趙德 趙維青 盧先剛 張欽岳

1. 中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司；2. 中國海洋石油國際有限公司

西非S深水區(qū)塊平均水深大于1500 m，泥線以下1000 m內(nèi)淺部地層存在多套深水快速沉積復(fù)合體，存在淺層氣/淺層流風(fēng)險(xiǎn)，造成地層巖石剪切強(qiáng)度不足，地層破裂壓力較低，由于區(qū)域可參考鄰井資料較少，地層壓力不確定性較大，對(duì)鉆前地層壓力準(zhǔn)確分析和鉆中壓力精細(xì)控制提出較大挑戰(zhàn)。另外，下部目標(biāo)儲(chǔ)層為多套碳酸鹽巖裂縫性地層，裂縫發(fā)育為中等至高度發(fā)育，根據(jù)已有區(qū)域鄰井參考資料，碳酸鹽巖裂縫性地層漏失嚴(yán)重。同時(shí)，根據(jù)鄰井地層取樣資料顯示，區(qū)域地層存在含硫化氫風(fēng)險(xiǎn)。綜合以上情況，S深水區(qū)塊上部地層鉆井作業(yè)面臨地層壓力窗口較窄的風(fēng)險(xiǎn)(壓力窗口小于0.06 g/cm3)，下部碳酸鹽巖儲(chǔ)層存在嚴(yán)重漏失風(fēng)險(xiǎn)和含硫化氫地層井控風(fēng)險(xiǎn)。

控壓鉆井技術(shù)是解決S區(qū)塊鉆井挑戰(zhàn)的優(yōu)選手段。目前應(yīng)用比較成熟的控壓鉆井技術(shù)主要包括井底恒壓鉆井技術(shù)、雙梯度鉆井技術(shù)、泥漿帽鉆井技術(shù)和其他通過井下工具等實(shí)現(xiàn)的輔助控壓鉆井技術(shù)［1-4］。井底恒壓鉆井技術(shù)中的環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)在陸地和海洋鉆井中大范圍推廣應(yīng)用，有效地解決了這些地區(qū)地層壓力窗口窄、溢流漏失頻繁、高溫高壓地層鉆井難度大等問題［5-7］。雙梯度鉆井技術(shù)主要用來解決海洋鉆井面臨的窄安全密度窗口問題， 該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，逐步在墨西哥灣、北海等各個(gè)海洋區(qū)域推廣［8-9］。泥漿帽鉆井技術(shù)中的加壓泥漿帽鉆井技術(shù)在巴西深水鹽下碳酸鹽巖儲(chǔ)層應(yīng)用成熟，實(shí)現(xiàn)該類復(fù)雜地層的安全、高效、經(jīng)濟(jì)鉆進(jìn)［10-11］。加壓泥漿帽鉆井技術(shù)是泥漿帽鉆井技術(shù)的一種特殊應(yīng)用，其工藝對(duì)應(yīng)用的工況要求非常嚴(yán)苛，主要適用于碳酸鹽巖高壓裂縫性油藏，鉆井液完全漏失、含有硫化氫等酸性氣體且硫化氫在地面不容易被安全處理的井［12］。

經(jīng)過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各單項(xiàng)控壓鉆井技術(shù)無法同時(shí)解決S區(qū)塊面臨的窄壓力窗口、碳酸鹽巖裂縫性漏失及含硫化氫地層井控問題?；谥挥屑訅耗酀{帽鉆井技術(shù)可有效解決嚴(yán)重漏失情況下地層硫化氫上竄風(fēng)險(xiǎn)，而環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)可有效解決地層窄壓力窗口和常規(guī)碳酸鹽巖漏失問題，且兩種技術(shù)方案控壓裝置及工藝技術(shù)相似，研究制定一種將兩者技術(shù)組合應(yīng)用的控壓鉆井組合技術(shù)方案，以解決S區(qū)塊的特殊問題。

