微欠平衡钻井作业中精细控压钻井系统的应用.pdf

.106-2023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备微欠平衡钻井作业中精细控压钻井系统的应用陈觉（中国石油集团川庆钻探工程有限公司国际工程公司，四川成都6 10 0 51）摘要】在油田开采前展开研究区地质勘测及分析十分必要，直接关系到油田开采作业安全及经济效益。在阐述精细控压钻井系统及装备的基础上，以勘探较早且基岩储层地层压力低的CK油田为例，进行了构造特征、储层特征及钻井难点的分析，使用常规欠平衡作业难以确保探井施工安全，故对精细控压钻井系统在油田微欠平衡钻井作业中的应用进行了探讨。结果表明，该技术的应用在油气发现方面取得了较好效果，并为探井钻井作业安全提供了保证。关键词】微欠平衡钻井；精细控压钻井系统；钻井液；钻井控制引言随着石油勘探开发的持续推进和深入，陆地深部地层已成为钻井工程所挑战的领域，深水及边际油藏、高温高压、埋藏深、钻井液低密度窗口等勘探问题也随之出现，为有效解决此类问题，必须展开精确约束及控制井眼压力技术的探索。2 0 世纪6 0 年代开始，控制压力钻井技术（M a n a g e d P r e s s u r e D r i l l i n g,M P D）开始在美国石油勘探开发领域得到应用，并取得了较好的确定井下压力环境限度，控制环空液压剖面的效果。控压钻井系统主要应用微欠平衡工具、井控设备及方法控制随钻井作业而进入井眼的地层流体，避免了单纯使用钻井液解决复杂钻井问题的局面，使钻井过程控制更加精细和优化。1精细控压钻井系统及装备按照环空压力控制程度及效果，精细控压钻井系统所使用的装备不同，具体配置情况见表1，表中气体压缩装置、旋转控制系统、地面分离系统均能促进动态闭合环空压力控制的实现，从而提升对环空压力控制的精准度。精细控压钻井系统组成情况见图1。（1）旋控装置。该装置属于微欠平衡及控压钻井方面的标准装置，精细控压钻井系统除借助常规静水压力展开钻进外，还通过相应的地面装置控制井底压力、提升钻进过程的安全性。旋控装置对环空实施动密封，以便在地层流体迅速涌入期间确保安全连续钻进。（2）地面分离装置。该装置主要为原油、天然气、气化后的钻井液、地层钻屑等井眼返出物提供条件，同时将固液混合返出物中不同相态分开，并分别输送至相应的储存设备。在分离的过程中，必须展开压力、流速及体积等参数的连续监测。精细控压钻井系统中的地面分离装置包括主流管线、四相分离器、样品收集器、火炬等部分。主流管线：固液混合返出物经由旋转头改向后，通过主流管线辅转至钻井管汇，进而进入分离器。系统内主流管线有4英寸（管径101.6mm）和6 英寸（管径152mm）两种，承压能力分别为14MPa和35MPa。样品收集器：固液混合返出物根据需要，由样品收集器采集地质岩样。四相分离器：其入口比表面积较大，并在此处通过环空流体将固相、气相、液相分离；固相直接进入分离器入口底部，并在射流泵的抽吸作用下使固相和液相混合浆体得到循环利用。混合浆体在螺旋泵的作用下直接泵入振动筛，固相直接被分离出来，液相则流入钻井液系统。火炬：该装置直接固定在与井口、储存罐及分离设备一定距离和高度处，为天然气安全燃烧提供保证。（3）自动节流阀系统。精细控压钻井系统中环空压力的补偿主要依靠该系统开启程度加以控制，以保持井底循环压力，并将地面压力及流速控制在设备限定值以内。手动节流阀在检测到信号与控制动作之间存在一定延时，无法保证控制效果。故精细控压钻井系统中主要采用自动控制，其从信号发出、检测至动作执行均无需人工作者简介：陈觉（197 8 一），男，四川为人，本科，助理经济师，从事石油钻井技术及市场开发管理工作。107陈觉微欠平衡钻青细控压钻井系统的应用第8 期干预，通过信号探测器、信号处理器、指令控制器等的组合即可完成。（4）地面分离装置。在确定好压力剖面的基础上，节流阀将受到自动控压系统水力学模型的自动调控，从而对环空流量增减所引起摩阻力变化实施补偿，进而达到地面回压、环空摩阻、静液压力之间的平衡。（5）动态压力控制辅助泥浆泵。在泥浆泵实际转速降低至无剩余回压调整节流阀时，微积分控制器便会自动关闭节流阀，将流动通道阻断，影响钻进作业。为有效解决该问题，只能展开手动控制，并增设辅助泥浆泵，在泥浆泵控制器和自动控制系统之间构建起通信连接，以实时精准控制节流阀启动位置及泵速。（6）钻井液循环系统。为有效控制流体储存系统所需地面体积，避免钻井液和油藏中流入流体而产生有害气体，必须设置流体开/关闭循环系统。