控压钻井解决碳酸盐岩地层环空压力波动研究.pdf

2023年第10期西部探矿工程控压钻井解决碳酸盐岩地层环空压力波动研究薛佳楠*（大庆钻探工程公司新疆钻探项目部，新疆 库尔勒 841009）摘要：大量实践表明，波动压力大是钻井作业期间出现井漏、井喷的主要原因，不仅会影响石油钻井作业效率，还会增大钻井作业安全风险，威胁工作人员生命财产安全。主要介绍了碳酸盐岩地层特点、钻井难点，以及常见的两种精细控压钻井方案，列举出钻井作业期间由惯性引起的波动压力、泥浆粘滞力产生的波动压力和泥浆静切力引起的波动压力等三种波动压力的计算方法，并结合案例计算分析指出精细控压钻井技术方案的应用价值。关键词：控压钻井；碳酸盐岩；环空压力；井口回压中图分类号：TE349 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)10-0080-04据数据调查发现，全球范围内沉积岩中有20%的碳酸盐岩，而碳酸盐岩中油气储量占全球油气总储量的60%以上。由此可见，碳酸盐岩地层油气开采是我国能源产业发展的重中之重。我国碳酸盐岩主要分布于四川盆地、珠江口盆地、渤海湾盆地和塔里木盆地等地区。新时期下，随着碳酸盐岩地层开采规模的不断扩大，钻井作业也面临诸多问题，例如储层保护难、地层易漏失等方面。而地层压力精细化管理有利于合理调整钻井作业中的精神结构设计和钻井液密度设计，对减少井喷、井漏等安全事故和提高钻井作业安全性具有重要意义。为此，本文重点研究能够解决碳酸盐岩地层环空压力波动的精密控压钻井技术方案。1碳酸盐岩地层特点与钻井难点1.1碳酸盐岩组成及其地层特点碳酸盐岩的主要成分是胶结物、基质、孔隙和颗粒。依据结构成因可将其划分为三类，分别是生物礁岩、正化灰岩和异化颗粒岩。依据支撑物可将其划分为两类，分别是砾状石灰石和石灰浮石。碳酸盐岩地层的显著特点是压力系数低、储层裂缝、洞穴复杂。而复杂的孔隙结构是导致碳酸盐岩地层特点的主要原因，一方面，碳酸盐岩的化学活动性较强，在长期掩埋中很容易发生溶蚀，另一方面，不同地质使其的生物类型和发展程度存在较大差异，再加上孔隙发育的影响，导致碳酸盐岩孔隙结构复杂，进而导致碳酸盐岩地层结构复杂，这给钻井作业带来较大难度。1.2碳酸盐岩地层钻井难点第一，钻井作业期间难以有效堵漏。由于碳酸盐岩大多属于化学沉积岩，缝洞发育不规则，地层压力成因复杂，这就导致溶洞储层中很难用常规的堵漏手段1。一旦钻井作业中发现地层中出现较大裂缝，则需要平衡压差才能制漏，而这势必也会导致溶洞储层中融入气体量增加，一定程度上会提高钻井风控工作的难度，增大钻井事故风险。第二，含有硫化氢的地层钻井难度大。硫化氢是一种有毒气体，无色，具有像腐烂臭鸡蛋的气味，同时能溶于水。钻井作业中，为避免硫化氢气体泄露常采取平衡钻井作业，但这一操作势必会造成一定量钻井液流失，一方面易造成井底压力失衡，增加钻井作业安全风险。另一方面钻井液遗漏也会危害储层。第三，难以掌握气井井控。碳酸盐岩地层钻井作业期间，由于地层的特殊性，很难采用常规压井方法，而一旦提高密度，同样会导致压力增大，进而造成遗漏量增大2，对钻井作业造成一定影响，同时也增大了井控风险。第四，稠油储层钻井工作难度大。稠油具有高密度和高粘度的特点，而且稠油中沥青和胶质含量高，轻质硫含量少，这给钻井作业带来较大难度，采用常规钻井作业方式很容易造成井漏3。而一旦采用欠平衡钻井技术，则会导致稠油流动到井口附近，堵塞井控，同样增加钻井作业难度。*收稿日期：2022-09-29修回日期：2022-12-14作者简介：薛佳楠（1981-），男（汉族），黑龙江双城人，高级技师，现从事钻井现场施工工作。802023年第10期西部探矿工程第五，地层压力来源复杂，钻井液密度窗口较窄。