彭明佳， 周英操， 郭慶豐， 王天博， 康 健

(1.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000)

窄密度窗口精細控壓鉆井重漿帽優(yōu)化技術(shù)

彭明佳1， 周英操1， 郭慶豐1， 王天博2， 康 健1

(1.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000)

在我國西部深層碳酸鹽地層控壓鉆井中，常采用簡易重漿帽作業(yè)方式，但作業(yè)過程中存在引起井底壓力較大波動乃至誘發(fā)井下故障的風(fēng)險。針對該問題，通過分析重漿注替期間不同階段重漿分布的實時變化，改進了井筒壓力控制方法，優(yōu)化了重漿帽設(shè)計工藝：將壓水眼重漿和重漿帽進行優(yōu)化組合，以壓水眼重漿返出井口為壓力控制節(jié)點，分5段進行壓力控制設(shè)計，壓力控制區(qū)間為0～5 MPa，并以此調(diào)整井口實時壓力控制策略，實現(xiàn)井筒壓力波動幅度小于±0.35 MPa。塔中地區(qū)13口井的應(yīng)用顯示，起下鉆中重漿的使用量平均減少21.5%，注替作業(yè)時間平均縮短17.7%?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)在精細控壓鉆井注替重漿帽過程中能更加有效地控制井筒壓力波動，對精確控制井筒壓力剖面、降低井控風(fēng)險具有較好的應(yīng)用效果。

窄密度窗口 精細控壓鉆井 重漿帽 優(yōu)化設(shè)計

在精細控壓鉆井的正常鉆進中，井底壓力為鉆井液靜液柱壓力、循環(huán)壓耗和井口回壓之和；起下鉆過程中，井底壓力為鉆井液靜液柱壓力和井口回壓之和，則此時井口回壓為循環(huán)期間井口回壓及環(huán)空壓耗之和[1-4]。因下部鉆具組合無法通過旋轉(zhuǎn)控制頭，控壓起鉆中途需轉(zhuǎn)為常規(guī)起鉆，向井內(nèi)注入重漿施加附加壓力以維持井底壓力恒定[5-6]。重漿沿環(huán)空上返期間，井口回壓降低。然而，當(dāng)鉆具內(nèi)的壓水眼重漿進入井眼環(huán)空時將對重漿注入期間的井口回壓產(chǎn)生影響，若注入重漿過程中控制不當(dāng)而使井底壓力產(chǎn)生較大波動，則易引起井下故障[7]。目前國內(nèi)關(guān)于該方面的研究基本還處于空白，現(xiàn)場控壓起鉆過程中將該部分壓水眼重漿忽略不計，因而易引起井底壓力較大波動，尤其對于我國西部深層碳酸鹽巖地層(如塔中地區(qū)窄密度窗口地層)甚至可能誘發(fā)井下故障，存在一定的井控風(fēng)險[8-9]。為此，筆者分析了精細控壓鉆井注入重漿過程中控制井口壓力時存在的問題，將壓水眼重漿與重漿帽組合進行設(shè)計；以塔中地區(qū)某井為例進行了重漿帽設(shè)計，并對簡易重漿帽和組合重漿帽進行了差異化分析，表明新技術(shù)在保證井筒壓力穩(wěn)定方面效果良好。

1 簡易重漿帽及壓水眼重漿參數(shù)計算

1.1 簡易重漿帽參數(shù)的計算

控壓起鉆期間，重漿帽在井底產(chǎn)生附加壓力，該壓力的大小可根據(jù)控壓鉆井水力學(xué)軟件模擬得出，由此可知環(huán)空中所需重漿量及其高度的計算式為：

(1)

V=HVDC

(2)

式中：H為重漿在環(huán)空中的高度，m；Δp為環(huán)空中重漿產(chǎn)生的附加壓力，MPa；pf為環(huán)空循環(huán)摩阻，MPa；g為重力加速度，m/s2；ρ1為重漿帽的鉆井液密度，kg/m3；ρ為鉆進期間的鉆井液密度，kg/m3；V為環(huán)空中的重漿量，m3；VDC為單位長度技術(shù)套管的內(nèi)容積，m3/m。

1.2 壓水眼重漿參數(shù)的計算

控壓起鉆前需向井內(nèi)注入一定量的高密度鉆井液，以防止起鉆時原鉆井液從鉆具內(nèi)噴出，該部分鉆井液稱之為壓水眼重漿。根據(jù)控壓鉆井水力學(xué)模型的模擬原理，可知起鉆時井口壓力、井下內(nèi)防噴工具開啟壓力與安全附加壓力之和即為壓水眼重漿需要產(chǎn)生的壓力，則：

(3)

式中：H1為壓水眼重漿在鉆具內(nèi)的高度，m；ρ2為壓水眼重漿的密度，kg/m3；Δp′為環(huán)空中壓水眼重漿的附加壓力，MPa。

2 井口回壓控制策略

2.1 簡易重漿帽回壓的控制

開啟鉆井泵后，將井口回壓降至p1。重漿進入環(huán)空后井口回壓均勻降低。設(shè)t2為開啟鉆井泵至重漿到達井口的時間，則：

(4)

