欠平衡鉆井技術在碳酸鹽巖超深水平井TP127H井中的應用

于 洋劉曉民黃河淳朱 峰

（1.中國石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州 253000；3.中國石油新疆油田公司風城油田作業區，新疆克拉瑪依 834000）

欠平衡鉆井技術在碳酸鹽巖超深水平井TP127H井中的應用

于 洋1劉曉民1黃河淳2朱 峰3

（1.中國石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州 253000；3.中國石油新疆油田公司風城油田作業區，新疆克拉瑪依 834000）

塔河油田托甫臺地區奧陶系碳酸鹽巖儲層安全壓力窗口窄，儲層以裂縫、縫洞為主，鉆井中易漏、易涌。TP127H井是該區一口碳酸鹽巖超深水平井，鉆至井深6 914.39 m，漏失鉆井液量1 538.67 m3，水平段鉆進鉆遇多個溶洞，為安全順利鉆至設計井深，對該井實施了欠平衡鉆井工藝。論證了該井欠平衡鉆井的可行性，分析了欠平衡鉆井技術的鉆井液密度、井口控制壓力和井底壓力，研究成果應用于TP127H井欠平衡鉆井施工中。應用結果表明，該技術有效地解決了TP127H井漏失難題，對同類油藏的鉆井施工提供了借鑒。

欠平衡鉆井；碳酸鹽巖；超深水平井；欠壓值；井底壓力

塔河油田主力油藏為奧陶系碳酸鹽巖油藏，以灰巖為主，溶洞、溶孔及裂縫較發育。由于儲層連通性好，對鉆井液密度很敏感，該類地層安全壓力窗口窄（0.02～0.04），易漏、易涌，采用常規鉆井技術鉆進碳酸鹽巖地層時，70%以上的井發生井漏，甚至發生嚴重井漏［1］。TP127H井是塔河油田托甫臺區塊一口碳酸鹽巖超深水平井，埋藏深，溫度高，目的層為奧陶系一間房組，設計井深7 298.21 m，水平位移689.52 m，該井水平段長，預測將鉆遇多個裂縫或溶洞井段，常規鉆井技術已無法解決既漏又涌難題，采用欠平衡鉆井，在鉆井過程中保持鉆井液液柱壓力低于地層孔隙壓力，既可解決井漏難題，又可有效控制井涌。因此，對TP127H碳酸鹽巖超深水平井采用液相欠平衡鉆井工藝。

1 欠平衡鉆井可行性

托甫臺區塊奧陶系油藏地層壓力穩定，屬于正常壓力系統，能夠保證欠平衡鉆井井控安全。儲層巖性為灰巖，地層穩定性較好，根據塔河油田鉆井實踐，奧陶系擴徑率小，井壁不易坍塌，可以滿足欠平衡鉆井井壁安全需要。

TP127H井為超深水平井，對測量儀器要求較高，欠平衡鉆井采用液相鉆井液體系，鉆井液中無泡沫、氣泡，不影響測量信號傳輸，對測量儀器無影響，可以確保定向工藝順利實施。

該井鉆至井深6 914.39 m，進行連續油管測試作業，測試井段6 555.6～6 914 m，測試期間未見H2S，可以保證欠平衡鉆井安全施工。

2 鉆井液密度及井口控制壓力、井底壓力計算

鉆井液密度［2-4］確定見下式

式中，ρm為鉆井液密度，g/cm3；pp為地層壓力，MPa；Δp為欠壓值，MPa；paf為環空壓耗，MPa；pbp為井口控制壓力，MPa；h為垂深，m。

為降低泵、井口旋轉防噴器及節流管匯等設備的負荷，增加井控的可靠性，欠平衡鉆井鉆井液排量不宜過大，流動狀態以層流為主。因此可按式（2）計算環空壓耗

式中，τy為屈服值，pa；μp為塑性黏度，mPa·s；L為鉆柱長度，m；Q為排量，L/s；Dh為井眼直徑或套管內徑，mm；Ds為鉆桿或鉆鋌外徑，mm。

計算井口控制壓力

式中，pas為環空靜液柱壓力，MPa；pu為井底欠壓值，MPa。

計算井底壓力

3 欠平衡鉆井欠壓值確定及壓差控制

3.1 欠平衡鉆井欠壓值確定

根據鉆井相關規范要求，動態欠壓值小于孔隙壓力與坍塌之差。依據塔河油田鉆井實踐、TP127H鄰井地層壓力測試報告及地層壓力預測軟件（drillworks），預測TP127H井奧陶系儲層壓力當量密度范圍1.08～1.10 g/cm3。

