精細控壓鉆井技術在渤海油田的應用實踐

靳 楠 隋成龍 劉曉民

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；2.中海油服一體化和新能源事業部工程技術作業中心，天津 300450）

0 引言

在渤海油田的勘探過程中，隨著鉆井井數不斷增多，深度也逐漸加深，特別是裸眼段越來越長。在鉆井過程中，當在同一裸眼井段存在窄壓力窗口復雜地層時，通常采取提高鉆井液密度以平衡地層壓力的工序時，極易引發薄弱井段井漏等事故[1]；當降低鉆井液密度時又容易導致高壓層溢流和井涌等事故發生，同一裸眼井段發生“上涌下漏”、“上漏下涌”、“漏涌同層”等復雜情況的記錄明顯增多，嚴重影響鉆井作業安全和時效。另外，對渤海油田一些進入中后期的開發井，由于長期注水開發，因此導致注入量和采出量嚴重的失衡，地層孔隙壓力和漏失壓力紊亂，嚴重破壞了原始地層壓力系統，并形成了窄壓力窗口復雜地層，而對類地層的側鉆井施工過程中如果繼續采用常規同一密度的鉆井液則難以保證該井段的安全鉆井，同時也給鉆井液作業和儲層保護工作帶來了極大挑戰[2]。因此，尋找合適的鉆井技術以提升渤海油田鉆井時效刻不容緩。

1 精細控壓鉆井技術

精細控壓鉆井是在鉆井過程中利用旋轉控制頭密封井口，在出口管線上增加節流控制裝置，用于調整井口回壓，穩定井底壓力的鉆井技術。其可以有效減少因工況變化引起的井底壓力波動，是解決深層復雜地質情況鉆井及窄壓力窗口鉆完井難題的最有效方法。

2 精細控壓鉆井技術優勢

常規鉆井其關鍵控制參數為井底壓力=靜液壓力+環空壓耗+激動壓力-抽汲壓力。當應用常規鉆井井下工況變化發生時，井底壓力就會隨之變化，并引起井漏或井塌[3]。例如停泵起鉆時井底壓力因抽汲作用降低，有可能引起井壁坍塌，或者下鉆到底后正常，開泵環空壓耗增加導致井漏。

精細控壓鉆井技術作為目前應對窄壓力窗口復雜地層鉆井/固井最有效的技術手段，其關鍵控制參數為井底壓力=靜液壓力+環空壓耗+激動壓力-抽汲壓力+井口回壓。可以看出控壓鉆井中的1 個關鍵控制參數就是調整井口回壓來穩定井底壓力并使其處于安全窗口內。這是由于控壓鉆井使用較常規鉆井低的鉆井液密度進行鉆井施工，通過井口施加回壓保證井底壓力平衡地層壓力（大于坍塌壓力），當鉆井工況變化時，環空壓耗或者抽汲壓力等壓力也會發生變化，這時調整井口回壓，使井底壓力穩定并始終處于安全窗口內，從而防止因井底壓力波動引起井漏或者井塌。

3 實現精細控壓鉆井的關鍵設備

海上油田的現場作業環境極為特殊，如果采用精細控壓技術，就必須要保證鉆井設備系統穩定可靠[4]。為此，針對海上平臺空間狹小的問題進行改進，形成了適合與海上平臺作業相適應的精細控壓鉆井設備系統（如圖1 所示）。

圖1 自升式鉆井平臺精細控壓鉆井設備連接示意圖

3.1 旋轉控制頭

對接優化，采用整體式旋轉控制頭，材質滿足H2S 酸性氣體井服務。旋轉控制頭密封膠芯的材質是氨基甲酸乙酯并且使用Kevlar 聚合物高強纖維尼龍復合材料做加強涂層，使用時間是常規膠芯的3 倍。旋轉控制頭軸承總成靜密封工作壓力35 MPa，100 r/min 下的動密封工作壓力是17.5 MPa，200 r/min 下的動密封工作壓力是10.5 MPa。旋轉控制頭潤滑和冷卻系統全過程使用油對旋轉控制頭進行冷卻潤滑，不使用水冷卻，便于操作和維修保養。下法蘭型號35-35，通過變徑法蘭與環形防碰器連接，通徑350mm，卡箍關緊壓力21MPa，打開壓力≤7.5MPa，注油泵壓力20MPa，總功率8kW。

優化改進研發的海洋平臺的旋轉控制頭（如圖2 所示），具有以下6 個特點：①防溢管與旋轉總成安裝互不干擾，大大降低更換旋轉總成的時間和降低安全風險。②整個控壓鉆井過程中防溢管只安裝一次，節約井口時間。③防溢管安裝完成以后不拆卸，避免泥漿泄露，降低環保風險。④通徑由192 增至230 mm；⑤采用自潤滑降溫系統及獨特軸承接頭，最大轉速可達220 r/min。⑥可用于半潛式平臺的控壓鉆井。

