井因油氣活躍、頻繁溢漏復(fù)雜，經(jīng)常需要起鉆至套管鞋以上處理。通過(guò)旋轉(zhuǎn)控制頭設(shè)備密封井口，固井泵環(huán)空灌漿提供地面循環(huán)流體，精細(xì)控壓自動(dòng)節(jié)流閥進(jìn)行井口壓力控制，保證起鉆期間井底壓力穩(wěn)定，防止氣體大量侵入井筒。

4.4.5 精細(xì)控壓排氣，控制立壓穩(wěn)定，確保不發(fā)生二次溢流

控壓循環(huán)排氣期間，通過(guò)調(diào)節(jié)井口壓力維持立壓基本穩(wěn)定，得以在氣體推出鉆井液和氣體從井口返出期間保持作用在油氣層上的環(huán)空壓力相對(duì)穩(wěn)定，始終大于油氣層壓力，避免發(fā)生二次溢流。

4.4.6 避免了卡鉆問題

本井處于漏失狀態(tài)，巖屑、堵漏劑易粘附于井壁，在鉆進(jìn)、起下鉆期間經(jīng)常有阻卡顯示，如果在裸眼段長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井處理，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)較大，而通過(guò)精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)，多次控壓起鉆至套管內(nèi)，大大降低了粘附卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

4.4.7 在安全的前提下提高了鉆井效率

本井在面臨地層溢漏同存、油氣活躍的情況下，始終保持無(wú)漏失甚至大漏狀態(tài)，通過(guò)精細(xì)控壓調(diào)節(jié)井口回壓保持井底壓力當(dāng)量基本穩(wěn)定，壓制了油氣層，安全、快速地進(jìn)行鉆井施工。四開共鉆進(jìn)進(jìn)尺349m，漏失狀態(tài)下鉆進(jìn)進(jìn)尺294m，占四開進(jìn)尺的84%，在溢漏同存的情況下加深鉆進(jìn)424m，提高含油氣儲(chǔ)層鉆遇率。

5 結(jié)論

精細(xì)控壓鉆井技術(shù)通過(guò)配備高精度的質(zhì)量流量計(jì)、高精度自動(dòng)節(jié)流閥等，能夠提前監(jiān)測(cè)到出口流量變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)溢漏和漏失，對(duì)井口壓力進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，能夠做到在海上油田復(fù)雜地層中較為平穩(wěn)地鉆進(jìn)。

XXX2-2-2 井鉆遇溢漏同存地層，通過(guò)采用精細(xì)控壓鉆井，控制了油氣侵入井筒，維持微漏狀態(tài)鉆進(jìn)，避免了井下卡鉆、井噴等復(fù)雜情況，降低了非生產(chǎn)時(shí)間，較設(shè)計(jì)增加油氣層段進(jìn)尺424 m，提高油氣層鉆遇率。

自2019 年以來(lái)，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)已在渤海油田成功應(yīng)用20 余井次，已成為渤海油田復(fù)雜地層鉆井的專有技術(shù)，不僅確保了渤海油田重點(diǎn)生產(chǎn)井鉆井施工的安全鉆進(jìn)和提速提效，而且對(duì)我國(guó)其他海域油田的鉆井具有極好的技術(shù)參考價(jià)值。

由于海上平臺(tái)空間狹小，設(shè)備安裝高空作業(yè)多，因此建議進(jìn)行精細(xì)控壓鉆井作業(yè)時(shí)要進(jìn)一步優(yōu)化工控房、節(jié)流控制撬及旋轉(zhuǎn)控制頭控制泵站設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化防溢管、出口管線的安裝流程，可節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝時(shí)間，保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全，提升精細(xì)控制鉆井技術(shù)應(yīng)用效果。