(5)

2.2 組合重漿帽回壓的控制

壓水眼重漿密度與重漿帽鉆井液的密度不同，針對不同特性的地層，鉆具內(nèi)需注入的重漿量也不同。將該部分重漿與重漿帽進行組合設(shè)計，以鉆柱內(nèi)上部注滿重漿帽、壓水眼重漿到達鉆頭、壓水眼重漿開始進入環(huán)空、壓水眼重漿全部進入環(huán)空、重漿帽開始沿環(huán)空上返等為井口回壓控制的5個階段，形成壓力控制“五段論”設(shè)計方法。

當(dāng)起鉆至設(shè)計的鉆頭深度時，鉆具內(nèi)部的鉆井液分布為：壓水眼重漿距井口一定高度，重漿底部為原鉆井液(見圖2)。

開啟鉆井泵注重漿時井口壓力保持不變，則：

(6)

式中：t3為鉆具內(nèi)部注滿鉆井液需要的時間，s；H2為鉆具內(nèi)的原鉆井液高度，m。

當(dāng)出口開始有鉆井液返出時，說明鉆具內(nèi)部已經(jīng)注滿鉆井液，井筒內(nèi)已建立起循環(huán)，井口回壓降低，降至p1時其降低值為環(huán)空摩阻的大小，則：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

H=H′+H3

(15)

當(dāng)出口鉆井液密度增大時，說明壓水眼重漿已經(jīng)到達井口，此時井口壓力降為0。至此，完成完整的重漿注入過程，井口壓力變化如圖5所示。

3 現(xiàn)場實用性分析

以塔中地區(qū)某井控壓起鉆的第五趟鉆為例，以壓水眼重漿與重漿帽組合作為重漿注入為基本原則，以重漿帽及壓水眼重漿在井筒不同位置的壓力控制作為節(jié)點，將井口壓力分為5個階段進行實時分析與控制，并對組合重漿帽與簡易重漿帽進行差異分析，從而對重漿帽及壓力控制“五段論”的現(xiàn)場實用性進行了驗證。

3.1 井身結(jié)構(gòu)

例井的井深為7 768.00 m，造斜點井深為5 945.00 m，井身結(jié)構(gòu)如圖6所示。

原鉆井液密度為1.16 kg/L，壓水眼重漿密度為1.45 kg/L，重漿帽鉆井液的密度為1.30 kg/L?？貕浩疸@期間的補償壓力為3.5 MPa，環(huán)空摩阻為2.0 MPa，鉆進期間的井口回壓為1.5 MPa，安全壓力附加值為0.5 MPa。起鉆前注入壓水眼重漿為6.0 m3，泵排量為12.0 L/s，單位長度技術(shù)套管內(nèi)容積為24.90 L/m，單位長度鉆桿開排鉆井液體積為2.63 L/m，單位長度鉆桿內(nèi)容積為3.87 L/m，單位長度鉆桿閉排鉆井液體積為6.50 L/m。

3.2 “五段論”回壓控制體系設(shè)計

精細控壓鉆井系統(tǒng)能夠同時監(jiān)測壓力和流量等參數(shù)，對井下溢流、漏失進行動態(tài)監(jiān)控，重漿注入期間參數(shù)控制情況如圖7所示。

3.3 差異分析

若不考慮壓水眼重漿的影響，可將簡易重漿帽高度設(shè)計為2 912.50 m，其與組合重漿帽高度設(shè)計對比情況如圖8所示。

由圖8可知：1)在不考慮壓水眼重漿的情況下進行簡易重漿帽設(shè)計，由于壓水眼重漿的影響，將對井底施加約1.0 MPa的壓力，極易在壓力敏感地層引起井漏等復(fù)雜情況；2)將壓水眼重漿納入重漿帽設(shè)計后，可減小重漿帽高度，降低作業(yè)成本，提高生產(chǎn)時效，同時避免壓水眼重漿進入循環(huán)罐導(dǎo)致混漿。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

窄密度窗口精細控壓鉆井重漿帽優(yōu)化技術(shù)自2012年開始在塔里木油田塔中地區(qū)碳酸鹽巖地層進行了現(xiàn)場應(yīng)用，迄今已經(jīng)應(yīng)用13口井。該技術(shù)針對塔中地區(qū)特殊的地質(zhì)條件和苛刻的控壓鉆井施工要求，實現(xiàn)了井筒壓力波動幅度小于±0.35 MPa，起下鉆重漿使用量平均節(jié)約21.5%，注替作業(yè)時間平均縮短17.7%，單井復(fù)雜時率顯著降低(常規(guī)控壓單井復(fù)雜時率為6.04%,組合重漿帽技術(shù)單井復(fù)雜時率為2.79%)，明顯減少了同構(gòu)造井的漏失量，縮短了故障時間和鉆井周期，提高了機械鉆速，延長了水平段，降低了鉆井成本，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

