精細控壓鉆井技術在深水鉆井中的應用

于水杰，張保康

（1.中國石化國際石油勘探開發公司,北京100029；2.中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津300450）

精細控壓鉆井技術在深水鉆井中的應用

于水杰*1，張保康2

（1.中國石化國際石油勘探開發公司,北京100029；2.中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津300450）

窄密度窗口是深水鉆井中遇到的突出問題，深水的高壓低溫及合成基泥漿的廣泛使用，使井控監測的難度進一步增大。采用精細控壓鉆井技術，可以有效地控制井底壓力，降低窄密度窗口的影響。同時高精度流量計，可以及時發現溢流，并及時采取措施，有效降低非作業時間。

深水鉆井；精細控壓；控壓泥漿帽；隔水管除氣

隨著世界石油勘探開發的逐漸深入，陸地深部地層及深海逐漸成為鉆井工程挑戰的目標，并隨之出現了埋藏深、高溫高壓、深水及邊際油藏等勘探開發難題[1]。

印度尼西亞Makassar海峽區域水深在1500～2000m，屬于深水碳酸鹽巖裂縫性地層，具有典型的孔隙壓力高、破裂壓力低的窄密度窗口的特點。以Talisman公司的Lempuk-1X井為例，該井水深1995m，密度窗口最窄處僅有0.2ppg，典型的又噴又漏地層。在深水環境中，窄密度窗口是造成鉆井周期長、事故頻發、井控風險增加，甚至無法鉆達目的層的主要原因。

GSF EXPLORER深水鉆井船首次將控壓鉆井技術應用于深水鉆井，成功鉆越深水碳酸鹽巖裂縫窄密度窗口地層，為今后此種情況提供了可借鑒的鉆井方式。

1 深水鉆井面臨問題

（1）海底低溫環境[6]。深水環境下，海底溫度通常低于5℃，部分地區在海底泥水分界面，海底溫度會降低到-3℃左右。低溫引起井下泥漿粘度上升，膠凝強度及觸變性的增加，造成循環壓耗的增加，井底壓力上升并難以控制，壓漏窄密度窗口地層。同時海底低溫也會對淺層套管固井造成不利影響。

（2）天然氣水合物影響[4-5]。海洋深水作業環境中由于同時存在低溫高壓，水及天然氣，在發生井涌的情況下，既有可能形成天然氣水合物，凍結井口連接器，阻塞壓井節流管線，在隔水管中流動過程中，隨著鉆井液上升，壓力降低，天然氣突然釋放，造成井控不可控的局面。

（3）窄泥漿密度窗口[2]。深水環境中，海水取代上部地層沉積，致使上覆地層壓力降低，造成破裂壓力過低，而地層孔隙壓力并沒有因此降低，反而不少地區存在高壓產層，造成泥漿密度窗口狹窄，套管程序增加，極大地增大了鉆井成本，在某些情況下，由于套管程序過多，甚至出現無套管可用的情況。由于泥漿密度控制困難，極易發生井涌。一旦發生井涌由于隔水管過長及鉆井船的升沉運動造成井涌檢測困難。同時長度大尺寸小的壓井節流管線，及海底低溫造成的鉆井液流動性變差，造成壓井循環壓耗增大，在窄密度窗口下很可能壓漏地層。

（4）深水淺層地質災害及不穩定海床[3]。淺層氣及淺層水同屬淺層地質災害。淺層地質災害及不穩定海床已造成井口傾斜甚至廢棄，被迫移動鉆井裝置，重新鉆井，增加作業成本。這一問題不在本文討論范圍之內，不再贅述。

深水鉆井中面臨的海底低溫、天然氣水合物及窄泥漿密度窗口均是由于造成井底壓力控制困難或者井底壓力控制困難所造成的，因此有效而精確地控制井底壓力可以促使深水鉆井順利進行。

