隔水管鉆井液控壓技術(shù)及其在深水鉆井中的應(yīng)用前景

孫玉學(xué)，李城里，趙景原，呼布?xì)J

東北石油大學(xué)

0 引言

全球深水油氣資源豐富，約占總資源的10%～15%，已成為接替常規(guī)油氣的重要戰(zhàn)略領(lǐng)域[1- 2]。深水鉆井難度大，存在較多的難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)，如海洋環(huán)境惡劣、壓力窗口窄、井控難度高、平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、井口易形成水合物、作業(yè)周期長(zhǎng)等[3- 6]，對(duì)深水鉆井提出了更高的要求，也將增加鉆井成本[7- 8]。而深水鉆井面臨的諸多問(wèn)題中，孔隙壓力與破裂壓力之間的安全密度窗口窄是常見(jiàn)問(wèn)題[9- 10]，為安全鉆達(dá)目的層，通常采用多層套管封隔各個(gè)復(fù)雜層段。但是，由于套管尺寸的限制，過(guò)多的復(fù)雜層段可能導(dǎo)致套管層次不夠無(wú)法鉆至目的層，或即便鉆至目的層，由于生產(chǎn)套管尺寸較小，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)能[11- 13]。此外，窄密度窗口還會(huì)限制鉆井液在環(huán)空中的流速，不利于井眼的清潔，降低機(jī)械鉆速。

隔水管鉆井液控壓技術(shù)是一種新型雙梯度控壓鉆井技術(shù)，主要是為了解決深水鉆井中遇到的窄密度窗口問(wèn)題。該技術(shù)通過(guò)調(diào)整環(huán)空中鉆井液液柱高度達(dá)到控制井底壓力，有效提高單層套管的下入深度，減少套管下入的層次，節(jié)約鉆井時(shí)間，減少鉆井成本。2012年，該技術(shù)在墨西哥灣首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，但目前國(guó)內(nèi)還未將該技術(shù)付諸實(shí)踐。

1 隔水管鉆井液控壓鉆井系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

隔水管鉆井液控壓技術(shù)是基于無(wú)隔水管鉆井液上返技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新型雙梯度控壓鉆井技術(shù)[14- 15]。傳統(tǒng)的雙梯度控壓鉆井技術(shù)中隔水管內(nèi)的鉆井液通常為兩種不同密度的流體，下部為加重鉆井液，上部為海水或其它與海水密度相近的流體，通過(guò)調(diào)節(jié)兩種流體之間的界面高度控制井底壓力。如果安裝了旋轉(zhuǎn)控制裝置，還可通過(guò)控制回壓調(diào)節(jié)井底壓力[16- 18]。而隔水管鉆井液控壓技術(shù)中隔水管上部為氣體，下部為鉆井液，通過(guò)調(diào)節(jié)隔水管內(nèi)鉆井液液面高度控制井底壓力。

隔水管鉆井液控壓鉆井系統(tǒng)中，鉆井液經(jīng)鉆桿、鉆頭到達(dá)井底，進(jìn)入環(huán)空后并不經(jīng)隔水管返排至地面，而是通過(guò)安裝在隔水管上的海底泵模塊將鉆井液經(jīng)返排管線泵送至地面。當(dāng)需要調(diào)整井筒壓力時(shí)，改變平臺(tái)上鉆井液泵與海底泵的相對(duì)泵速，由于泵入與泵出隔水管的鉆井液體積不同，隔水管中鉆井液液面高度發(fā)生變化，即井筒中鉆井液靜液壓力發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)控井筒壓力的目的[19- 21]。

1.2 系統(tǒng)組成

與常規(guī)鉆井系統(tǒng)相比，采用隔水管鉆井液控壓技術(shù)需安裝輔助設(shè)備，主要有海底泵模塊、鉆井液返排管線、臍帶纜、改性隔水管單根、頂部灌注泵等[22]。隔水管鉆井液控壓鉆井系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 隔水管鉆井液控壓鉆井系統(tǒng)組成

