控制壓力鉆井技術在 KVITEBJΦRN油田高溫高壓井中的應用

編譯:呂立新 趙繼軍 (渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司)

審校:陳日吉 劉洪濤 (長城鉆探工程公司)

控制壓力鉆井技術在 KVITEBJΦRN油田高溫高壓井中的應用

編譯:呂立新 趙繼軍 (渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司)

審校:陳日吉 劉洪濤 (長城鉆探工程公司)

KVITEBJΦRN油田是高溫高壓凝析氣田,油層位于中侏羅紀BREN T組和下侏羅紀的砂巖中,經過幾年的開采,地層壓力虧空嚴重,造成井下情況復雜,無法進行鉆井作業。為此,采用了以控制壓力鉆井為主的多項綜合技術,較好地解決了井下鉆井壓力窗口窄小的難題。控制壓力鉆井是利用較低的鉆井液密度和地面控制回壓裝置來調整井下壓力的一項技術,能精確地控制井底壓力接近或稍大于最大地層孔隙壓力。同時采用支持該技術的其他配套技術:鉆井液技術、不間斷循環技術等,以適應高溫高壓環境,為鉆井作業創造了一個安全的環境。該技術成功應用于 KVITEBJΦRN油田的后續2口井。

凝析氣田 控制壓力鉆井 窄小壓力窗口 KVITEBJΦRN油田 高溫高壓

1 概述

KVITEBJΦRN油田位于北海北部挪威大陸架Gullfaks油田的東南部,是高溫高壓凝析氣田,油層位于中侏羅紀BRENT組和下侏羅紀的砂巖中。儲層的油頂垂深大約是4070 m。早期的開發導致了地層壓力虧空,致使儲層的地層孔隙壓力接近破裂壓力。原始孔隙壓力是77.5 MPa(相對密度1.93 SG),破裂壓力是87.5 MPa(2.19 SG),儲層溫度155℃,作業處海水深度193 m。

在應用控制壓力鉆井 (MPD)技術以前,共鉆了9口井。2004年9月,第二口井完井后,該油田開始投產。34/11-A-2井是最后一口采用常規方法鉆的井,該井鉆遇壓力虧空層,地層壓力虧空達14～17 MPa,發生了嚴重的井漏。考慮到井漏帶來的井控方面的高風險,被迫中斷鉆井作業,未能鉆達設計井深。

34/11-A-2井的井漏停鉆事實表明:傳統的鉆井方法不再適用于該油田,除非找到能在壓力窗口窄小情況實現安全鉆進的鉆井方式,否則KVITEBJΦRN油田的鉆井計劃無法進一步實施。

發生34/11-A-2井井漏停鉆事件后,該油田靠采取降低產量、遏制地層壓力衰竭速度的方法,以完成其最初的勘探開發計劃。2006年12月,油田產量降低了50%,而到2007年5月,當地層虧空壓力達20 MPa時,被迫關井停產。

為解決這一高溫高壓氣田窄小壓力窗口鉆井問題,繼續該油田的開發,綜合使用了包括控制壓力鉆井在內的多項技術。

控制壓力鉆井是利用較低的鉆井液密度和地面控制回壓裝置來調整井下壓力的一項技術。如果能精確地控制井底壓力接近或稍大于最大地層孔隙壓力,就能創造一個安全的作業環境,繼續進行鉆井作業。控制壓力鉆井技術為 KVITEBJΦRN油田后續鉆井作業提供了一個解決方案,但該技術在高溫高壓環境下的應用卻鮮有成功先例。

高溫高壓環境需要用到精確的自動節流控制,以補償因井下溫度、鉆具旋轉、抽吸/壓力激動及其他原因產生的井底壓力變化。為了恢復KVITEBJΦRN油田的鉆井作業,采用了以控制壓力鉆井技術為核心,選擇了能支持該技術的其他配套技術,以適應高溫高壓環境,統稱為綜合控制壓力鉆井技術。2007年,該技術在 KVITEBJΦRN油田2口開發井中得到成功應用。