其中，钻井液开循环系统的可行性主要取决于钻井液及油藏类型，对于无硫化氢井而言，钻井液循环系统包括分离器、钻机储罐和附加储罐等部分，同时在距离钻机一定位置安装开的顶部储罐，以及时排出有害蒸汽。表1精细控压钻井系统装备配置控制程度等级1级2级3级4级5级旋控装置，自动节流阀系旋控装置，人工节旋控装置，自动节旋控装置，自动节流阀装备配置旋控装置统，地面分离装置，气体压流阀系统流阀系统系统，地面分离装置缩系统转盘L-6DAPC泵入口进入泥浆池阀门状态A-1开A-2开A-3开开开用DAPC高压、A-4压力释多相泵A-5放阀A-6L-5旋转控一进入泥浆制装置C2补给罐密2DAPC装置L-2泵出口A-5C5DAPC节流阀L-4环空岩屑进入泥浆池压井调节阀C4C3钻机管汇L-3放压管线进入泥浆池旁路L-1从旋转控制装置进入节流管汇图1精细控压钻井系统组成1082023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备2应用实例2.1油田概况CK油田勘探于2 0 世纪9 0 年代展开，探井完井数量41口，已探明含油面积及地质储量约为67.4km和2 57 110*t。截止目前，区域内设计油井2 10 3口，水井2 14口；完钻油井17 45口，正钻丛式井组及未钻丛式井组18 0 个和7 8 个。研究区属平缓西倾单斜地质构造，地层倾角半度，坡降6.0 8.0 m/km，构造活动微弱，无油气富集构造带及圈闭，油气藏形成受岩性控制。研究区长6 储层岩性主要表现为灰色细粒长石砂岩及中-细粒、中粒、粉细粒；砂岩中长石、石英及岩屑含量分别为55.8%、2 7.1%、11.6%。砂岩填充物含量中方解石、浊沸石、粘土含量依次为4.9%、2.3%和3.1%2.2钻井难点结合地质资料及已钻井情况，该井微欠平衡钻井施工段油气藏裂隙发育，钻井液安全密度小，发生井涌、漏失、溢漏的可能性非常大；地层压力系数不高，即使清水钻进也难免出现漏失，钻进期间边喷边钻的平衡钻进存在较大难度；井底最高温度不低于17 0，如此环境下油包水及普通水基钻井液悬浮性、流动性及携屑性等均会丧失 2 ，可能引发严重后果。2.3钻井控制此次钻探主要以勘探加帮区域基岩地层为主要目的，故采用四开井身结构的大斜度探井，井身结构见图2。其中，一开钻头尺寸为660.4mm，主要钻进表层以下6 0 m区段，下入473.1mm套管后封固浅层水和上部疏松砂泥岩地层；二开钻头尺寸为444.5mm，主要钻进至632m，下入339.7mm套管后封固石灰岩层；三开钻头尺寸为311.2mm，钻进至1519m并入基岩顶部，下入244.5mm套管后作为造斜稳斜段；四开钻头尺寸为215.9mm，钻进至2 52 1m，该段为微欠平衡钻井施工段，主要采用裸眼完井形式。在该井段钻进的过程中，主要通过精细控压钻井系统和低密度合成基钻井液的配合完成微欠平衡钻井施工，起初井口不施加回压，以溢流控制和漏失监测为重点，如遇溢流，必须改用控压微欠平衡钻进。起钻、钻进、接立柱等过程中井底压力必须相应稳定，同时加强溢流和井漏的有效控制。表层套管0473.1mm60m钻头尺寸0 6 6 0.4mm技术套管0339.7mm632m钻头尺寸0 444.5mm技术套管0244.5mm1519m钻头尺寸0 311.2 mm裸眼段2 531m钻头尺寸0 2 15.9mm图2 井身结构为较好控制井口回压，并将井底压力控制在地层压力以下，确保地层气体在受控状态下侵入井筒，必须在钻进过程中使用控压设备。起钻时在套管内注重浆帽，以确保裸眼段钻井液始终为低密度，避免高密度钻井液与裸眼段固相颗粒接触后进入储存 3。通过回压补偿系统，在接立柱和起钻过程中保持井底压力和地层压力微过平衡。具体而言，在起钻前预先确定出重浆帽高度，按照4831.012MPa控制附加井底压力，同时在套管鞋上方注入重浆帽，并避免裸眼井段与高密度钻井液接触，直至结束钻进任务。3应用效果通过精细控压钻井系统展开微欠平衡钻井并揭露储层后便会有油气显示，进而监测出入口实时流量，加强溢流和损失问题控制，确保其在每钻穿10 0 m深度或每钻进1个气测显示层后，溢流与损失以不超出345kPa的速度增减；为保护油气层，钻进期间井底压力应始终不超出地层压力。该井段钻进时，在6 90 kPa的控制压力下钻进至16 50 m，出现螺旋杆具脱胶现象，起钻时及时更换了螺杆钻具，并将压力控制在2 48 0 kPa以下，速度为3min/柱；起钻后通过压力控制达到地层空隙压力的平衡；起钻至套管段时，注入高密度钻井液，并借助钻井液驱替模式将回压调整至0，并使井筒压力保持在地层空隙压力预测值之上，从而(下转10 5页）(上接10 8 页）105何源非平面齿钻头在HTX1井应用实践第8 期3.4应用效果分析THX1井三开215.9mm井眼从2 57 4m钻至3994m共使用7 只钻头，单只钻头平均进尺达到199.12m，平均机械钻速6.7 m/h，较邻井单只牙轮钻头最高钻速1.35m/h，最长进尺113.0 7 m分别提高了38 8.8 9%和7 6.10%。