圖2 海洋型旋轉控制頭

3.2 自動節流控制系統

使用控壓儀器，將數據反饋至控制系統，可對壓力進行實時監控，具體流程如下：鉆井液等流體從井內返出后，要經過旋轉控制頭及控壓自動節流控制系統，自動節流控制系統通過控制自動節流閥開度的大小，調整施加的井口回壓，調整壓力變化，從而保持穩定地預設井底壓力。控制系統額定工作壓力35 MPa，節流閥具有自動控制功能和手動操作功能。自動節流控制系統還安裝質量流量計，以測量出口流量。控壓設備自動節流控制系統包括手動控制面板、進程邏輯控制器、操作面板、報警設置和2 個相互連通的節流閥（節流閥A、B 全開通徑為?76.2 mm），節流閥的額定工作壓力為35 MPa，通徑103 mm，節流閥最小控制精度0.07 MPa（10 psi）。

3.3 PWD 隨鉆測壓工具

PWD 隨鉆測壓工具基于壓阻效應，將壓力信號轉換為電信號，可以精準測得連續實時的井底壓力，通過MWD 將信號傳輸至控壓鉆井數據采集系統，自動節流控制系統根據實時井底壓力進行調整，從而更精確地控制井下壓力，保持穩定的井底壓力，提高作業的安全性（如圖3 所示）。

圖3 PWD 隨鉆測壓工具安放位置

測量精度：±0.07 MPa；最高工作溫度175 ℃；最高工作壓力138 MPa；電池工作時間200 h；工作排量：8-60l/s；適用井眼尺寸：5-7/8″~13-1/8″。

3.4 質量流量計

質量流量計來自艾默生公司，材質316 不銹鋼，流量管通徑73 mm，數量2 個，壓力級別10.3 MPa，體積流量測量范圍為0~150 L/s，單向流量測量精度為±0.1%，密度測量范圍為0~5 g/cm3；密度測量精度為±0.0005 g/cm3。溫度范圍：-40 ℃~60 ℃，節流閥最小控制精度0.07 MPa（10psi）。

3.5 其他設備

回壓補償系統：海上平臺采用固井泵進行。

數據采集系統：可與錄井連接，實時接收錄井數據，與定向連接，實時接收PWD 數據。

溢漏預警監測軟件：可以顯示采集到數據的實時曲線，設置報警值，監測數據超過正常范圍，會立即報警，實時存儲數據，調取歷史曲線并保存。

自動控制軟件：位置壓力控制模式分為井口壓力、井底壓力、井底當量密度、立管壓力、旋控頭壓力、定點井深定點壓力、重漿帽七種模式。

4 精細控壓鉆井技術實際應用

4.1 作業井概況

XXX2-2-2 井是渤海油田的一口重點開發井，采用四開次井身結構直井，設計井身結構如下：762.00mm×609.60mm×200m+406.40mm×339.7mm×1700m+311.2mm×244.5mm×3370m+215.9mm×3718m。該井四開采用精細控壓流程鉆塞、四開鉆進。

4.2 鉆井施工難點

本井鉆進至3424m 即開始發生漏失，溢漏同存且不同層，油氣活躍，短暫欠平衡即會形成氣柱。油氣顯示層經中途測試確定地層壓力系數在1.05~1.06，必須將該地層的壓力當量控制在1.07 g/cm3才能壓穩油氣，而漏層漏失壓力系數在1.06 以下，進行多次堵漏作業效果均不理想，無法提高地層承壓至正常鉆進要求。

4.3 精細控壓

要解決地層溢漏并確保鉆進時效，ECD 控制是關鍵。要實現ECD 的精細控制可以通過調整鉆井排量或井口壓力參數來實現。需要注意的是ECD 控制遵循以下兩個原則：1）保證井口能順利實現鉆井液返出。2）鉆進壓力平衡點以漏失層出現微漏或氣層出現微量氣侵為最佳。

此外，在鉆進期間要實時監測返出流量，確保第一時間發現溢流，這時如果漏失嚴重，帶RCD 總成起鉆至安全井段，降低鉆井液密度，防止卡鉆，同時做好井漏后發生溢流的處置準備。

關井求壓，如果關井立壓小于5 MPa，開井恢復控壓鉆進，關井立壓高于5 MPa，節流循環適當提高鉆井液密度，待套壓降至控壓鉆井要求范圍內后恢復控壓鉆進，鉆進期間通過調整井口回壓或鉆井液密度改變井底當量，尋找壓力平衡點，保持不漏不溢或微漏狀態。