2 綜合控制壓力鉆井技術

綜合控制壓力鉆井技術是多項技術的集成,包括:MPD在高溫高壓井中的應用技術;接單根/立柱過程中的不間斷循環技術;選用能提高地層承壓能力的鉆井液體系等。新技術和新方法的開發和應用貫穿于項目的設計、配套裝備測試和調試等各個階段。

2.1 專業管理

專業管理是成功實施MPD技術的關鍵。MPD鉆井的復雜性,以及服務、設備和人員的協作,要求高水平的監督和管理。要充分發揮設備的潛能,必須優化設備的配套,但這種配套應根據設計的主要目標和要求進行優化。

完成技術和設備的配套設計后,要做的便是進行合理的取舍和權衡,例如要在快速反應和高精度之間進行合理的均衡等。水力模型模擬在應用MPD作業全過程中十分重要,是作為一項最基礎的工作反映在MPD作業的設計、作業程序、應急方案及設備配套等各個環節中。

然而,實踐表明,計算機的模擬數據和實際情況還是有差別的,在MPD實施的過程中,應始終進行實時參數的人工解釋,對模擬數據的準確與否作出判斷。

2.2 MPD的技術核心

MPD核心是利用旋轉頭實現環空動態密封,使返回的泥漿流經地面節流閥,依靠節流閥控制環空回壓,達到調節井下壓力的目的。采用的泥漿密度低于初始地層孔隙壓力,泥漿柱靜壓力、環空循環阻力和環空回壓平衡于底層壓力或稍微高于地層孔隙壓力。MPD技術以這種方式保持了井下壓力平衡,阻止地層流體侵入,防止地層垮塌。

水力流型是實現MPD技術應用于高溫高壓井的關鍵。

高溫高壓井的顯著特點是井下壓力大,這種變化并不只是體現在高當量循環密度 (ECD)的影響,而且井溫的變化可以影響泥漿密度和黏度,管柱的運動、轉動、扭矩和巖屑的運移等,這一切對井底壓力變化產生連續和顯著的影響。因此,只有通過采用補償壓力機制,才能實現井底壓力穩定(圖 1)。

圖1 設備布置圖

壓力補償是利用調節節流閥和調控環空回壓實現的。為此,在高溫高壓情況下,需要實時運行一個高級動態水力流型。受微機計算能力和來自鉆機傳感器的數據輸入速度和準確性的限制,需要用實測的井下壓力數據對流型進行校對,確保其準確性。

自動節流控制的作用有兩方面:一方面將來自流型的變化準確地輸入給節流閥控制器;另一方面是準確及時地調節節流閥,從而實現實時、動態的節流調節與控制。二者是實現系統快速反應和有效工作的關鍵。

一般的鉆井過程中,是連續小幅度地調節節流閥,平衡井下壓力的連續小幅變化。但在一些特殊情況下需要節流控制作出極快速和精確的反應,例如,環空發生堵塞、突然停泵、動力系統故障、刺鉆具等,這時通常就需要人工干預。

用于鉆井液的先進的流體計量技術也適用于MPD鉆井系統。質量流量計精度高,與合適的軟件配套應用,可對井涌進行極其準確的檢測和辨識。

2.3 不間斷循環系統

不間斷循環系統允許在不停止鉆井液循環的條件下實現接單根或立柱的上卸扣作業。在高溫高壓井中,泥漿不間斷循環降低了井下溫度變化造成的影響,實現井筒內的水力學穩定,并有利于更好地實施節流閥控制。作為設備配套的不可或缺步驟,在完成安裝調試不間斷循環系統后,還需要與鉆機系統進行匹配運轉,該系統才能完成預期的作業任務。

2.4 鉆井液

作業中采用的泥漿體系為甲酸鹽 (銫/鉀)體系,加入含量和分布得到良好控制的固相顆粒,以及混入碳酸鈣、石墨和果殼等材料。實驗室證明,這種混合泥漿配方具有良好的提高地層承壓能力特性,能有效提高 KVITEBJΦRN油田砂巖破裂壓力。