海底泵模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。模塊中的海底泵組由多個(gè)泵串聯(lián)而成，主要作用是將隔水管中的鉆井液經(jīng)返排管線泵送至地面[23- 25]。鉆井液返排管線的出口安裝有流量計(jì)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量鉆井液返排流量。臍帶纜既能給水下海底泵模塊傳輸電力，還可向水下設(shè)備傳遞鉆井平臺(tái)上控制系統(tǒng)的控制信號(hào)并將水下傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姐@井平臺(tái)[26]。改性隔水管單根主要用來(lái)支撐海底泵模塊，內(nèi)部裝有兩個(gè)精密壓力計(jì)，用以測(cè)量隔水管上部鉆井液靜液壓力。在海底泵與改性隔水管之間裝有兩個(gè)串聯(lián)的隔離閥，通過(guò)開(kāi)關(guān)隔離閥可實(shí)現(xiàn)常規(guī)鉆井與隔水管鉆井液控壓鉆井之間的轉(zhuǎn)換[27- 28]。頂部灌注泵可從隔水管上部向環(huán)空中灌注鉆井液，當(dāng)井涌發(fā)生時(shí)，可使用頂部灌注泵快速提高隔水管中鉆井液液面高度，增加井底壓力，并使侵入井筒的氣體經(jīng)返排管線進(jìn)入氣相處理裝置[29]。

2 隔水管鉆井液控壓技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

傳統(tǒng)的液—液(隔水管上部為與海水密度相似的輕質(zhì)流體，下部為鉆井液)雙梯度控壓鉆井系統(tǒng)，液體之間的界面高度確定后，在鉆井施工中便無(wú)法靈活改變，下入套管后鉆開(kāi)新地層時(shí)，仍需調(diào)整鉆井液密度。而隔水管鉆井液控壓技術(shù)基本原理是通過(guò)改變環(huán)空中鉆井液液面高度控制井底壓力，調(diào)壓更加靈活，下入套管后可在不改變鉆井液密度情況下繼續(xù)鉆進(jìn)。且相較其它液—液雙梯度控壓鉆井技術(shù)而言，隔水管鉆井液控壓技術(shù)操作簡(jiǎn)單，對(duì)鉆井船改造較小，費(fèi)用低[30]。

2.1 有利于減少窄密度窗口井的套管層次

海洋深水鉆井經(jīng)常遇到窄密度窗口。在鉆窄密度窗口地層時(shí)通常采用多個(gè)套管層次以封閉漏層或者氣層，增加鉆井作業(yè)時(shí)間及鉆井成本，尤其是過(guò)多的套管層次還會(huì)在一定程度上限制生產(chǎn)套管的尺寸，影響油氣井產(chǎn)量。通過(guò)改善鉆井液的流變性，可在一定程度上降低循環(huán)摩阻，減少套管使用的總長(zhǎng)度，但這種方式減少套管用量的能力有限[31]。而隔水管鉆井液控壓技術(shù)可以通過(guò)降低環(huán)空鉆井液液柱高度，使井筒壓力與密度窗口更加匹配，大幅度降低套管的使用量與下入層次，其當(dāng)量鉆井液密度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ρD—深度為D處的當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；ρm—鉆井液密度，g/cm3；D—深度，m；H—隔水管空余高度，m；Pf—循環(huán)摩阻，Pa。

由式(1)可知，隔水管鉆井液控壓技術(shù)中的井筒壓力當(dāng)量鉆井液密度是一條曲線，與密度窗口更加匹配。

圖2和圖3是北海的某口井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。該井目標(biāo)井深5 500 m，所在區(qū)域水深2 500 m[27]。采用常規(guī)鉆井方式鉆進(jìn)時(shí)，為匹配對(duì)應(yīng)的鉆井液密度，需下入5層套管；而采用隔水管鉆井液控壓技術(shù)，則只需下入3層套管，套管長(zhǎng)度共減少約26%。采用隔水管鉆井液控壓技術(shù)在深水窄密度窗口地層的鉆井時(shí)能大大降低套管的下入層次，減少套管用量及下套管、固井作業(yè)時(shí)間，大幅度降低鉆井成本。

圖2 常規(guī)鉆井方式的當(dāng)量鉆井液密度

圖3 采用隔水管鉆井液控壓技術(shù)的鉆井液密度

2.2 可早期井涌及漏失檢測(cè)

2.2.1 鉆進(jìn)時(shí)井涌及漏失檢測(cè)

