薛佳楠

（大慶鉆探工程公司新疆鉆探項(xiàng)目部，新疆 庫爾勒 841009）

據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，全球范圍內(nèi)沉積巖中有20%的碳酸鹽巖，而碳酸鹽巖中油氣儲(chǔ)量占全球油氣總儲(chǔ)量的60%以上。由此可見，碳酸鹽巖地層油氣開采是我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。我國碳酸鹽巖主要分布于四川盆地、珠江口盆地、渤海灣盆地和塔里木盆地等地區(qū)。新時(shí)期下，隨著碳酸鹽巖地層開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鉆井作業(yè)也面臨諸多問題，例如儲(chǔ)層保護(hù)難、地層易漏失等方面。而地層壓力精細(xì)化管理有利于合理調(diào)整鉆井作業(yè)中的精神結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鉆井液密度設(shè)計(jì)，對(duì)減少井噴、井漏等安全事故和提高鉆井作業(yè)安全性具有重要意義。為此，本文重點(diǎn)研究能夠解決碳酸鹽巖地層環(huán)空壓力波動(dòng)的精密控壓鉆井技術(shù)方案。

1 碳酸鹽巖地層特點(diǎn)與鉆井難點(diǎn)

1.1 碳酸鹽巖組成及其地層特點(diǎn)

碳酸鹽巖的主要成分是膠結(jié)物、基質(zhì)、孔隙和顆粒。依據(jù)結(jié)構(gòu)—成因可將其劃分為三類，分別是生物礁巖、正化灰?guī)r和異化顆粒巖。依據(jù)支撐物可將其劃分為兩類，分別是礫狀石灰石和石灰浮石。碳酸鹽巖地層的顯著特點(diǎn)是壓力系數(shù)低、儲(chǔ)層裂縫、洞穴復(fù)雜。而復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致碳酸鹽巖地層特點(diǎn)的主要原因，一方面，碳酸鹽巖的化學(xué)活動(dòng)性較強(qiáng)，在長期掩埋中很容易發(fā)生溶蝕，另一方面，不同地質(zhì)使其的生物類型和發(fā)展程度存在較大差異，再加上孔隙發(fā)育的影響，導(dǎo)致碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致碳酸鹽巖地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這給鉆井作業(yè)帶來較大難度。

1.2 碳酸鹽巖地層鉆井難點(diǎn)

第一，鉆井作業(yè)期間難以有效堵漏。由于碳酸鹽巖大多屬于化學(xué)沉積巖，縫洞發(fā)育不規(guī)則，地層壓力成因復(fù)雜，這就導(dǎo)致溶洞儲(chǔ)層中很難用常規(guī)的堵漏手段[1]。一旦鉆井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)地層中出現(xiàn)較大裂縫，則需要平衡壓差才能制漏，而這勢必也會(huì)導(dǎo)致溶洞儲(chǔ)層中融入氣體量增加，一定程度上會(huì)提高鉆井風(fēng)控工作的難度，增大鉆井事故風(fēng)險(xiǎn)。

第二，含有硫化氫的地層鉆井難度大。硫化氫是一種有毒氣體，無色，具有像腐爛臭雞蛋的氣味，同時(shí)能溶于水。鉆井作業(yè)中，為避免硫化氫氣體泄露常采取平衡鉆井作業(yè)，但這一操作勢必會(huì)造成一定量鉆井液流失，一方面易造成井底壓力失衡，增加鉆井作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。另一方面鉆井液遺漏也會(huì)危害儲(chǔ)層。

第三，難以掌握氣井井控。碳酸鹽巖地層鉆井作業(yè)期間，由于地層的特殊性，很難采用常規(guī)壓井方法，而一旦提高密度，同樣會(huì)導(dǎo)致壓力增大，進(jìn)而造成遺漏量增大[2]，對(duì)鉆井作業(yè)造成一定影響，同時(shí)也增大了井控風(fēng)險(xiǎn)。

第四，稠油儲(chǔ)層鉆井工作難度大。稠油具有高密度和高粘度的特點(diǎn)，而且稠油中瀝青和膠質(zhì)含量高，輕質(zhì)硫含量少，這給鉆井作業(yè)帶來較大難度，采用常規(guī)鉆井作業(yè)方式很容易造成井漏[3]。而一旦采用欠平衡鉆井技術(shù)，則會(huì)導(dǎo)致稠油流動(dòng)到井口附近，堵塞井控，同樣增加鉆井作業(yè)難度。