在鉆高溫高壓井過程中,起鉆時單靠應用旋轉頭和節流閥機械密封的方式實現井筒壓力的控制并非最佳的選擇,對于井下壓力的有效控制是不夠的。在MPD控制壓力作業中,當起鉆起出大約2/3時,可以采用打平衡泥漿塞 (BMP)和加重泥漿的辦法實現井內的靜液柱壓力過平衡于地層壓力,此后便可以采用常規方法起鉆。這種新研制的BMP是非常穩定的,具有良好的分隔作用,同時可以完全傳遞靜液柱壓力,對井底壓力實現直接控制。當打重泥漿時,先打膠聯隔離塞 (基于甲酸鹽泥漿),起支撐作用,最大程度地減小輕重泥漿間的接觸面,防止重泥漿沿井眼下滑。不過應該注意到,這種利用井內多密度泥漿柱實現井底壓力平衡辦法可能會使井內壓力過平衡于油層壓力的程度較高,且由于后續起鉆作業沒有MPD的壓力補償機制,起鉆時產生的井內壓力波動會比較大。

3 設備布置

MPD作業的設備布置見圖1。將MPD技術用于高溫高壓井的關鍵是將MPD井口壓力控制組置于高壓防噴器 (HP BOP)上面,這樣的井口組合可以滿足高溫高壓井的所有井控要求。在任何情況下,都可以即時啟用高溫高壓井控程序,使用高壓防噴器。

KVITEBJΦRN油田 MPD作業中,采用了183/4in(1 in=25.4 mm) 15000 psi(1 psi=6.895 kPa)防噴器組,其包含4個閘板防噴器和1個10000 psi的環形防噴器。其中中上部閘板為全封/剪切閘板,可以實現剪切鉆桿并實施全密封。置于高壓防噴器組上面的MPD井口控制組則由1個11 in 5000 psi的旋轉控制頭 (RCH)、1個135/8in 5000 psi的閘板防噴器 (能起刮泥和密封作用)和1個135/8in 5000 psi的起下鉆環形防噴裝置組成。

就設備本身而言,MPD井口控制裝置可以作為鉆低壓井的井控裝置,但在這里的MPD作業中,應將井控控制和正常作業控制區分開來。MPD控制系統的核心是隨鉆壓力控制 (PCWD)旋轉控制頭,通過活動的密封元件控制帶壓起下鉆具,并要考慮多組密封配合,確保密封膠芯可以在作業過程中安全更換。

安裝雙節流閥是為了防止節流閥腐蝕壞損。泄壓閥安裝在回流管線,主泄壓閥由節流控制軟件自動控制,主泄壓閥的壓力設置比節流參考壓力高出0.5～1 MPa。

當節流閥設定壓力通過流型器調節時,泄壓閥的設定壓力也會相應自動調節。壓力超過設定值,泄壓閥打開,泄壓。當壓力降到設定值后,泄壓閥會自動關閉。這種泄壓閥能準確地按照預設自動調節,保持井眼的壓力平衡。

流量計安裝在旁路,以便清潔和拆卸。安裝和校驗后,它可提供高質量的數據。這些數據可用于實時在線分析和判斷,甚至可以用于對意外事件的系統反應和決策。在MPD作業中,流量計只用于監測,不用于對系統的直接控制。

輔助泵用于在起下鉆時通過井口裝置連續從循環罐向井內注清潔的泥漿,保持環空充滿泥漿,泥漿的連續循環流動使節流管匯可以維持回壓。這樣就能在不使用鉆井主泥漿泵的情況下,確保環空的壓力控制,降低能耗。輔助泵要求必須是獨立驅動(電動機或柴油機),此外,對其可靠性、壓力波動和排量也有較高的要求。

4 壓力控制

根據所鉆井的地層壓力預測,制定了壓力控制策略和辦法,在鉆34/11-A-13 T2井時采用的壓力控制方法中,初始儲層壓力根據已鉆井獲得;儲層壓力曲線是由當量循環密度來表示的,儲層頂部的值為1.92 SG,儲層底部的值為1.86 SG。由于地層破裂壓力衰竭情況無法準確預計,因此在該儲層中鉆遇壓力虧空的幾率和風險較高。

鉆井過程中,在儲層頂部,井眼壓力梯度控制在1.94 SG(比預測的最大孔隙壓力高出 0.02 SG)。隨著井深增加,壓力逐漸降低,原則是:

◇在儲層鉆進時,始終保持井筒壓力高于最大地層預測壓力值0.02 SG;

◇井筒壓力保持高于已鉆地層壓力測量值0.02 SG,已鉆地層壓力值通過井下鉆具組合中的隨鉆地層壓力測試 (FPWD)工具獲取。

對于壓力控制策略而言,FPWD技術是關鍵,它可以在不停泵或起下鉆的情況下,對地層壓力隨時進行測定。

這種壓力控制方法可以最大限度地利用“壓力窗口”內的可控性,不存在欠平衡帶來的風險。通過節流壓力的控制,可以簡單又快捷地實現對井下壓力的增量控制。實踐表明,利用MPD控制壓力系統對井下壓力進行動態調整的范圍是±0.5 MPa。

5 作業概述

97/8in套管下深為6101 m(垂深4093 m),調整替換為甲酸鹽泥漿 (密度為1.84,測量溫度50℃),在鉆出97/8in套管鞋23 m后,進行地層破裂壓力試驗,測得地層破裂壓力當量泥漿密度為2.05。之后,安裝、調試MPD控制系統,并完成人員培訓、實戰演練等準備工作。

鉆具組合配有綜合隨鉆測井 (LWD)(包括1個隨鉆地層壓力測試工具)、環空壓力和溫度傳感器、3個鉆柱浮閥 (工作壓力51.7 MPa)、1個多功能循環接頭 (MFCS)。采用含41/2in和5 in鉆桿的塔形鉆具組合,能承受55 kN·m的扭矩。

以MPD模式鉆81/2in井眼至6197 m,由于當量循環密度比預測的高0.8～1 MPa,泥漿密度從1.84降至1.81(測量溫度50℃),從而提高了節流閥控制的壓力范圍。

在鉆進過程中壓力檢測到鉆具被刺壞,停鉆,起鉆檢查,發現鉆具在1900 m處斷開。關高壓封井器,關井套壓為4.2 MPa,以補償當量循環密度及回壓的損失,確保井下壓力平衡。人工干預措施以盡量縮短井下欠平衡的時間,未監測到有地層流體的侵入。為達到靜液態平衡,打入密度為2.12的重泥漿塞 (特制的平衡泥漿塞)。由于在斷開處以上的鉆具中沒有浮閥,當起鉆并替換井內泥漿時,不間斷循環系統 (CCS)被證明可以維持井筒內的壓力。

打撈作業進行了數次,在成功打撈出落魚前,還下了電纜測試工具。通過打入平衡泥漿塞,曾幾次在控制壓力鉆井模式和普通鉆井之間轉換。由于泥漿中固相粒子的沉降,落魚的頂部所處環空和鉆具被堵塞,因此必須先清除堵塞物才能成功實施打撈,這延長了打撈作業的時間。在打撈作業過程中,控制壓力鉆井系統的設計靈活性及其可靠性得到充分的證明。

成功完成打撈后,繼續采用控制壓力鉆井的方式鉆穿油層,到測量井深6351 m完鉆。平均鉆井參數:機械鉆速10 m/h,排量 (鉆井泵)1000 L/min, (輔助泵)580 L/min,轉速100 r/min,扭矩是45～58 kN·m。井下壓力維持在當量泥漿密度1.92,節流閥的節流壓力是1.4～1.6 MPa。在鉆穿儲層時,對多點進行地層壓力測試,測試記錄表明儲層壓力衰竭很大,且測到的最大地層虧空壓力出現在下Ness地層,虧空值為12.4 MPa。

鉆達目的井深后,評估完獲取的數據,后續作業順利轉換為過平衡鉆井方式,即常規鉆井模式。

6 總結

6.1 實現高溫高壓環境下MPD壓力自動控制

正常鉆進和循環作業期間,MPD鉆井系統將井眼壓力變化增幅控制在0.04 MPa的范圍內。MPD系統在鉆高溫高壓井中,可以實施精確的壓力自動控制。

6.2 成功配套應用不間斷循環系統

在不間斷循環系統安裝調試結束后,完全可以在不中斷井內循環的情況下接鉆具。接鉆具時,立管壓力波動范圍大約是0.6 MPa,比井下壓力指示值低0.2 MPa,鉆桿上卸扣的扭矩是63 kN·m。