這時要以設計密度低限開鉆，鉆進期間持續監測返出流量，發現異常及時調整鉆井液密度或井口回壓值。

接立柱或起鉆期間增加井口壓力，補償環空壓耗損失，保證井底當量等于鉆進時的井底當量。停泵時要通過回壓泵提供流量控制井底當量高于氣層壓力，防止氣侵嚴重形成氣柱。

4.4 精細控壓施工效果

4.4.1 密切監測鉆井參數，及時發現漏失

通過精細控壓對鉆進過程中出口流量、節流閥后壓力、井口壓力、立管壓力等關鍵參數進行實時監測，及時發現井漏和溢流，鉆井平臺進行相應處理，遏制了溢流事故的發生，減少漏失量。

4.4.2 模擬計算井底當量密度，為作業提供依據

在鉆進中通過軟件模擬計算了井底壓力當量密度，當地層發生溢漏等復雜狀況時，可以精準確定地層壓力或地層漏失壓力，為后期壓井或降低密度作業提供可靠依據。

4.4.3 通過控制井口壓力，解決了在溢漏同存不同層鉆井的難題

本井鉆進期間井漏程度加劇，進行多次堵漏作業效果均不理想，無法提高地層承壓至正常鉆進要求。降低鉆井液密度則上部顯示層氣侵嚴重。采用精細控壓鉆井技術將降鉆井液密度控制在1.03 g/cm3~1.04 g/cm3，根據出口流量的變化實時模擬計算井底壓力當量，確定井口回壓值，始終保持井底壓力當量1.07 g/cm3鉆進，徹底解決了溢漏同存狀況下的不同層鉆井難題，順利鉆至井深4142 m 完鉆。

4.4.4 控壓起鉆，保障起鉆期間井筒安全

本井因油氣活躍、頻繁溢漏復雜，經常需要起鉆至套管鞋以上處理。通過旋轉控制頭設備密封井口，固井泵環空灌漿提供地面循環流體，精細控壓自動節流閥進行井口壓力控制，保證起鉆期間井底壓力穩定，防止氣體大量侵入井筒。

4.4.5 精細控壓排氣，控制立壓穩定，確保不發生二次溢流

控壓循環排氣期間，通過調節井口壓力維持立壓基本穩定，得以在氣體推出鉆井液和氣體從井口返出期間保持作用在油氣層上的環空壓力相對穩定，始終大于油氣層壓力，避免發生二次溢流。

4.4.6 避免了卡鉆問題

本井處于漏失狀態，巖屑、堵漏劑易粘附于井壁，在鉆進、起下鉆期間經常有阻卡顯示，如果在裸眼段長時間關井處理，卡鉆風險較大，而通過精細控壓鉆井系統，多次控壓起鉆至套管內，大大降低了粘附卡鉆的風險。

4.4.7 在安全的前提下提高了鉆井效率

本井在面臨地層溢漏同存、油氣活躍的情況下，始終保持無漏失甚至大漏狀態，通過精細控壓調節井口回壓保持井底壓力當量基本穩定，壓制了油氣層，安全、快速地進行鉆井施工。四開共鉆進進尺349m，漏失狀態下鉆進進尺294m，占四開進尺的84%，在溢漏同存的情況下加深鉆進424m，提高含油氣儲層鉆遇率。

5 結論

精細控壓鉆井技術通過配備高精度的質量流量計、高精度自動節流閥等，能夠提前監測到出口流量變化趨勢，發現溢漏和漏失，對井口壓力進行精細調節，能夠做到在海上油田復雜地層中較為平穩地鉆進。

XXX2-2-2 井鉆遇溢漏同存地層，通過采用精細控壓鉆井，控制了油氣侵入井筒，維持微漏狀態鉆進，避免了井下卡鉆、井噴等復雜情況，降低了非生產時間，較設計增加油氣層段進尺424 m，提高油氣層鉆遇率。

自2019 年以來，精細控壓鉆井技術已在渤海油田成功應用20 余井次，已成為渤海油田復雜地層鉆井的專有技術，不僅確保了渤海油田重點生產井鉆井施工的安全鉆進和提速提效，而且對我國其他海域油田的鉆井具有極好的技術參考價值。

由于海上平臺空間狹小，設備安裝高空作業多，因此建議進行精細控壓鉆井作業時要進一步優化工控房、節流控制撬及旋轉控制頭控制泵站設計，簡化防溢管、出口管線的安裝流程，可節約現場設備安裝時間，保障現場作業安全，提升精細控制鉆井技術應用效果。