第五，地層壓力來源復(fù)雜，鉆井液密度窗口較窄。當(dāng)鉆遇裂縫、溶洞時(shí)即使鉆井液密度與裂縫、溶洞內(nèi)充填的地層流體當(dāng)量密度相當(dāng)，甚至更低。而且由于裂縫、溶洞通道較大，在循環(huán)壓耗、下鉆激動(dòng)壓力等作用下，很容易導(dǎo)致鉆井液與地層流體發(fā)生置換[4]，出現(xiàn)有噴又漏的現(xiàn)象。

2 精細(xì)控壓鉆井概述

2.1 精細(xì)控壓鉆井概念

精細(xì)控壓鉆井是一種高精尖鉆井技術(shù)，是在鉆井全過程中對(duì)環(huán)空壓力進(jìn)行精細(xì)化控制的一種鉆井技術(shù)。與傳統(tǒng)在鉆井技術(shù)相比，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)了解井下地層環(huán)空波動(dòng)壓力，通過合理調(diào)整鉆井技術(shù)有效控制地層環(huán)空壓力，從而降低鉆井過程中的井壁失穩(wěn)和井漏發(fā)生機(jī)率，提高鉆井作業(yè)安全性[5]。一般情況下，精密控壓鉆井期間，工作人員借助PWD 測壓工具可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測井底壓力，而后利用節(jié)流管匯調(diào)整井口回壓，使井底始終處于平衡狀態(tài)。

2.2 精細(xì)控壓鉆井方案

目前常見的精細(xì)控壓鉆井方案主要有兩種，一種是回壓補(bǔ)償系統(tǒng)在環(huán)空內(nèi)實(shí)時(shí)補(bǔ)漿，另一種是實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)井口回壓保持井底壓力恒定。其中回壓補(bǔ)償系統(tǒng)在環(huán)空內(nèi)實(shí)時(shí)補(bǔ)漿基礎(chǔ)上在鉆井作業(yè)期間通過自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流開度，始終保持井筒內(nèi)液柱高度不變，從而降低環(huán)空波動(dòng)壓力[6]。常規(guī)作業(yè)下，由于井筒內(nèi)液面高度與井底壓力密切相關(guān)，未灌滿泥漿更是引起鉆井作業(yè)時(shí)井底溢流、井涌的主要原因。再加上鉆具上下移動(dòng)速度不一，很容易造成環(huán)空壓力波動(dòng)較大，一旦井筒內(nèi)液柱下降低，會(huì)導(dǎo)致井底壓力失去平衡，增大井底事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，常規(guī)控制手段也難以起到作用[7]。為此，可以通過自動(dòng)調(diào)節(jié)手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)漿，保證井筒內(nèi)液柱不變，從而解決鉆井作業(yè)時(shí)的波動(dòng)壓力問題。

實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)井口回壓保持井底壓力恒定的技術(shù)方案主要是通過先進(jìn)的鉆井設(shè)備實(shí)現(xiàn)。目前國際上常用的精密控壓鉆井設(shè)備有四種，分別是PCDS-Ⅰ（中國石油集團(tuán)鉆井空城技術(shù)研究院）、MPD 系統(tǒng)（Halliburton 公司）、DAPC 系統(tǒng)（Schumberger 公司）和MFDC 系統(tǒng)（Westherford 公司）。四種精密控壓鉆井先進(jìn)設(shè)備的控壓形式、基本原理和技術(shù)特征整理如表1所示。

表1 四種精密控壓鉆井先進(jìn)設(shè)備統(tǒng)計(jì)

3 鉆井作業(yè)中的波動(dòng)壓力計(jì)算

現(xiàn)場鉆井作業(yè)期間，地層環(huán)空波動(dòng)壓力主要包括鉆具慣性引起的波動(dòng)壓力、泥漿粘滯力產(chǎn)生的波動(dòng)壓力和泥漿靜切力引起的波動(dòng)壓力。其中鉆具慣性引起的波動(dòng)壓力是由于鉆井中鉆具上下移動(dòng)導(dǎo)致環(huán)空泥漿向相反方向流動(dòng)，從而產(chǎn)生的慣性力；泥漿粘滯力產(chǎn)生的波動(dòng)壓力是指泥漿在與鉆具相反方向流動(dòng)時(shí)，由于鉆具表面不是“完全光滑”，從而在流動(dòng)過程中對(duì)泥漿產(chǎn)生摩擦力，從而引起的波動(dòng)壓力；泥漿靜切力引起的波動(dòng)壓力是鉆井作業(yè)時(shí)鉆具啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生靜切壓力引起的波動(dòng)壓力。三種壓力計(jì)算方法如下：