4认识与建议（1）SD 6 6 52 钻头在火石岭组一趟钻进尺631m，平均机械钻速达到11.3m/h，单只钻头进尺比邻井DS28井提高14.2 倍，大幅度提高了THX1井火石岭组地层的钻井速度，此型号钻头比较适合在火石岭组深灰色安山岩性钻进。（2）从起出钻头磨损情况分析，火石岭组上部深灰色安山岩和凝灰岩、以研磨性为主，可钻性相对好，该段岩性对钻头的冲击性较弱，SD6652进口斧型齿钻头使用效果较好，在该类地层中建议继续使用斧型齿钻头。（3）Z C FH 6 6 50 复合钻头在火石岭组紫红色安山岩地层，单趟钻最高进尺96 m，比邻井DS28井增加1.16 倍，单趟钻最高机械钻速3.31m/h，比邻井DS28提高1.45倍，建议进一步扩大ZCFH6650钻头应用范围，以综合评估其经济性和可行性。（4）SD 6 6 49B高抗研磨系列钻头非平面齿钻头在HTX1井的实践应用有效缩短了该井三开火石对抽汲效应起到一定的补偿。钻进期间借助精细控压钻井系统展开微欠平衡点火钻进、控压起钻、控压接立柱及近平衡完井，整个作业过程中井口回压始终得到控制，井底压力微欠平衡点火钻进的过程中成功点火次数达56 次，点火时间长度共达到2 36 h，单次点火控压时间最长达到7 3h，单程控压起钻最长达到1598m，为钻进控压起钻期间井控安全提供了保证。4结论综上所述，该井低压裂缝基岩地层微欠平衡钻井作业期间，全井段均无漏失发生，表明相关系统及工艺对该类型地层较为适用。井底压力对气层的影响较大，如果采用高密度钻井液很可能增大井漏，损伤裂缝储层，增大油气开采难度。岭组难钻地层的钻进周期，为探索火石岭钻井地层钻头选型提供了数据支撑。参考文献1苗长盛，徐文，刘玉虎，等，2 0 2 0.松辽盆地南部火山岩储层特征 J.吉林大学学报（地球科学版），50（2）：6 35-643.2王天宇.混合钻头技术特点及应用 J.西部探矿工程，2018,30(6):73-76.3陈星星.混合钻头在陵页岩气田的应用 .探矿工程(岩土钻掘工程)，2 0 19,46(10):34-39.4孙源秀,邹德永,郭玉龙,等.切削-犁削混合钻头设计及现场应用 .石油钻采工艺,2 0 16,38(1):53-56.5赵尔信.金刚石复合片的现状及新的应用范围 .超硬材料工程,2 0 16,2 8(2):50-53.林四元,李龙,张波涛,等.北部湾盆地脊形PDC切削齿钻头提速技术 .石油机械,2 0 19,47(4):12-15.6祝小林,杨灿,张鸥,等.新型PDC钻头砾岩破岩技术及应用.石油机械,2 0 19,47(6):2 8-32.7郑家伟国外金刚石钻头的新进展 J.石油机械,2 0 16,44(8):31-36.8张涛,董宏伟,赵峰,等.非平面齿PDC钻头在福山油田砂砾岩地层的应用 .石油工业技术监督,2 0 2 1,37(3)52-54,59.9刘强,贺明敏,黄媚.川中须家河组牙轮-PDC混合钻头钻井提速实践 .钻采工艺，2 0 16,39(6):7-10.10李超,寇明富,王世永,等.酒西地区白垩系地层新型PDC钻头技术及应用 .石油机械,2 0 19,47(3):7-13.收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 7 修回日期：2 0 2 3-0 7-13该井使用低密度钻井液及精细控压钻井系统展开全过程微欠平衡钻井，起到了较好的保护油气层的效果。通过钻井实践，也对该井地层特征做出了全面了解，井下地层岩性稳定，不存在塌、水化迹象，非常适合微欠平衡钻井技术的展开。参考文献1王果.基于线性节流阀的MPD井筒压力调控方法 J.石油钻采工艺,2 0 2 1,43(0 2):197-2 0 2.2邢书超,王建斌.基于被动MPD抑制浅表层出水的钻井方法 J.中国石油和化工标准与质量,2 0 2 0,40(0 9):157-159.3黄熠,杨进,施山山,罗鸣,殷启帅,徐东升.控压钻井技术在海上超高温高压井中的应用 J.石油钻采工艺,2 0 18,40(0 6):6 99-7 0 5.收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 55修回日期：2 0 2 3-0 7-13