在隔水管鉆井液控壓技術(shù)中除了流量計(jì)、鉆井液池兩種常用的井涌及漏失檢測(cè)方式外，還可通過(guò)安裝在隔水管中的壓力計(jì)及海底泵泵速的變化來(lái)判斷井涌或漏失情況。如圖4所示，發(fā)生漏失時(shí)，首先引起隔水管中鉆井液液面高度下降，壓力計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)變小。所測(cè)壓力數(shù)據(jù)經(jīng)臍帶纜傳輸至控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向海底泵模塊傳輸信號(hào)降低泵速以穩(wěn)定井底壓力。一段時(shí)間后，流量計(jì)才能檢測(cè)到鉆井液返排流量的減小，進(jìn)而導(dǎo)致鉆井液池液面高度減小。因此，通過(guò)壓力計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)以及海底泵泵速的變化判斷井涌或漏失所用的時(shí)間要少于通過(guò)流量計(jì)或鉆井液池液面高度的變化判斷井涌或漏失的時(shí)間[16,24,29]。

圖4 隔水管鉆井液控壓系統(tǒng)中井涌檢測(cè)方式

圖5是墨西哥灣某口井發(fā)生井涌時(shí)各個(gè)參數(shù)的變化情況。發(fā)生井涌時(shí)，最先出現(xiàn)異常變化的是壓力計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)及海底泵泵速。而在壓力計(jì)及海底泵判斷出井涌后約38 s鉆井液返回管線上的流量計(jì)才檢測(cè)到井涌情況[32]。

圖5 墨西哥灣某口井的井涌檢測(cè)曲線

2.2.2 停泵時(shí)井涌及漏失檢測(cè)

雙梯度控壓鉆井系統(tǒng)中，鉆桿內(nèi)壓力和環(huán)空內(nèi)壓力不平衡。停泵時(shí)鉆桿內(nèi)的鉆井液會(huì)流入環(huán)空，這種現(xiàn)象被稱為“U 型管效應(yīng)”。液—液雙梯度控壓鉆井一般采用鉆桿閥消除U型管效應(yīng)，但隨著水深的增加，鉆桿閥失效的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大，且安裝鉆桿閥后會(huì)增加鉆井操作的復(fù)雜性，有時(shí)為了方便甚至不用鉆桿閥。鉆桿閥失效或不用鉆桿閥都會(huì)導(dǎo)致停泵時(shí)無(wú)法判斷井筒是否有流體侵入[33]。平臺(tái)鉆井液泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，隔水管鉆井液控壓系統(tǒng)中的海底泵可將因“U型管效應(yīng)”流入環(huán)空的多余的鉆井液經(jīng)返排管線輸送至鉆井液池，保持井底壓力的恒定，可在不安裝鉆桿閥的情況下處理“U”型管問(wèn)題并檢測(cè)井涌或漏失。

采用隔水管鉆井液控壓技術(shù)進(jìn)行接單根操作時(shí)，記錄改性隔水管中壓力計(jì)所測(cè)壓力、海底泵泵速，以未發(fā)生井涌及井漏時(shí)各種參數(shù)的變化曲線作為基線，將相同方式和步驟下所記錄的接單根各參數(shù)與基線對(duì)比，若發(fā)生偏離，則可判斷發(fā)生了井涌或漏失[16,32]。

圖6是墨西哥灣某口井停泵發(fā)生井涌時(shí)各參數(shù)的變化情況所繪制的曲線圖。從圖6看出，發(fā)生井涌后初始階段，較基線相比，壓力計(jì)所測(cè)壓力、泵功率率及流量計(jì)流量均增加，并且通過(guò)壓力計(jì)及海底泵判斷出井涌所用時(shí)間比從流量計(jì)判斷的井涌快了約35 s[32]。圖7是未發(fā)生井涌或漏失時(shí)各參數(shù)的變化情況所繪制的曲線，該情況下各個(gè)參數(shù)的變化與基線相吻合。相較于傳統(tǒng)控壓鉆井及液—液雙梯度控壓鉆井系統(tǒng)，隔水管鉆井液控壓技術(shù)具有更快的井涌及漏失檢測(cè)能力，大大提高了深水鉆井過(guò)程中的安全性。