2 深水精細控壓鉆井設備及技術措施

精細控壓鉆井在陸地鉆井已經廣泛應用。控壓鉆井技術利用封閉的壓力循環系統，通過控制在一定鉆井液密度下，控制井口回壓，使井底壓力保持相對穩定[7]。該技術在常規控壓鉆井基礎上，增加自動節流管匯、隨鉆環空壓力監測（PWD）[8]、自動控制系統等[9]，進一步增加控制精度，并降低反應時間，使鉆井作業更加順暢。由于隔水管的存在，深水控壓鉆井技術及設備與陸地略有不同。

（1）深水精細控壓鉆井技術設備。采用威特福公司的精細控壓鉆井技術及Transocean的隔水管井控設備相結合，威特福公司的精細控壓技術可在溢流量小于80L時監測到溢流，并在2min內控制溢流，使地層流體總溢流量小于800L。動態環空壓力可以實現井口回壓自動控制，精度可以達到50psi。而一旦地層氣體進入隔水管，Transocean的隔水管井控設備為井控安全提供了保障。

①計算機控制及顯示系統。控制系統實時監測立管壓力、鉆壓、鉆速、扭矩等鉆井參數；井底壓力、環空壓力、進口及出口泥漿密度、排量等壓力相關參數；通過井深、鉆頭位置等計算出的循環當量密度；井口回壓等相關參數，并對井底實時壓力及破裂壓力或漏失壓力和坍塌壓力形成實時可視化曲線。計算機控制系統與自動節流管匯控制系統相連接，根據實時曲線，設定回壓值，自動調整節流閥位置，以保持井口回壓。

②隔水管旋轉控制頭。采用威特福7875型旋轉控制頭，最大開口直徑18-3/4″，通過轉換接頭安裝于伸縮隔水管下，位于水面以下，采用雙密封元件，通過液壓將密封元件鎖定于本體內，最大可承受動態壓力2000psi，最大可承受靜壓5000psi，可承受最大拉力3Mbbl。

③隔水管環形防噴器。Transocean的隔水管環形防噴器緊鄰隔水管旋轉控制頭，位于隔水管旋轉控制頭之下，隔水管四通之上，為21-1/4″Hydrill MSP 2000psi環形防噴器，通過液壓管線控制。當清除隔水管內氣體、隔水管旋轉控制頭失效或更換旋轉控制頭內密封件時，可用來關閉隔水管。

④隔水管四通（riser flow spool）。Transocean的隔水管四通，位于隔水管環形防噴器之下，每側各有2個液動閥，通過高壓水龍帶與緩沖管匯（Buffer Manifold）相連，MPD作業時，作為鉆井液出入隔水管的通道。

⑤緩沖管匯（Buffer Manifold）。泥漿的緩沖及分配總匯，決定泥漿的流向，分別與泥漿泵、隔水管四通、MPD管匯、振動篩及二相分離器相連。同時裝配有750psi隔水管泄壓閥，800psi隔水管破裂盤，5000psi隔水管增壓管線泄壓閥，對隔水管進行保護。

⑥自動節流管匯（Secure Manifold）。深水鉆井使用緊湊式一體式自動節流管匯系統，體積小，安裝方便，擁有自能控制單元，可以自動實現回壓的連續調節，精度高，亦可手動控制，擁有高精度的體積流量計，可以精確測量，獲取泥漿回流的流量、密度及溫度。

MPD作業時，為隔水管提供回壓，裝配有4-1/16″5000psi入口、自動及手動節流閥、智能控制系統、液壓泵、科里奧質量流量計、高精度回壓傳感器，控制計算機與智能控制系統相連，對回壓進行自動控制。

⑦二相分離器。采用威特福抗硫化氫二相分離器，最低工作溫度-4℃，最高工作溫度100℃，最大工作壓力125psi，最大工作能力495545m3/d，1678L/min。進口分別于Buffer Manifold和MPD Manifold相連，分離后液體進入振動篩，氣體排到舷外。

隔水管四通、隔水管環形防噴器及Buffer Manifold作為隔水管氣體處理系統（RGH，Riser Gas Handle System）工作，RCD，MPD Manifold、二相分離器及控制系統為MPD裝置。

⑧PWD/MWD。常規控壓井底壓力通常采用預測或者模擬計算的方式獲得。精細空壓通過PWD實時監測井底壓力,通過MWD實時傳輸或者存儲于井下設備，通過實測數據計算井底ECD,通過自動節流閥對井底壓力進行調節，具有實時、準確的特點。