以TZ862H井6 146.00～8 008.00 m井段控壓鉆井為例說明其應(yīng)用情況。該井位于塔中Ⅰ號坡折帶，縫隙發(fā)育，為典型窄密度窗口地層，易漏易噴，井口控壓變化最小0.3 MPa就會造成井底壓力波動和液面變化。同時，由于井段超長，鉆井液性能維護困難，尤其在作業(yè)后期氣泡極多，起下鉆期間鉆井液罐液面變化大，直接影響溢流和井漏監(jiān)測。根據(jù)該技術(shù)的設(shè)計原則，盡量在縫洞系統(tǒng)走低限，控壓起鉆期間對2種密度的重漿進行組合，以壓水眼重漿返出井口為壓力控制節(jié)點，分5段進行壓力控制設(shè)計，并以此調(diào)整井口實時壓力控制策略，觀察井底的壓力、出入口流量變化及鉆井液溢漏情況，順利通過多個薄弱層，保證既不發(fā)生嚴重溢流，也能及時控制因井底壓力持續(xù)升高而可能誘發(fā)的井漏，實現(xiàn)小溢流量狀況下的安全作業(yè)，規(guī)避了重漿壓井導(dǎo)致井漏的風(fēng)險，成功鉆穿長水平段多套縫洞單元，全程“零漏失”、“零故障”，完鉆井深8 008.00 m，垂深6 327.60 m，水平位移1 997.00 m，水平段長1 551.87 m，施工取得圓滿成功。

5 結(jié) 論

1) 利用組合重漿帽技術(shù)能夠成功實現(xiàn)水平鉆穿碳酸鹽巖儲層多套縫洞單元的目的，有利于提高我國西部深層碳酸鹽巖地層水平井的鉆井速度，減少井下故障，提升井筒供液能力。

2) 合理的井口壓力分段控制策略是實現(xiàn)組合重漿帽設(shè)計的關(guān)鍵。只有依據(jù)控壓鉆井水力學(xué)模擬軟件對重漿帽及壓水眼重漿在鉆柱及環(huán)空內(nèi)的運移速度做出實時準(zhǔn)確的模擬，并結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗及理論計算進行修正，才能保證井底壓力恒定。

3) 現(xiàn)場施工過程中，為提高安全壓力附加值，常注入過量壓水眼重漿。當(dāng)起鉆至設(shè)計重漿帽深度時，會有部分壓水眼重漿進入井筒，因此采用組合重漿帽設(shè)計時，如何判斷鉆具內(nèi)的壓水眼重漿位置及準(zhǔn)確計算剩余重漿體積，是以后的主要研究方向。

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[編輯 令文學(xué)]

Optimization of Heavy Mud Cap in Narrow Density Window Precise Managed Pressure Drilling

Peng Mingjia1, Zhou Yingcao1, Guo Qingfeng1, Wang Tianbo2, Kang Jian1

(1.CNPCDrillingEngineeringResearchInstitute,Beijing, 102206,China；2.PetroChinaTarimOilfieldCompany,Korla,Xinjiang, 841000,China)

When managed pressure drilling was conducted in the deep carbonates in western China, a simple heavy mud cap mode was generally used, but it resulted in larger fluctuation of bottom hole pressure (BHP) and even precipitated the risk of downhole failures. In this paper, therefore, the borehole pressure control method was improved and a heavy mud cap design was optimized after analysis was conducted on the real-time variation of heavy mud distribution at each stage of heavy mud injection. Nozzle killing heavy mud and heavy mud cap (two drilling fluids with different densities) were optimized and combined. A pressure control design was carried out in five stages with the returning of nozzle killing heavy mud to the well head as a pressure control node, and pressure control ranged from zero to 5 MPa, and based on that, real-time wellhead pressure control strategies were adjusted in order to ensure the fluctuation range of the wellbore pressure to less than ±0.35 MPa. When the method was applied to 13 wells in central Tarim, heavy mud consumption during the trip was reduced by 21.5% and injection time was shortened by 17.7%. It was shown that the new method could keep the BHP steady more efficiently and achieve better effects of precise wellhore pressure profile control and well control risk reduction when it was applied to the injection of a heavy mud cap in precise managed pressure drilling regime.

narrow density window; precise managed pressure drilling; heavy mud cap；optimization

2015-04-28；改回日期：2015-10-21。

彭明佳(1990—)，男，江蘇徐州人，2013年畢業(yè)于河北大學(xué)行政管理專業(yè)，助理工程師，主要從事欠平衡鉆井、精細控壓鉆井技術(shù)等新型鉆井技術(shù)研究工作。

國家科技重大專項“窄密度窗口安全鉆井技術(shù)與配套裝備”(編號：2011ZX05021-003)和中國石油天然氣集團公司重大專項“深層碳酸鹽巖地層與井筒耦合作用機理與壓力自動控制方法研究”(編號：51274221)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201506005

TE249

A

1001-0890(2015)06-0024-05

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