1 控壓鉆井組合技術(shù)方案

1.1 控壓鉆井組合技術(shù)方案可行性分析

環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)和加壓泥漿帽鉆井技術(shù)均采用地面環(huán)空控壓裝置和控壓管匯實(shí)現(xiàn)環(huán)空壓力控制，兩者控壓設(shè)備存在通用性，可以滿足技術(shù)組合應(yīng)用要求，見圖1。

圖1 海上環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)和加壓泥漿帽技術(shù)裝備Fig. 1 Offshore equipment for annular pressure dynamic control drilling technology and pressurized mud cap technology

環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)和加壓泥漿帽鉆井技術(shù)主要差異為鉆井工藝，兩者實(shí)現(xiàn)井下恒壓控制的媒介不同：前者為動(dòng)態(tài)的環(huán)空循環(huán)鉆井液，后者為靜態(tài)的低密度環(huán)空液(低密度鉆井液或海水)，見圖2。

圖2 環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井和加壓泥漿帽鉆井工藝對(duì)比Fig. 2 Comparison between annular pressure dynamic control drilling technology and pressurized mud cap drilling technology

根據(jù)2種技術(shù)的工藝不同，可通過在不同地層分階段應(yīng)用、關(guān)鍵井段工藝轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)兩者的銜接應(yīng)用。針對(duì)上部薄弱泥頁巖地層和非嚴(yán)重漏失碳酸鹽巖地層使用環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)窄壓力窗口地層的漏失風(fēng)險(xiǎn)管控；針對(duì)下部裂縫性碳酸鹽巖嚴(yán)重漏失地層，轉(zhuǎn)換為加壓泥漿帽鉆井技術(shù)，控制嚴(yán)重漏失的同時(shí)防控地層硫化氫風(fēng)險(xiǎn)。

在上部泥頁巖地層，主要解決地層壓力窗口窄、井壁易失穩(wěn)問題，采用環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)，盡量減少套管下入層次，為處理下部井段復(fù)雜情況預(yù)留應(yīng)急套管下入空間。

在下部裂縫性碳酸鹽巖地層，主要解決嚴(yán)重漏失和含硫化氫地層井控風(fēng)險(xiǎn)問題，正常鉆井時(shí)使用環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)，井下鉆遇嚴(yán)重漏失層時(shí)，轉(zhuǎn)換為加壓泥漿帽鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)嚴(yán)重漏失地層的安全有效控制。

綜合判斷分析，環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)和加壓泥漿帽鉆井技術(shù)組合應(yīng)用從控壓裝備和控壓工藝兩個(gè)方面均具備可行性。

1.2 控壓鉆井技術(shù)轉(zhuǎn)換方案

環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)屬于常規(guī)控壓鉆井技術(shù)，設(shè)備及工藝操控相對(duì)簡單，整體可調(diào)控性較強(qiáng)。加壓泥漿帽鉆井技術(shù)需要將上返鉆井液和巖屑擠入漏失地層，對(duì)漏失地層容納鉆井液和巖屑的能力有較為苛刻的施工要求。對(duì)2種技術(shù)的轉(zhuǎn)換臨界條件進(jìn)行準(zhǔn)確判斷從而安全高效完成轉(zhuǎn)換方案是實(shí)現(xiàn)2種技術(shù)組合應(yīng)用的關(guān)鍵。

1.2.1 環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)向加壓泥漿帽鉆井技術(shù)轉(zhuǎn)換

在正常使用環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)鉆遇嚴(yán)重漏失層后，需要對(duì)鉆井液環(huán)空攜巖效率進(jìn)行評(píng)估，判斷環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)繼續(xù)使用的可行性。如無法繼續(xù)使用環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)，通過漏失地層擠注試驗(yàn)確認(rèn)地層的漏失容量，判斷加壓泥漿帽鉆井技術(shù)實(shí)施可行性。

(1) 鉆井液環(huán)空攜巖效率評(píng)估。如果井下發(fā)生嚴(yán)重漏失，環(huán)空返速低于最小攜砂要求，無法繼續(xù)使用環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，進(jìn)行地層擠注試驗(yàn)。