（2）水下設備連接程序。由于隔水管的存在，除了對控壓鉆井設備提出了新的要求，也不同于原有隔水管的連接順序，在控壓設備存在的狀況下，水下設備連接程序由上至下為：

導流器+Flex Joint+伸縮隔水管+RCD+隔水管環形防噴器+Riser Flow Spool+Flex Joint+Terminal Joint+無浮塊隔水管+不同等級浮塊隔水管+無浮塊隔水管+LMRP+水下防噴器組

由于在精細控壓鉆井過程中采用低密度鉆井液，極大地增加了地層流體進入井筒的風險，增加了井控壓力，因此將水下防噴器組的下鉆桿閘板（或中鉆桿閘板）更換為剪切全封閘板。并將水下防噴器壓井管線內注入合成基泥漿所用基油（8.6ppg），與鉆井液相比，通過壓井管匯壓力變化，更加精確地監測井筒壓力。

（3）精細控壓（MPD/PMCD）技術措施：

①MPD。進入碳酸鹽巖地層后，安裝RCD Bearing Assembly，并試壓，轉入MPD鉆進。

鉆進時，通過壓井管線及PWD監測井底壓力，建立井底ECD變化趨勢，如果ECD變小偏離趨勢線，說明可能存在井涌，則應適當增加回壓并觀察井內狀況；如果ECD變大偏離趨勢線，則說明環空巖屑過多，井眼清潔效果差，可適當降低鉆速，循環出環空巖屑。

MPD Manifold觀察井涌及漏失，并適時調節井口回壓。鉆井液從鉆桿進入，從Riser Flow Spool返出后通過Buffer Manifold進入Secure Manifold，由MPD Manifold中的科里奧質量流量計監測流量，最小可發現1桶的變化量，及時發現井涌及井漏。壓力傳感器監測井口回壓，并根據控制系統設定值由自動節流閥提供回壓，后由Secure Manifold進入震動篩。如果氣體含量高，則先進入二相分離器進行氣液分離。由于深水鉆井多采用合成基泥漿，地層油氣溶于合成基泥漿，對井涌的監測造成了困難，尤其是氣體的侵入。含氣的合成基泥漿在循環過程中沿環空上行，隨著壓力溫度的變化，氣體逸出。同時在實際發生氣侵至氣體逸出并被監測的時間內，地層氣體保持侵入的狀態。隨著逸出氣體在井筒內上行，氣體膨脹，井內壓力降低，則需要提供更多回壓，而隔水管及泄壓閥、壓力破裂片對最大回壓存在限制，不超過750psi。因此通過環空多相流計算模擬，溢流速度小于0.5bbl/min，溢流量小于5bbl，溢流時間小于3min，如果井口回壓不超過675psi，則提高井口回壓，直到井內穩定；如果井口回壓大于750psi，則關閉防噴器，進行井控作業。如果溢流速度大于0.5bbl/min，溢流量大于5bbl，溢流時間大于3min，則關閉防噴器，進行井控作業。

②控壓泥漿帽技術（PMCD）。控壓鉆井設備的優點之一是可以在控壓鉆井，控壓泥漿帽鉆井之間轉換。MPD作業過程中，出現漏失，則降低井口回壓，如果出現大量漏失，無法處理，則關閉下環形防噴器，通過壓井管線（已替換成8.6ppg基油）計算地層壓力，且認為地層壓力等于地層破裂壓力。

增壓泵通過增壓管線泵入合理密度鉆井液替換隔水管內原鉆井液，降低隔水管內液柱壓力，使環空壓力小于地層破裂壓力。完成后，打開環形防噴器，并對節流管線內泥漿進行置換，進入PMCD作業。

在PMCD作業過程中，關閉RCD，鉆井泵通過鉆桿泵入海水鉆進，緩慢開泵并逐漸增大排量，直到Secure Manifold有井口壓力顯示，并逐漸增大到設計排量，巖屑及海水進入最上部地層裂縫。密切監測Secure Manifold井口壓力變化，確認是否存在的氣侵，增壓泵通過Riser Flow Spool的左舷（右舷）流動管線，每2h泵入20bbl合理密度鉆井液（地層環空與隔水管環空容積不同），定期將一定量的環空鉆井液擠入地層。