当钻遇裂缝、溶洞时即使钻井液密度与裂缝、溶洞内充填的地层流体当量密度相当，甚至更低。而且由于裂缝、溶洞通道较大，在循环压耗、下钻激动压力等作用下，很容易导致钻井液与地层流体发生置换4，出现有喷又漏的现象。2精细控压钻井概述2.1精细控压钻井概念精细控压钻井是一种高精尖钻井技术，是在钻井全过程中对环空压力进行精细化控制的一种钻井技术。与传统在钻井技术相比，精细控压钻井技术可以实现对实时动态了解井下地层环空波动压力，通过合理调整钻井技术有效控制地层环空压力，从而降低钻井过程中的井壁失稳和井漏发生机率，提高钻井作业安全性5。一般情况下，精密控压钻井期间，工作人员借助PWD测压工具可以实时动态监测井底压力，而后利用节流管汇调整井口回压，使井底始终处于平衡状态。2.2精细控压钻井方案目前常见的精细控压钻井方案主要有两种，一种是回压补偿系统在环空内实时补浆，另一种是实时调节井口回压保持井底压力恒定。其中回压补偿系统在环空内实时补浆基础上在钻井作业期间通过自动调节节流开度，始终保持井筒内液柱高度不变，从而降低环空波动压力6。常规作业下，由于井筒内液面高度与井底压力密切相关，未灌满泥浆更是引起钻井作业时井底溢流、井涌的主要原因。再加上钻具上下移动速度不一，很容易造成环空压力波动较大，一旦井筒内液柱下降低，会导致井底压力失去平衡，增大井底事故发生风险，常规控制手段也难以起到作用7。为此，可以通过自动调节手段实现实时补浆，保证井筒内液柱不变，从而解决钻井作业时的波动压力问题。实时调节井口回压保持井底压力恒定的技术方案主要是通过先进的钻井设备实现。目前国际上常用的精密控压钻井设备有四种，分别是PCDS-（中国石油集团钻井空城技术研究院）、MPD系统（Halliburton公司）、DAPC 系统（Schumberger 公司）和 MFDC 系统（Westherford公司）。四种精密控压钻井先进设备的控压形式、基本原理和技术特征整理如表1所示。表1四种精密控压钻井先进设备统计装备系统PCDS-MPDDAPCMFC基本原理系统结合井底恒压和流量控制的优点，系统具备两种控制形式的模块功能，一方面可以自适应回压处理，另一方面也能及时监测到溢流情况，实现精确控制系统内部数据监测模块检测到井底压力变化，系统结合钻井实际工况给出合理调压策略，发送指令至综合压力控制器，调节节流管汇、回压泵等，实现井底压力的灵活控制，使其始终保持在理想范围内同上（与MPD相同）系统可以实时监测到进口和出口钻井液的循环密度、质量流量、流速和微小压力等参数数据，一旦监测到出现溢流现象，即可及时进行自适应调整，及时调整井口回压直至其满足要求技术特征适应范围广；响应速度快；能构建个性化控制模型。其中额定压力35MPa、工作压力10MPa、节流精度为0.35MPa。采用三通道结构，主要功能包括在线自诊断、过平衡和欠平衡钻井和工况自适应等控制精度高，最高能达到 0.35Pa。其中额定压力35MPa、工作压力10MPa、节流精度为0.35MPa。采用三通道结构，由控制器控制，不具备在线监测功能动态监测性能突出，能实现自动调节回压，自动化程度较高重视微流量控制，控制精度高，最小可以监测到80L的溢流变化，并且能够在2min及时响应，保证溢流总量不超过 800L。其中额定压力 35MPa、工作压力10MPa、节流精度为0.5MPa。采用双通道结构，系统控制借助PLC控制器，且需参数整定近平衡钻井控压形式井底恒压+微流量控制井底恒压井底恒压井底恒压微流量控制3钻井作业中的波动压力计算现场钻井作业期间，地层环空波动压力主要包括钻具惯性引起的波动压力、泥浆粘滞力产生的波动压力和泥浆静切力引起的波动压力。