按照井口回壓為零、井深7 298.21 m計算，井內鉆井液不同密度在對應的地層壓力系數下的動負壓值和靜負壓值如表1所示。

表1 不同鉆井液密度下的負壓值計算結果

碳酸鹽巖儲層安全密度窗口窄，易漏、易涌，欠壓值不宜過大。從表1可看出，為確保控制循環壓力當量密度在安全窗口內，動壓差值選擇0～2 MPa，盡可能減輕井漏，在微涌狀態下實施欠平衡鉆進。

3.2 欠平衡鉆井壓差值控制原則

對于液相欠平衡鉆井，通過井口回壓控制壓差，依據不同情況其控制措施有：（1）按井底常壓法，平穩操作節流閥控制井口回壓，確保欠平衡壓差滿足設計要求，回壓宜控制在3 MPa之內，若超過3 MPa需提高鉆井液密度，每次以提高0.02 g/cm3（井底欠壓值減小1 MPa左右）為準；（2）一旦發現溢流，及時求取地層壓力，根據壓力情況調整井口回壓或者鉆井液密度，使井底欠壓值保持在設計范圍之內；（3）在欠平衡鉆井井口有回壓的情況下，須有專人巡回檢查地層流體在地面流經路線是否存在泄漏現象，一經發現立即組織整改；（4）當回壓超過7 MPa時或井內出氣嚴重，液氣分離器壓力超過其額定壓力的50%時必須調整鉆井參數，當井口回壓降至安全壓力時再繼續鉆進；（5）過大的井底負壓差易造成井壁失穩或井口壓力過大等，應適時通過調節節流閥保持立壓不變，從而控制井底欠壓值不變；（6）鉆進時必須以保證井控安全為第一原則，在未與大氣接觸之前所含H2S濃度等于或大于75 mg/m3，或者自井內返出的氣體，在其與大氣接觸的出口環境中H2S濃度大于30 mg/m3，應立即中止欠平衡鉆進，轉為近平衡鉆進。

3.3 利用立壓值控制壓差

井底負壓值波動大小決定井底是否處于負壓狀態，可以用實測立管壓力波動值判斷和分析井涌情況，并且可以通過調節節流閥保持立壓不變，從而保證對井底負壓差的控制。

由于 欠壓值= 地層壓力+ 噴嘴壓降+ 管內摩阻- 管內液壓- 立壓，當排量和入口鉆井液性能不變時，噴嘴壓降、 管內摩阻、 管內液壓、 地層壓力為常量，設K= 地層壓力+ 噴嘴壓降+ 管內摩阻- 管內液壓，則欠壓值=K-立壓。也就是說，鉆井液排量不變時如果泵壓下降，則井底欠壓值按同值增加，反之如果泵壓上升，則井底欠壓值按同值減少。因此，當隨鉆油氣產量或氣體滑脫上升時，靠調節節流閥使泵壓保持不變即可保持井底欠壓值不變［5-9］。

4 欠平衡鉆井井口裝置及循環流程

4.1 井口裝置

?339.7 mm×?244.5 mm（34.5）MPa套管頭+鉆采一體化四通+變徑法蘭BX158（105MPa）/BX159（69 MPa）+雙閘板BOP（全封、?127 mm半封）+單閘板BOP（?139.7 mm半封）+環形BOP+旋轉防噴器（靜壓35 MPa/動壓17.5 MPa）。