③控壓狀態下測井。鉆達設計井深后，井眼達到測井要求，保持一定的回壓起鉆并密切監測灌漿量。起至水下防噴器后，關閉上全封閘板防噴器，通過壓井管線記錄監測井內壓力。釋放隔水管內回壓，通過泥漿壓縮系數，對釋放壓力與釋放的泥漿體積進行確認，回收RCD密封裝置。

采用9-5/8″Lubricator下入測井補心，并將其鎖定于RCD外筒內。在9-5/8″Lubricator上端連接轉換接頭及承壓補心，測井過程中用于密封測井電纜，承受回壓。

電測工具下至水下防噴器之上時，通過壓井管線觀察下剪切閘板以下井筒壓力，控壓鉆井人員在隔水管內提供回壓，平衡下剪切閘板上下壓力，確認壓力平衡后，打開下剪切閘板，保持井口回壓，進入測井程序。

④井控。由于Secure Manifold能夠精確檢測及自動調節，因此地層流體進入隔水管內的可能性很小。一旦發現井涌應立即關閉水下防噴器，防止地層流體進入隔水管。首先進行確認隔水管內無地層流體，然后按照正常壓井程序進行壓井。如地層流體進去隔水管，則及時隔水管環形防噴器，置換出隔水管內被污染鉆井液，然后進行正常壓井作業，二者不可同時進行。

如果地層流體進入隔水管，在可控條件下允許氣體膨脹，并將其循環出隔水管。關閉隔水管環形防噴器，觀察隔水管內壓力，如果隔水管內壓力超過300psi，則泄壓至300psi。增壓泵向隔水管內泵入壓井泥漿，通過Rise Flow Spool至Buffer Manifold，連接至Secure Manifold，控制回壓及流量，使氣體在隔水管內緩慢上升，控制氣體的逸出速度，防止氣體的突然逸出，造成隔水管的損壞，后進入二相分離器。緩慢開泵至30～50spm，并緩慢打開節流閥，控制隔水管回壓在300psi。如果返出量超過泵排量的20%，則停止泵入，控制回壓穩定在300psi。流動停止后，重新開泵循環并重復上述過程，直到氣體全部循環出隔水管。

采用常規井控程序進行水下防噴器以下的井控作業。

3 現場應用效果

在印度尼西亞Makassar區域采用深水精細控壓鉆井技術成功地解決了噴漏的情況，在鉆井及測井的整個作業過程中，根據PWD數據，合理確定鉆井液密度及回壓，沒有出現井涌及壓漏地層的情況。在深水鉆井日費高昂的情況下，避免井下事故，降低非生產時間，節省作業費用。同時順利鉆穿碳酸鹽裂縫性地層，保護產層，達到了儲層評價的效果。

4 結論

（1）深水精細控壓鉆井技術能有效地解決深水地層窄密度窗口對鉆井作業帶來的一系列復雜情況，有效地降低非作業時間，提高作業效率，降低鉆井費用。

（2）合成基泥漿的使用，使深水井涌的監測更加困難，危害更大，精細控壓設備的高精度流量計，可能及時發現井涌/井漏，及時有效地采取措施，將損失降低到最小。

（3）隔水管環形防噴器的存在，為氣體進入隔水管后，提供了更加安全的保障，避免了一旦導流器損壞，隔水管內氣體無法控制的局面。

（4）鉆井及測井全過程的精細控壓作業對于防止儲層污染，保護儲層提供了更為可靠的保障，為儲層評價提供更為真實可靠的數據。

（5）MPD與PMCD之間的靈活轉換，對于碳酸鹽巖裂縫性噴漏同層地層，是經濟有效安全的解決辦法，最大程度地降低了非作業時間。

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TE242

B

1004-5716（2015）03-0065-04

2014-03-24

2014-04-24

于水杰（1982-），男（漢族），山東文登人，工程師，現從事鉆井技術工作。