當多次連接鉆具時,停止泥漿循環。此時,當量循環密度減少到零,利用泥漿泵摘泵后的慣性并配合節流閥自動控制模式增加節流閥回壓,用這樣的方法維持井底壓力。這種方法多在緊急情況下和在上部井段起下鉆時使用。

6.3 LWD測量和隨鉆地層壓力測試

要啟動隨鉆測量系統 (LWD)中的地層壓力測試功能 (FPWD),需要周期性地將泥漿泵排量從1000 L/min減到600 L/min,排量的定量變化可以啟動FPWD工具進行壓力測量。要補償泥漿排量的這種變化造成的壓力波動,單靠控壓系統的自動控制難以達到穩定壓力的目的,這就需要實施人工控制,并且產生結果過程具有可重復性。盡管利用人工干預的方式與井下工具進行通訊會產生±0.4 MPa的井下壓力波動,但仍在±0.5 MPa的控制目標范圍內。

6.4 鉆井過程中的氣體問題

在鉆穿油層的過程中,沒有觀察到氣體滲入或氣侵。但仍然在鉆進過程中有氣體進入井內,根據記錄,在泥漿中鉆進氣的濃度最高達到3%,泥漿循環量增加了400～500 L。滯后時間約是1小時。依據流量計的測量,相應的上返速度相當于300 L/min。

監測各參數是確定泥漿中侵入氣體性質及其相關事故的最好方法,一旦鉆進過程中進入井內的氣體返回到地面,泥漿池液面和流速恢復到正常水平,對BHP沒有影響。必要時,應停鉆循環排放氣體。在這種情況下,用BOP關井會使水力流型不穩定,產生更大的壓力波動。明確判斷是氣侵或是地層其他流體侵入,有利于減少關井次數。

6.5 泥漿體系

所用泥漿配方基于大量的室內實驗,其特點是具有低的當量循環密度,但同時在某種程度上犧牲低泥漿的懸浮性。最初的泥漿配方包括果殼材料,但施工過程中發現它會堵塞一些地面設備,因此沒再使用。

泥漿中加入了大量的碳酸鈣。正常循環時,沒有發生問題。停止循環進行長時間的打撈作業時,在井斜57°的井段發現存在嚴重的固相顆粒沉降,嚴重影響了打撈作業的進行。

可見,該泥漿的固相粒子懸浮特性較差,因此在后續的作業中需要調整固相粒子的濃度和增加泥漿的懸浮能力,在優化當量循環密度 (ECD)和泥漿懸浮性能間獲取較平衡、合理的方案。

6.6 流型和APWD讀數

用隨鉆環空壓力測試 (APWD)短節實時測量環空壓力值。這些壓力值主要用來校核流型,優化流型。在測試階段,APWD讀數有1.2 MPa的誤差,經過仔細校核后,讀數穩定。

在鉆井過程中,流型分析結果和APWD讀數之間有0.8～1 MPa的壓力差值,由此可見校核的必要性。通過修正鉆井液流變性輸入值,兩者之間的差值可以減至0.2 MPa,從而提高了精度。

當精度要求較高時,結果校核及APWD工具的誤差值是非常重要的考慮因素。盡管流型的精度不斷得到改善,但畢竟是有限的。可以比較來自APWD和FPWD(隨鉆地層壓力測試)兩個工具的壓力讀數值,這兩個壓力值是獨立的,可與流型比較。對這些測量工具而言,準確性和誤差依然需要關注。

6.7 靜態鉆井液密度

在作業開始階段,依靠鉆井液密度來盡可能減少出現欠平衡,并可以實現較小的回壓。在實際的鉆井過程中,當量循環密度比預計的高,只能逐步降低鉆井液密度,這占用了大量的鉆機時間。隨著對MPD系統信心的增加,將會采用更低的鉆井液密度,提高作業效率。實踐表明,節流壓力越高,節流閥控制的性能和輔助泵的功效越穩定。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.009