(2) 地層擠注試驗(yàn)評(píng)估。評(píng)估包括3項(xiàng)內(nèi)容：隨鉆測(cè)井工具最小工作排量、繼續(xù)鉆進(jìn)海水注入液最小攜巖排量和擠注壓力評(píng)估。

地層擠注測(cè)試時(shí)排量應(yīng)滿足井下隨鉆工具最小工作排量。繼續(xù)鉆進(jìn)過程中需要進(jìn)行隨鉆測(cè)井，一方面滿足勘探地質(zhì)資料收集要求，另一方面進(jìn)行地層巖性識(shí)別和卡層，及時(shí)判斷裂縫性碳酸鹽巖漏失層厚度及是否有泥頁巖夾層，以確認(rèn)中完深度，并防止井壁垮塌和卡鉆事故。

繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)海水注入液最小攜巖排量。由于漏失地層物性較為復(fù)雜，為滿足加壓泥漿帽鉆井技術(shù)應(yīng)用中地層對(duì)擠入鉆井液及巖屑容納量，應(yīng)盡量使用較小的鉆進(jìn)排量。在滿足上述隨鉆工具最小工作排量后，繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)海水注入液的攜巖問題可以通過間隔泵入稠塞鉆井液攜砂以及適當(dāng)控制機(jī)械鉆速的工程方案解決，以維持盡可能低的繼續(xù)鉆進(jìn)排量，減小因巖屑進(jìn)入漏失層過快導(dǎo)致裂縫堵塞的復(fù)雜情況。

(3) 擠注壓力評(píng)估。滿足上述排量的擠注壓力應(yīng)小于地面控壓設(shè)備和隔水管的額定工作壓力。

轉(zhuǎn)換方案：地層擠注試驗(yàn)評(píng)估合格后，環(huán)空擠入低密度環(huán)空液，將原環(huán)空鉆井液擠入漏失層，鉆桿泵入海水注入液，使用加壓泥漿帽鉆井技術(shù)繼續(xù)鉆井。

1.2.2 加壓泥漿帽鉆井技術(shù)向環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)轉(zhuǎn)換

在加壓泥漿帽鉆井技術(shù)鉆進(jìn)過程中如果發(fā)生漏失層裂縫被注入巖屑封堵，鉆井液擠注壓力升高，環(huán)空背壓超過控壓裝置額定工作壓力限制，無法滿足繼續(xù)鉆進(jìn)要求時(shí)，應(yīng)考慮安全轉(zhuǎn)回環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)或下入應(yīng)急套管，提前中完。

(1) 加壓泥漿帽鉆井技術(shù)鉆進(jìn)過程中鉆井液擠注壓力超過控壓裝置額定工作壓力，進(jìn)行鉆井液環(huán)空攜巖效率評(píng)估。

(2) 在地面控壓管匯控制下重新確認(rèn)漏失量，如漏失量減小，鉆井液環(huán)空返速滿足攜砂最小排量要求，可轉(zhuǎn)回常規(guī)控壓鉆井技術(shù)。

(3) 如果漏失量仍然較大，鉆井液環(huán)空返速無法滿足攜砂最小排量要求，下入應(yīng)急套管，提前中完。

轉(zhuǎn)換方案：鉆井液環(huán)空攜巖效率評(píng)估合格后，鉆桿泵入常規(guī)鉆井液，頂替置換環(huán)空低密度鉆井液，建立地面鉆井液循環(huán)回路，恢復(fù)環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)鉆進(jìn)。

綜上所述，組合技術(shù)的轉(zhuǎn)換方案是一種動(dòng)態(tài)互換過程，需要根據(jù)井下漏層情況實(shí)時(shí)調(diào)整，轉(zhuǎn)換方案決策流程見圖3。

圖3 控壓鉆井組合技術(shù)方案實(shí)施決策流程Fig. 3 Decision-making process for implementing the technical scheme of the managed pressure drilling combined technology

