王安康,雷新超,王福學,張俊奇,蔣 凱,韓雪健
(1. 中海油能源發(fā)展工程技術公司天津 300452;2. 中石化海洋石油工程有限公司上海 200120)
精細控壓鉆井技術[1]是近年國外發(fā)展起來的前沿鉆井技術,可有效解決鉆探過程中由于壓力敏感、復雜導致的井下復雜情況,特別是對復雜深井、超深井中普遍存在的窄密度窗口地層、易坍塌和漏失的薄弱地層以及枯竭油氣層、深海海底油藏鉆井都很適用,都有很好的效果;以往此項技術被美國等國家壟斷,使用該技術需要支付昂貴的技術服務費用。精細控壓鉆井裝備國產化后已先后在我國塔里木、華北、川渝等陸地油田成功開展工業(yè)化應用,全面替代國外同類產品,費用與國外同類技術相比降低70%以上;精細控壓鉆井系統(tǒng)技術已經成熟,已形成了鉆進、起下鉆、電測(隨鉆測井)、下套管(尾管)固井等程序的精細控壓配套工藝,有效解決了安全密度窗口窄、噴漏同存等鉆井難題,改善了固井質量;相對常規(guī)鉆井技術,可大幅提高水平段延伸能力,暴露更多的產層,大大提高單井產量[2-4]。目前該技術已在海上鉆井平臺成功應用了12口井(探井),分別適用于不同型號的自升式鉆井平臺,說明該技術已具備在海上平臺(地面井口)大規(guī)模推廣應用的基礎。
精細控壓的原理就是在鉆井過程中,通過回壓泵、節(jié)流閥精細控制或調整環(huán)空壓力體系,確保井底壓力相對恒定,從而在“窄壓力窗口”層段實現(xiàn)安全、快速鉆進的一種鉆井技術。相對于常規(guī)鉆井,精細控壓鉆井井底壓力波動較小,避免由于接單根、起下鉆、停泵等工況下引起井底壓力波動,減少井漏、溢流等井下復雜情況,具體詳見圖1。
圖1 控壓鉆井與常規(guī)鉆井井底壓力對比圖
目前控壓模式主要有井口模式、井底模式兩種,兩種模式的目的都是使井底壓力稍大于地層孔隙壓力。井口模式是以水力軟件模擬為基礎,通過調整節(jié)流撬的節(jié)流閥控制井口壓力,調節(jié)鉆井液密度、循環(huán)排量、環(huán)空摩阻達到控制井底壓力的目的。井底模式是在底部鉆具組合中連接隨鉆測壓工具,實時上傳井底壓力,同樣通過調整節(jié)流撬節(jié)流閥控制井口壓力,調節(jié)鉆井液密度、循環(huán)排量、環(huán)空摩阻達到控制井底壓力的目的。由于井底模式是通過隨鉆測壓工具測量出來的井底壓力,井底壓力控制更精準,對于窄壓力窗口、高溫、高壓、高產油氣井等重點井適用于井底模式。
精細控壓鉆井系統(tǒng)主要設備及工具包括自動節(jié)流撬、回壓補償泵、旋轉防噴器、液氣控制系統(tǒng)、監(jiān)測與自動控制系統(tǒng)、液氣分離器、隨鉆壓力測量工具(可選)、防溢管等。
由于海上自升式鉆井平臺甲板面積有限,且每個自升式鉆井平臺都有固井泵、液氣分離器,綜合考慮成本因素及設備簡單化的原因,固井泵充當回壓補償泵使用,共用自升式鉆井平臺的液氣分離器。目前海上自升式鉆井平臺只需要動用旋轉防噴器、自動節(jié)流撬及相關管線、閥門、傳感器等設備就能滿足常規(guī)精細控壓鉆井作業(yè)需求。
由于各個自升式鉆井平臺結構、布局及管匯尺寸不盡相同,到新平臺實施精細控壓鉆井作業(yè)前都要進行現(xiàn)場調研,調研包括但不限于:是否具備實施控壓鉆井條件、是否需要變扣(管線連接)、和錄井的連接方式、平臺供電、供氣能否滿足要求、吊車能力及覆蓋能力、控壓設備布局方案等。根據調研結果需要提前準備變扣或者設備改造。
根據目前12口井設備連接、就位經驗,精細控壓設備只需占用懸臂梁甲板一半的面積即可滿足作業(yè)需求,另外一半甲板可以擺放177.8 mm套管等物料,不影響正常鉆井作業(yè)。圖2是某平臺懸臂梁甲板控壓設備布置圖,節(jié)流撬尺寸為:7.21 m×2.4 m×2.7 m,防爆正壓房尺寸為:4 m×2.59 m×2.75 m,旋轉防噴器泵站尺寸為:2.3 m×2.08 m×1.7 m,節(jié)流撬、防爆正壓房和RCD泵站需要擺放在懸臂梁甲板;旋轉防噴器安裝在萬能防噴器上方,旋轉防噴器側出口通過高壓管線(101.6 mm/35 mPa)連接到節(jié)流撬入口端;節(jié)流撬出口管通過低壓管線(101.6 mm/10 mPa)連接至液氣分離器和高架槽;共占用甲板面積為:17.5 m×3.5 m;設備流程詳見圖3。
圖2 精細控壓設備甲板布置圖
圖3 控壓設備流程圖
A井為海上一口預探井(直井),一開(762 mm井眼)、二開(406 mm井眼)、三開(311.2 mm井眼)采用常規(guī)鉆井作業(yè),四開(215.9 mm井眼)采用控壓鉆井作業(yè),鉆探古生界地層。本井井身結構圖詳見表1。
表1 A井井身結構及套管下深
1)控壓設計