（1）鉆具慣性引起的波動(dòng)壓力。一般情況下鉆井作業(yè)時(shí)的鉆具慣性引起的波動(dòng)壓力計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

當(dāng)鉆具安裝有止回閥時(shí)：

式中：ρ——泥漿密度；

p波——波動(dòng)壓力，Pa；

H——環(huán)空液面至鉆頭的高度，m；

a——鉆具上下移動(dòng)的加速度，m/s2；

D1——鉆井井眼的直徑，m；

D2——鉆柱子的外徑，m。

（2）泥漿粘滯力產(chǎn)生的波動(dòng)壓力。首先，計(jì)算環(huán)空平均流速大小。

式中：VL——環(huán)空平均流速，m/s；

VQ——下鉆速度，m/s；

Q1——管柱內(nèi)流量。

其次，計(jì)算波動(dòng)壓力大小。

當(dāng)泥漿流態(tài)是絮流時(shí)，則有：

式中：H——鉆井深度，m；

?——范寧阻力系數(shù)。

當(dāng)泥漿流態(tài)是層流時(shí)，則有：

（3）泥漿靜切力引起的波動(dòng)壓力。一般情況下鉆井作業(yè)時(shí)的漿靜切力引起的波動(dòng)壓力計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

由上述三種壓力計(jì)算方法可知，鉆具慣性引起的波動(dòng)壓力與鉆具上下移動(dòng)的加速度成正比。泥漿粘滯力產(chǎn)生的波動(dòng)壓力與泥漿密度成正比。泥漿靜切力引起的波動(dòng)壓力與靜切力成正比。相比較之下，鉆具慣性引起的波動(dòng)壓力最大，對(duì)碳酸鹽巖地層中的施工安全具有重要意義。

4 案例分析

4.1 案例介紹

H 井位于鄂爾多斯盆地，井斜深、垂深分別為4582m、4218m，水平段長29m，最大井斜角為78.47°。H井井眼采用直—增—穩(wěn)結(jié)構(gòu)，三次開鉆后利用PCDS-Ⅰ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精密控壓鉆井。

4.2 數(shù)據(jù)整理

表2為井深4100~4200m時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。

精密控壓鉆井作業(yè)期間，為降低加速度、井深等因素對(duì)波動(dòng)壓力的影響。首先利用PCDS-Ⅰ系統(tǒng)控制鉆具上下移動(dòng)加速度在0.3m/s2以內(nèi)。其次，保證井底壓力一定時(shí)，井口壓力與波動(dòng)壓力密切相關(guān)。啟動(dòng)鉆具時(shí)，波動(dòng)壓力與井口回壓變化規(guī)律大致一致，呈現(xiàn)波形圖變化。而起下鉆時(shí)，波動(dòng)壓力與井口回壓波動(dòng)方向正好相反，即波動(dòng)壓力由最小值時(shí)，井口回壓最大。結(jié)合上述圖表數(shù)據(jù)和公式可知，起鉆時(shí)，波動(dòng)壓力主要表現(xiàn)為抽吸壓力。井口控壓理想值為0.2MPa，計(jì)算得到環(huán)空壓耗為1.50MPa，波動(dòng)壓力峰值為1.88MPa，則鉆井作業(yè)時(shí)井口附加壓力峰值為3.38MPa。下鉆時(shí)，波動(dòng)壓力主要表現(xiàn)為激動(dòng)壓力。隨著波動(dòng)壓力的降低，井口回壓同時(shí)也會(huì)降低。同樣計(jì)算井口控壓理想值為0.2MPa 時(shí)，環(huán)空壓耗為1.54MPa，波動(dòng)壓力谷值為0.59MPa，則鉆井作業(yè)時(shí)井口附加壓力谷值為2.13MPa。同時(shí)整理起下鉆回壓實(shí)時(shí)參數(shù)可知，H 井4100~4200m 作業(yè)期間利用PCDS-Ⅰ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精密控壓鉆井有效解決了鉆井作業(yè)期間的噴漏問題，保證井底恒壓，實(shí)現(xiàn)零漏失、零復(fù)雜。

5 結(jié)論

綜上所述，利用PCDS-Ⅰ系統(tǒng)實(shí)時(shí)精密控壓鉆井技術(shù)方案能有效解決碳酸鹽巖地層環(huán)空壓力波動(dòng)問題，降低鉆井作業(yè)期間井噴、井漏等事故發(fā)生幾率，既可以提高鉆井作業(yè)效率，避免人力資源浪費(fèi)，又能保證不發(fā)生嚴(yán)重溢流，提高鉆井作業(yè)安全性。