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

S區(qū)塊X-1井水深1600 m，設(shè)計(jì)井深5600 m，碳酸鹽巖儲(chǔ)層上部為大套泥頁巖，沉積多套深水快速沉積層，地層強(qiáng)度較低，?444.5 mm井段最大地層壓力窗口0.07 g/cm3，下部儲(chǔ)層為多套裂縫性碳酸鹽巖地層，裂縫發(fā)育程度為中～高，地層流體存在含硫化氫風(fēng)險(xiǎn)，本井鉆遇碳酸鹽巖層厚約800 m，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 S區(qū)塊X-1井地層和井身結(jié)構(gòu)Fig. 4 Formation and well structure of Well X-1 in Block S

2.1 X-1井控壓鉆井組合技術(shù)基本方案

(1) 在上部?444.5 mm井段和?311.2 mm井段泥巖地層和常規(guī)漏失碳酸鹽巖地層使用環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，使用接近或略低于預(yù)測(cè)地層壓力的鉆井液密度(預(yù)測(cè)目標(biāo)井段最大地層壓力1.18 g/cm3，選擇鉆井液密度1.20 g/cm3)，通過井口環(huán)空控壓裝置主動(dòng)施加環(huán)空背壓，保持井底當(dāng)量密度恒定，有效避免常規(guī)泥巖地層因破裂壓力過低導(dǎo)致的人工壓裂性漏失，同時(shí)滿足井控和井壁穩(wěn)定性要求，解決地層薄弱帶來的地層壓力窗口窄問題。

(2) 在下部?311.2 mm和?215.9 mm井段碳酸鹽巖地層，發(fā)生嚴(yán)重漏失后，經(jīng)綜合評(píng)估，轉(zhuǎn)換為加壓泥漿帽鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，環(huán)空置換為低密度環(huán)空液(密度1.03～1.05 g/cm3)，減少井下漏失量，期間通過井口控壓裝置被動(dòng)施加環(huán)空背壓，保持地層壓力平衡，防止地層氣體進(jìn)入井筒，當(dāng)采用加壓泥漿帽鉆井技術(shù)鉆進(jìn)期間發(fā)生井下氣體滑脫上移時(shí)，使用硬頂壓井法，通過環(huán)空低密度鉆井液將侵入氣體擠回地層。另外，鉆桿內(nèi)頂替海水為鉆進(jìn)海水注入液(密度1.03 g/cm3)，繼續(xù)鉆進(jìn)裂縫性碳酸鹽巖地層，鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑通過海水注入液攜帶至裂縫性漏失層內(nèi)。

(3) 如漏失層因巖屑注入發(fā)生封堵，無法繼續(xù)使用加壓泥漿帽鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，經(jīng)綜合評(píng)估后，轉(zhuǎn)換回環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)鉆井或下入應(yīng)急套管提前中完。

2.2 轉(zhuǎn)換臨界條件判斷及轉(zhuǎn)換方案

(1)鉆井液環(huán)空攜巖效率評(píng)估。計(jì)算環(huán)空攜砂最小排量，見表1。以?215.9 mm井段為例，當(dāng)正常排量鉆進(jìn)過程中發(fā)生漏失時(shí)，環(huán)空返出鉆井液量減少，為滿足環(huán)空攜砂要求，返出量應(yīng)大于850 L/min。

表1 環(huán)空攜砂最小排量Table 1 Minimum displacement for carrying sand in annulus

(2) 地層擠注試驗(yàn)評(píng)估。地層擠注試驗(yàn)最小排量見表2。以?215.9 mm井段為例，如果地層擠注排量大于1100 L/min，轉(zhuǎn)換至加壓泥漿帽鉆井技術(shù)；如果地層擠注排量介于650～1100 L/min，下入應(yīng)急套管，在?152.4 mm井段使用加壓泥漿帽鉆井技術(shù)；如果地層擠注排量小于650 L/min，無法使用加壓泥漿帽鉆井技術(shù)，需要選擇對(duì)地層進(jìn)行堵漏。

表2 地層擠注試驗(yàn)最小排量Table 2 Minimum displacement for formation squeeze testing

(3)擠注壓力評(píng)估。以某控壓裝置額定壓力為例，旋轉(zhuǎn)控壓器鉆井工況下額定承壓10 MPa，擠注試壓時(shí)環(huán)空使用的是常規(guī)鉆井液，加壓泥漿帽鉆井技術(shù)鉆進(jìn)時(shí)環(huán)空使用的是低密度鉆井液，環(huán)空靜液柱壓差為6 MPa，允許擠注壓力為4 MPa。