其中钻具惯性引起的波动压力是由于钻井中钻具上下移动导致环空泥浆向相反方向流动，从而产生的惯性力；泥浆粘滞力产生的波动压力是指泥浆在与钻具相反方向流动时，由于钻具表面不是“完全光滑”，从而在流动过程中对泥浆产生摩擦力，从而引起的波动压力；泥浆静切力引起的波动压力是钻井作业时钻具启动瞬间产生静切压力引起的波动压力。三种压力计算方法如下：（1）钻具惯性引起的波动压力。一般情况下钻井作业时的钻具惯性引起的波动压力计算数学表达式如下：812023年第10期西部探矿工程p波=Ha(D22-D21)D21-D22-D22i（1）当钻具安装有止回阀时：p波=HaD22D21-D22（2）式中：泥浆密度；p波波动压力，Pa；H环空液面至钻头的高度，m；a钻具上下移动的加速度，m/s2；D1钻井井眼的直径，m；D2钻柱子的外径，m。（2）泥浆粘滞力产生的波动压力。首先，计算环空平均流速大小。VL=1.5VQ 0.5+D22-D21D21-D22-Q14(D21-D22)（3）式中：VL环空平均流速，m/s；VQ下钻速度，m/s；Q1管柱内流量。其次，计算波动压力大小。当泥浆流态是絮流时，则有：P波=2fHV2LD1-D2（4）式中：H钻井深度，m；范宁阻力系数。当泥浆流态是层流时，则有：P波=4KH(D1-D2)4(2n+1)n(D1-D2)n（5）（3）泥浆静切力引起的波动压力。一般情况下钻井作业时的浆静切力引起的波动压力计算数学表达式如下：p波=4HD2-D1（6）由上述三种压力计算方法可知，钻具惯性引起的波动压力与钻具上下移动的加速度成正比。泥浆粘滞力产生的波动压力与泥浆密度成正比。泥浆静切力引起的波动压力与静切力成正比。相比较之下，钻具惯性引起的波动压力最大，对碳酸盐岩地层中的施工安全具有重要意义。4案例分析4.1案例介绍H 井位于鄂尔多斯盆地，井斜深、垂深分别为4582m、4218m，水平段长29m，最大井斜角为78.47。H井井眼采用直增稳结构，三次开钻后利用PCDS-系统实现精密控压钻井。4.2数据整理表2为井深41004200m时系统实时监测的有关参数数据。精密控压钻井作业期间，为降低加速度、井深等因素对波动压力的影响。首先利用PCDS-系统控制钻具上下移动加速度在0.3m/s2以内。其次，保证井底压力一定时，井口压力与波动压力密切相关。启动钻具时，波动压力与井口回压变化规律大致一致，呈现波形图变化。而起下钻时，波动压力与井口回压波动方向正好相反，即波动压力由最小值时，井口回压最大。结合上述图表数据和公式可知，起钻时，波动压力主要表现为抽吸压力。井口控压理想值为0.2MPa，计算得到环空压耗为1.50MPa，波动压力峰值为1.88MPa，则钻井作业时井口附加压力峰值为3.38MPa。下钻时，波动压力主要表现为激动压力。随着波动压力的降低，井口回压同时也会降低。同样计算井口控压理想值为0.2MPa 时，环空压耗为 1.54MPa，波动压力谷值为0.59MPa，则 钻 井 作 业 时 井 口 附 加 压 力 谷 值 为2.13MPa。同时整理起下钻回压实时参数可知，H 井41004200m作业期间利用PCDS-系统实现精密控压钻井有效解决了钻井作业期间的喷漏问题，保证井底恒压，实现零漏失、零复杂。