圖6 墨西哥灣某口井接單根時(shí)發(fā)生井涌的曲線

圖7 墨西哥灣某口井接單根時(shí)正常情況的曲線

2.3 控壓固井

窄密度窗口地層固井時(shí)，通常降低水泥漿的密度及頂替速率以避免壓裂地層[34]。但這樣會(huì)影響水泥石膠結(jié)強(qiáng)度，且易發(fā)生竄槽。同時(shí)，水泥漿的固化伴隨著失重現(xiàn)象，地層中的流體很有可能突破水泥與地層之間的連接而竄層。

使用隔水管鉆井液控壓技術(shù)固井時(shí)，可以很好的解決上述問(wèn)題。固井過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)整隔水管中的鉆井液液面高度調(diào)控井筒壓力，保證環(huán)空中水泥漿的頂替速率及水泥漿密度，提高固井質(zhì)量[35]。具體過(guò)程可分為：

(1)在水泥漿到達(dá)環(huán)空之前，保持環(huán)空中的鉆井液液面高度不變。

(2)當(dāng)水泥漿進(jìn)入環(huán)空后，分步逐漸降低環(huán)空中的液面高度，以抵消水泥漿的靜液壓力。

(3)當(dāng)水泥漿到達(dá)指定位置后，保持環(huán)空中鉆井液液柱高度不變。

(4)一定時(shí)間后，水泥漿逐漸凝固，靜液壓力降低，此時(shí)分步逐漸升高環(huán)空中鉆井液液柱高度，補(bǔ)償水泥漿固化過(guò)程中喪失的靜液壓力。

圖8是墨西哥灣某口井固井過(guò)程中，隔水管中的液面高度變化情況。水泥漿進(jìn)入環(huán)空后，分5步將隔水管液面高度降至300 m，并在300 m高度保持1.5 h。1.5 h后水泥漿逐漸因固化而失重，在之后的4 h時(shí)間里，分步逐漸提升隔水管中鉆井液液面高度，防止地層流體竄層[29]。采用隔水管鉆井液控壓技術(shù)固井不僅能大大提高固井質(zhì)量，保證井筒的完整性，還能通過(guò)調(diào)整隔水管中鉆井液液面高度，使固井過(guò)程中井筒壓力始終保持在破裂壓力以下，提高固井過(guò)程的安全性。

圖8 墨西哥灣某口井固井過(guò)程隔水管中鉆井液液面高度變化情況

2.4 增加水平井鉆進(jìn)長(zhǎng)度

在窄密度窗口地層鉆水平井時(shí)，隨著水平段段長(zhǎng)的增加，循環(huán)摩阻逐漸增加，限制了水平段的鉆進(jìn)長(zhǎng)度。通過(guò)調(diào)節(jié)鉆井液的流變性或者降低循環(huán)速率來(lái)降低循環(huán)摩阻，會(huì)影響鉆井液的攜屑能力以及井眼凈化能力。而采用隔水管鉆井液控壓技術(shù)鉆進(jìn)，通過(guò)降低隔水管中液面高度，可抵消部分循環(huán)摩阻，在保證循環(huán)速率的情況下增加水平段的鉆進(jìn)長(zhǎng)度。

墨西哥灣某口井水深1 500 m，造斜點(diǎn)深度為2 743 m，水平段所在的地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度為1.35 g/cm3，破裂壓力當(dāng)量鉆井液密度為1.45 g/cm3[32](見(jiàn)圖9)。假設(shè)單位長(zhǎng)度上兩種鉆井方式循環(huán)摩阻相同，采用隔水管鉆井液控壓技術(shù)鉆進(jìn)時(shí)，將隔水管中鉆井液液面高度降低240 m，可將水平段長(zhǎng)度鉆至1 003 m，而常規(guī)的鉆井方式為避免井底壓力超過(guò)破裂壓力，僅能將水平段長(zhǎng)度鉆至523 m，隔水管鉆井液控壓技術(shù)鉆進(jìn)長(zhǎng)度比常規(guī)鉆井方式鉆進(jìn)長(zhǎng)度多480 m[32]。