2.3 控壓鉆井組合技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析

在控壓鉆井組合技術(shù)應(yīng)用過程中對(duì)工藝流程操作和井下工況判斷有其特殊要求，需要進(jìn)行有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)分析和防控方案制定。

2.3.1 井控安全及天然氣水合物防治

在使用加壓泥漿帽鉆井技術(shù)繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注環(huán)空地層氣體的侵入和滑脫，正常措施是及時(shí)將侵入氣體采用硬頂法擠回地層，但當(dāng)漏失地層被巖屑封堵后，需要將環(huán)空低密度鉆井液置換為常規(guī)鉆井液時(shí)，在含氣環(huán)空低密度鉆井液經(jīng)過海底隔水管附近時(shí)，存在由于海底低溫和高壓環(huán)境產(chǎn)生水合物的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行專項(xiàng)天然氣水合物生成風(fēng)險(xiǎn)分析和制定防治方案。

2.3.2 設(shè)備穩(wěn)定性

新區(qū)域新探井面臨鉆井船裝備的磨合問題，其中尤為突出的是控壓鉆井設(shè)備這種非常規(guī)鉆井設(shè)備，其操作流程相對(duì)復(fù)雜，使用過程中設(shè)備存在故障停工風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致井下異常復(fù)雜情況發(fā)生。所以需要提前對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試檢驗(yàn)，為了增加井隊(duì)人員和第三服務(wù)商人員對(duì)設(shè)備操作的熟練度，應(yīng)提前一開運(yùn)行控壓鉆井設(shè)備，對(duì)設(shè)備和人員進(jìn)行充分磨合。

2.3.3 后勤保障

井下發(fā)生嚴(yán)重漏失時(shí)，首先要考慮采用常規(guī)堵漏方法進(jìn)行堵漏，現(xiàn)場應(yīng)儲(chǔ)備足夠的堵漏材料，同時(shí)在加壓泥漿帽鉆井技術(shù)鉆進(jìn)時(shí)要根據(jù)地層氣體侵入和滑脫情況需要在環(huán)空間隔泵入低密度鉆井液將其擠回地層，環(huán)空低密度鉆井液消耗材料需要進(jìn)行充分準(zhǔn)備。西非區(qū)域由于作業(yè)資源有限，需要提前做好后勤物資保障工作，保障作業(yè)安全、高效進(jìn)行。

3 結(jié)論

(1) 西非S深水區(qū)塊裂縫性碳酸鹽巖地層鉆井面臨窄地層壓力窗口和裂縫性地層嚴(yán)重漏失雙重風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，同時(shí)存在硫化氫井控風(fēng)險(xiǎn)，為成功實(shí)現(xiàn)勘探鉆井任務(wù)，需要對(duì)環(huán)空壓力進(jìn)行精細(xì)控制，單項(xiàng)控壓鉆井技術(shù)無法兼顧上述風(fēng)險(xiǎn)，環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)和加壓泥漿帽鉆井技術(shù)兩項(xiàng)技術(shù)相互結(jié)合可有效解決上述問題。

(2) 環(huán)空壓力動(dòng)態(tài)控制鉆井技術(shù)和加壓泥漿帽鉆井技術(shù)使用的控壓鉆井設(shè)備較為相似，可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩者作業(yè)過程中高效轉(zhuǎn)換，整體應(yīng)用方案安全可行。

(3) 控壓鉆井組合技術(shù)對(duì)設(shè)備和人員的綜合要求較高，轉(zhuǎn)換操作流程相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)用過程中對(duì)地層的識(shí)別判斷有較高經(jīng)驗(yàn)要求，需要對(duì)不同作業(yè)人員、不同區(qū)域、不同復(fù)雜地層進(jìn)行針對(duì)性應(yīng)用分析，以提高技術(shù)的適配性和安全性。