5结论综上所述，利用PCDS-系统实时精密控压钻井技术方案能有效解决碳酸盐岩地层环空压力波动问题，降低钻井作业期间井喷、井漏等事故发生几率，既可以提高钻井作业效率，避免人力资源浪费，又能保证（下转第86页）表2精密控压数据统计井深(m)41004114412841424156417041844200泥浆密度(g/cm3)1.161.161.161.161.161.161.161.16出口流量(L/s)13.914.914.514.414.214.414.914.5井口回压(MPa)0.200.220.200.230.220.210.200.20ECD(g/cm3)1.2241.2341.2361.2441.2381.2361.2361.238PWD测量值(MPa)58.6658.8457.8557.6958.1257.6457.9558.21822023年第10期西部探矿工程Sh,n)、g2(,Sh,n)如下：g1(,Sh,n)=1()1(Sh)+3(n)g2(,Sh,n)=4()5(Sh)+6(n)其 中：1()=0.0015e0.00389，1(Sh)=0.4932e1.5972Sh，3(n)=-0.1355n2+0.2307n-0.042，4()=0.0033e0.3936，5(Sh)=0.17e4.2413Sh，6(n)=0.0093n2+0.1042n-0.0241。图8显示了蠕变模型计算结果与实验结果对比，可以看出所建立的模型具有较高精度，可以用于表征含水合物沉积物蠕变特征。5结论与建议（1）海底水合物储层所处水深大、埋深浅，骨架固结程度弱，具有极强的蠕变特性。有效确定水合物储层的蠕变规律，理清其随着水合物分解过程的变化规律和井周应力变化规律，是实现水合物安全、高效开采的前提保证。（2）选取性质相似的石英砂和高岭土等制备水合物沉积物试样开展蠕变性能试验测试，能够为天然气水合物钻井工程技术的优化提供基础支撑。参考文献：1李清平,周守为,赵佳飞,宋永臣,朱军龙.天然气水合物开采技术研究现状与展望J.中国工程科学,2022,24(3):214-224.2张洪涛,张海启,祝有海.中国天然气水合物调查研究现状及其进展J.中国地质,2007(6):953-961.3孙金声,程远方,秦绪文,孙友宏,金衍,王志远,李淑霞,陆程,屈沅治,吕开河,王成文,王金堂,王韧.南海天然气水合物钻采机理与调控研究进展J.中国科学基金,2021,35(6):940-951.4祝有海,庞守吉,王平康,张帅,肖睿.中国天然气水合物资源潜力及试开采进展J.沉积与特提斯地质,2021,41(4):524-535.5赵克斌,孙长青,吴传芝.天然气水合物开发技术研究进展J.石油钻采工艺,2021,43(1):7-14.6张金华,樊波,刘瑞江.天然气水合物钻探现状与钻井技术J.科学技术与工程,2020,20(35):14343-14351.7周守为,李清平,吕鑫,庞维新,付强.天然气水合物开发研究方向的思考与建议J.中国海上油气,2019,31(4):1-8.8程宇彤.天然气水合物沉积物力学性质与井壁稳定分析D.中国石油大学(华东),2019.9吴能友,张海啟,杨胜雄,梁金强,王宏斌,苏新,卢振权,付少英,张光学,陆敬安.南海神狐海域天然气水合物成藏系统初探J.天然气工业,2007(9):1-6，125.图8不同泥质含量条件下计算结果与实验结果对比（上接第82页）不发生严重溢流，提高钻井作业安全性。参考文献:1南旭.控压钻井技术在四川威远页岩气井的应用研究J.中国石油和化工标准与质量,2020(10).2王江帅,李军,柳贡慧,等.考虑温度和回压影响的控压钻井参数设计方法J.石油机械,2021,49(12).3伊明,黄志强,戴勇,等.控压钻井环空卡森流体两相螺旋流轴向速度研究J.应用力学学报,2021,38(3).4王江帅,李军,任美鹏,等.控压钻井环空多相流控压响应时间研究J.石油机械,2019,47(5).5何淼,柳贡慧,李军,等.控压钻井井下双测点压力实时解释模型研究J.石油机械,2019,47(10).6周号博.控压钻井气侵流动分析模型研究与应用J.科学技术与工程,2019,19(20).7程皓.控压钻井井下双测点压力实时解释模型研究J.信息系统工程,2020(10).86