圖9 常規(guī)鉆井與隔水管鉆井液控壓技術(shù)鉆水平段長(zhǎng)度的比較

2.5 降低鉆井液濾失量及提高井眼清潔能力

鉆井過(guò)程中，降低井底壓力能有效降低鉆井液濾失量。隔水管鉆井液控壓技術(shù)的井底壓力能更加貼近孔隙壓力(見(jiàn)圖10)，且隔水管鉆井液控壓技術(shù)可抵消循環(huán)摩阻，使鉆進(jìn)過(guò)程的井底壓力進(jìn)一步接近孔隙壓力，大大降低鉆井液的濾失量[36- 37]。

圖10 不同技術(shù)條件下密度窗口關(guān)系圖

如圖11所示，當(dāng)需要增加鉆井液排量以提高井眼清潔能力時(shí)，常規(guī)鉆井方式增加排量后可能由于循環(huán)壓耗增加而導(dǎo)致井筒壓力超過(guò)地層破裂壓力，而在隔水管鉆井液控壓技術(shù)的支撐下，雖然鉆井液排量增大了，但其井筒內(nèi)當(dāng)量鉆井液密度仍可保持在井筒密度窗口內(nèi)[38]。

圖11 排量增加后密度窗口關(guān)系圖

3 隔水管鉆井液控壓技術(shù)展望

隔水管鉆井液控壓技術(shù)調(diào)節(jié)井筒壓力更為靈活，檢測(cè)井涌及漏失所用時(shí)間更短，受海洋環(huán)境的影響更小。但該技術(shù)本身目前還存在一定的問(wèn)題以及需要改進(jìn)的地方。

(1)氣侵時(shí)存在一定的安全隱患。當(dāng)有氣體侵入井筒時(shí)，頂部灌注泵會(huì)從隔水管上部向隔水管中灌注鉆井液，鉆井液向下流入的速率大于氣體向上的滑移速率，氣體會(huì)經(jīng)鉆井液返排管線返排至地面。但在某些極端情況下，如頂部灌注泵損壞、對(duì)氣體向上滑移速度預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確等，侵入井筒的氣體可能與隔水管中空氣混合，存在潛在的安全隱患。

(2)隔水管鉆井液控壓技術(shù)需要配套抗壓強(qiáng)度更高的隔水管。隔水管上部為氣體，管內(nèi)壓力為大氣壓，受周圍海水周向內(nèi)擠壓力，該內(nèi)擠壓力在氣液界面達(dá)到最大，這就對(duì)隔水管的抗擠強(qiáng)度提出了更高的要求。由于現(xiàn)用隔水管抗擠強(qiáng)度的限制，在一定程度上約束了隔水管鉆井液控壓系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)范圍。未來(lái)需要研制新的抗擠強(qiáng)度更高的隔水管以滿足隔水管鉆井液控壓技術(shù)的要求。

(3)隔水管鉆井液控壓技術(shù)與旋轉(zhuǎn)控制裝置結(jié)合。隔水管鉆井液控壓技術(shù)雖然能靈活調(diào)整井筒壓力，但根據(jù)目前資料，現(xiàn)場(chǎng)只應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行了過(guò)平衡鉆井，還沒(méi)有應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行欠平衡鉆井。未來(lái)有希望將隔水管鉆井液技術(shù)與旋轉(zhuǎn)控制裝置相結(jié)合，在深水區(qū)探井及開(kāi)發(fā)井中實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆進(jìn)。

4 結(jié)論

(1)隔水管鉆井液控壓技術(shù)是一種新型控壓鉆井技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)控制隔水管中鉆井液液面高度，靈活調(diào)整井筒壓力，具有較早的井涌及漏失檢測(cè)能力，且受海洋環(huán)境影響較小，在深水鉆井中具有巨大的應(yīng)用前景。

(2)應(yīng)用隔水管鉆井液控壓技術(shù)進(jìn)行深水鉆井，井筒壓力與地層安全密度窗口更加匹配，可大幅度減少套管的下入層次及累計(jì)用量。隔水管鉆井液控壓技術(shù)還可在一定程度上減少鉆井液的濾失量，提高機(jī)械鉆速，增加水平井鉆進(jìn)長(zhǎng)度。

(3)應(yīng)用隔水管鉆井液控壓技術(shù)進(jìn)行固井，通過(guò)分步調(diào)節(jié)隔水管中鉆井液液面高度，可減少頂替過(guò)程中水泥漿的濾失量，避免水泥凝固過(guò)程中地層流體的上竄，增加固井過(guò)程中的安全性并提高固井質(zhì)量。