4.2 欠平衡鉆井循環流程

無溢流鉆進時鉆井液循環流程：鉆井液泵→立管→方鉆桿→鉆具內→環形空間→旋轉控制頭→高架槽→振動篩→循環罐→鉆井液泵。

欠平衡鉆進時鉆井液循環流程：鉆井液泵→立管→方鉆桿→鉆具內→環形空間→鉆井四通→欠平衡用節流管匯→液氣分離器→撇油罐→振動篩→循環罐→鉆井液泵。

灌鉆井液循環路線：鉆井液泵→反循環壓井管線→鉆井四通→環形空間→鉆井四通→鉆井節流管匯→液氣分離器→撇油罐→振動篩→循環罐→鉆井液泵。

反循環壓井流程（投球打開旁通閥后）：鉆井液泵→反循環壓井管線→鉆井四通→環形空間→鉆具內→方鉆桿→立管→鉆井節流管匯→液氣分離器→撇油罐→振動篩→循環罐→鉆井液泵。

5 應用分析

TP127H井鉆至井深6 914.39 m，期間已累計漏失鉆井液1 538.67 m3，距完鉆井深還有383.82 m。為減少井漏風險，對6 914.39～7 298.21 m井段實施欠平衡鉆井（表2、表3）。

表2 TP127H井井身結構數據

表3 TP127H井欠平衡井段鉆具組合

5.1 欠平衡鉆井施工簡況

設備安裝試壓合格后，下鉆至6 914.39 m開始復合鉆進，以設計密度低限為第1循環周，鉆井液密度1.04 g/cm3，井內無溢流，故未進行欠平衡流程。

復合鉆進至7 063 m，鉆時異常，發現溢流，轉入欠平衡鉆井流程，轉入欠平衡流程期間內，總共溢流7.6 m3。轉入欠平衡流程后，加回壓2 MPa，發現井漏，之后把節流閥全開，回壓為零，發生溢流，把回壓加到1.7 MPa，井內壓力平衡。檢測到可燃氣體后使用自動點火裝置在火炬口點火，火焰最高1 m，均高0.5 m，最寬處0.5 m，明黃色有黑煙。此時進口鉆井液密度1.04 g/cm3，出口密度1.03 g/cm3，之后對鉆井液進行加重，至入口鉆井液密度1.08 g/cm3，出口密度1.07 g/ cm3，此時回壓1.3 MPa，井內壓力平衡。

井口帶回壓進行鉆進，回壓保持為1.5～2 MPa。地層壓力窗口較窄，低于1.5 MPa即發生井涌，高于2 MPa則可能發生井漏，通過不斷調節節流閥開度來保持井口回壓，保證了正常鉆進的進行。

繼續鉆進，鉆井液密度為1.08 g/cm3，鉆進時附加回壓5～5.5 MPa才能夠平衡地層壓力，原因是井筒內有起下鉆所產生的后效氣體。4次在火炬口引燃液氣分離器分離出的氣體，火焰高度最高1.5 m，均高0.5 m，淡黃無煙。后效氣體排除后，回壓有所下降，在4～4.5 MPa之間達到平衡。為降低井控風險，保證安全鉆進，之后逐漸增加鉆井液密度到1.10 g/ cm3，回壓降低到2～2.5 MPa之間。直至鉆至設計井深7 298.21完鉆。

5.2 數據分析

如圖1，多數時間回壓控制在1～3 MPa以內，中間有一段時間由于鉆井液內混有氣體致使井內壓力降低，為平衡地層壓力，控制回壓為4～5.5 MPa，超過設計的3 MPa，經過加重鉆井液后，回壓回落到1～3 MPa以內，降低了井控風險，同時也滿足了鉆進需要。

圖1 實測回壓值曲線

根據式（4）計算井底壓力及負壓差，見圖2。

圖2 計算井底壓力曲線

該井井底負壓差控制在設計范圍內，通過調節節流閥控制回壓使井底處于“不漏”狀態，井底欠壓值基本維持在0.4～1 MPa，保證了順利鉆進。

如圖3，立管壓力波動值在0.8 MPa以內，負壓差值波動低于0.8 MPa，小于計算負壓值 ，欠平衡鉆井過程中處于負壓狀態。

圖3 立管壓力曲線

如圖4，該井欠平衡井段機械鉆速略高于TP111CH井及TP111井，比TP131H井較慢，主要是該井為解決地層易漏、易涌問題而實施的欠平衡鉆進，地層負壓值不高，所以提速效果不是非常明顯。