本井采用的是井口模式,底部鉆具組合中沒有連接隨鉆測壓工具。通過水力模擬軟件進行井底壓力模擬,模擬不同排量、不同鉆井液密度、不同井深、不同井口壓力情況下的井底當量壓力,圖4為其中一種工況下的模擬圖。
根據模擬計算(圖4),A井在3368 m循環(huán)或鉆進時,在鉆井液密度1.03g/cm3、排量4L/s的情況下,環(huán)空壓耗1.77 mPa,通過施加井口回壓(0~5 mPa),井底壓力當量密度范圍為1.084~1.235g/cm3。具體模擬條件詳見表2。
圖4 A井模擬狀態(tài)(鉆頭位于3368 m,排量24L/s)
表2 模擬條件
2)第一階段作業(yè)
本井四開215.9 mm井眼采用密度為1.03g/cm3的鉆井液鉆進,鉆進至3440 m時出現(xiàn)失返性漏失,短起下鉆期間漏速降為5~6 m3/h。由于計劃轉入中途測試作業(yè),拆、甩旋轉防噴器密封總成。
經過一段時間的堵漏、壓井作業(yè),效果不理想。安裝旋轉防噴器總成,控壓1.8 mPa起鉆至3273 m,繼續(xù)進行堵漏、壓井作業(yè)。堵漏后連續(xù)灌入1.05g/cm3的鉆井液,漏速穩(wěn)定在5~6 m3/h。起鉆,轉入測試作業(yè)。
經過生產測試,本井平均日產油1173.6 m3/d,氣油比152 m3/m3,日產氣178574 m3/d,地層壓力系數(shù)為1.056,地層壓力為35.97 mPa。
3)第二階段作業(yè)
測試作業(yè)結束后轉入鉆井作業(yè),經過兩次堵漏作業(yè)后,堵漏效果仍然不理想。
經過反復模擬,最后采用1.04g/cm3的鉆井液繼續(xù)鉆進,鉆進期間漏速40~80 m3/h,鉆進排量36~38L/min,停泵接立柱期間通過精細控壓設備保持井口1.02 mPa的井口回壓。
P1=0.00981×3472×1.04+1.02=36.44 mPa(P1井底壓力)
井底當量=36.44/(0.00981×3472)=1.069g/cm3
保障鉆進和停泵接立柱期間井底壓力略大于地層壓力(大于地層壓力0.47 mPa),安全鉆達設計井深3718 m,并進行了測井和固井作業(yè)。后期增加152.4 mm井眼,鉆進至4142 m,測井、棄井作業(yè)順利,滿足地質勘探要求。
電纜測井期間用計量罐灌入1.06g/cm3的鉆井液,漏速15~18 m3/h,井內有部分密度為1.07g/cm3的鉆井液及巖屑,估計地層漏失當量壓力為1.07g/cm3左右。
本井四開鉆進期間共漏失鉆井液8093 m3、海水894 m3,因堵漏、壓井產生非生產時間176h。后期如果進入開發(fā)作業(yè)或者鉆探評價井,會面臨同樣的難題。
經過模擬(圖5只是一種工況,模擬數(shù)據參考表2),本井利用1.0g/cm3的鉆井液、25L/s的排量鉆進,基本滿足在密度窗口內安全鉆進的要求,或者微漏的情況下控壓鉆進。停泵、開泵需要司鉆和精細控壓人員密切配合,司鉆停泵降低的環(huán)空壓耗等于精細控壓回壓泵補充的井口壓力,開泵時增加的環(huán)空壓耗等于回壓泵減少的井口壓力,具體詳見圖6。
圖5 A井模擬狀態(tài):鉆頭位于3368 m,排量25L/s
圖6 開、停泵時井底壓力、井口回壓、循環(huán)壓力關系圖
停泵接立柱期間,補充的井口回壓為P2,保證停泵接立柱期間井底壓力微大于地層壓力并恒定,避免溢流、井漏的發(fā)生。
P2=(1.056?1)×0.00981×3368=1.85 mPa(P2停泵需要的井口回壓)
由于該井段密度窗口太窄,增加一層套管成本太高,海水密度為1.03g/cm3,后期控壓鉆井推薦采用“淡水(鉆井液密度1g/cm3)+井底模式(底部鉆具組合中加入隨鉆測壓工具)”模式實施精細控壓作業(yè)。這樣根據井底真實的井底壓力實施控壓作業(yè),優(yōu)化鉆進排量、鉆井液密度、井口壓力三個參數(shù),既滿足井控安全,又能實現(xiàn)地質錄井等勘探開發(fā)要求,實現(xiàn)安全、優(yōu)質、高效控壓鉆井作業(yè)。
經過本井及其他井的摸索,形成認識如下:
1)海上精細控壓(地面井口)鉆井作業(yè)已經具備海上各種鉆井平臺大規(guī)模推廣應用的技術基礎。
2)對于類似A井這種窄壓力窗口的初探井,最好采用井底模式(底部鉆具組合接入隨鉆測壓工具),這樣綜合成本更低,鉆井作業(yè)更安全、更經濟。
3)井漏的情況下也可實現(xiàn)控壓鉆井,只要回壓泵的排量大于井漏的速度,能保障在井眼環(huán)空有鉆井液實現(xiàn)傳遞井口壓力到井底即可。
4)目前的精細控壓鉆井模式(地面井口)適合于甲板面積較大的鉆井平臺,對于在生產平臺實施的調整井(衰竭油氣藏)控壓鉆井作業(yè)面臨一定的挑戰(zhàn),需要對精細控壓設備進行再集成化、小型化、一體化。