圖4 TP127H井欠平衡段機械鉆速與鄰井對比

6 結論

（1）TP127H井為碳酸鹽巖超深水平井，埋藏深，井溫高，安全密度窗口窄，使用欠平衡鉆井取得了較好效果，確保該井水平段鉆進順利完鉆。

（2）欠平衡鉆井中許多因素都可能導致井底喪失欠平衡條件，對于井底壓力的合理控制至為重要，根據兩套切實可行的控制方法，計算和控制井底壓力具有可行性。

（3）井口回壓下調過大則涌，上調過大則漏，根據該井欠平衡鉆井實踐，推薦托甫臺地區奧陶系儲層液相欠平衡鉆井欠壓值控制在0.5 MPa。

（4）在漏失地層中鉆進，不能只考慮堵漏，應首先考慮選用欠平衡鉆井技術，這對于保證鉆井安全施工、防止儲層污染具有常規鉆井不可比擬的優越性。

［1］曾義金.塔北地區碳酸鹽巖儲層欠平衡壓力鉆井技術［J］.石油鉆探技術，2001，29（2）：7-9.

［2］尹愛華，張以明，徐明磊，等.華北油田深潛山欠平衡鉆井技術［J］.石油鉆采工藝，2009，31（2）：6-8.

［3］周英操，高德利，翟洪軍，等.欠平衡鉆井技術在大慶油田探井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2004，26（4）：1-4.

［4］周英操，劉永貴，鹿志文.欠平衡鉆井井底壓力控制技術［J］.石油鉆采工藝，2007，29（2）：13-17.

［5］楊虎，鄢捷年.欠平衡鉆井中鉆井液密度的確定與控制方案［J］.石油鉆采工藝，2003，25（6）：5-9.

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［7］侯緒田.欠平衡鉆井井底壓力自動控制技術［J］.石油鉆探技術，2004，32 （2）：23-24.

［8］楊春國，侯緒田，曹強，等.欠平衡壓力鉆井井底壓力控制技術探討［J］.石油鉆探技術，2000，28（5）：22-23.

［9］朱寬亮.南堡深層潛山水平井欠平衡鉆井技術研究與實踐［J］.石油鉆采工藝，2013，35（4）：17-21.

（修改稿收到日期 2013-12-23）

〔編輯 薛改珍〕

Application of underbalanced drilling technology in ultra-deep horizontal well (TP127H well) of carbonate reservoirs

YU Yang1,LIU Xiaomin1,HUANG Hechun2,ZHU Feng3
（1.Research Institute of Engineering Technology,SINOPEC Northwest Oilfield Company,Urumqi830011,China;2.Shelfoil Petroleum Equipment &Services Co.Ltd.,Dezhou253000,China;3.Fengcheng Field Operation District,Xinjiang Oilfield Company,CNPC,Karamay834000,China）

The Ordovician carbonate reservoir in Tuoputai Area of Tahe Oilfield,the safety pressure window is narrow,the reservoir is dominated by caves and fractures and it is easy to cause lost circulation or kicking.TP127H well is an ultra-deep carbonate horizontal well in this area,which is drilled to the depth of 6914.39 meter with leakage of 1 538.67 m3.Several dissolved caverns were met during horizontal drilling.To drill to the design depth successfully,under-balanced drilling is performed for this well.This paper discusses the feasibility of under-balanced drilling of this well;analyzes the density of drilling fluid,wellhead control pressure and bottom hole pressure in the under-balanced drilling;and the achievements are applied in under-balanced drilling of TP127H well.The results of application show that the technology is able to solve problem of lost circulation of TP127H well and also to provide references for drilling in the similar reservoirs.

underbalanced drilling;carbonate;ultra-deep horizontal well;underpressure value;bottom hole pressure

于洋，劉曉民，黃河淳，等.欠平衡水平鉆井技術在碳酸鹽巖超深水平井TP127H井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：29-32.

TE242

：A

1000-7393（2014）01-0029-04

10.13639/j.odpt.2014.01.008

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”子課題“碳酸鹽巖縫洞型油藏鉆井技術完善與推廣”（編號：2011ZX05049-02-02）。

于洋，1982年生。2006年畢業于東北石油大學石油工程專業，2009年獲中國石油大學（北京）油氣井工程專業碩士學位，現主要從事鉆井技術與工藝研究工作，工程師。電話：15276737086。E-mail：tuojiangniu@126.com。