国外控制压力钻井工艺技术.pdf

第 3 2卷第 1 期 V0 1 ． 3 2 No ． 1 钻 采 工 艺 DR I L L I N G＆P R 0 D U C Ⅱ0 N T E C H N 0 L 0 G Y 2 7 国外控 制压力钻 井工艺技术 向雪琳 ，朱丽华 ，单素华 ， 盛 勇。 ， 赵 莉 1川庆钻探工程公 司钻采工艺技术研究院科技信息 中心 2胜利石油管理局渤海钻 井总公司 3 塔里木油田公司开发事业部4四川川庆国际石油工程有限公司 向雪琳等．国外控制压力钻井工艺技术． 钻采工艺， 2 O 0 9 ， 3 2 1 2 7 3 0 摘要控制压力钻井 Ma n a g e d p r e s s u r e d r 订 l i n g 是一项先进钻井工艺， 通过对井底压力的有效控制， 可以解 决孔隙压力和破裂压力窗口较窄地层钻进中的诸多钻井复杂情况。文章主要介绍了控制压力钻井定义、 与欠平衡 钻井的区别、 不同控制压力钻井工艺， 包括井底压力恒定的控压钻井、 带压泥浆帽控压钻井和双梯度控压钻井以及 国外该项技 术的应 用实例 。 关键词控制压力钻井；井底压力恒定；带压泥浆帽钻井； 双梯度钻井 中图分 类号 T E 2 4 2 文献标识码A 文章 编号l 0 0 6 7 6 8 x 2 o o 9 0 1 一o o 2 7一 o 4 随着 已发现油气资源的 日渐衰竭 ， 对更深更复 杂地层的勘探开发活动越来越多 ， 而在钻探这些深 层复杂地层时， 常常 出现许 多如井涌 、 井漏 、 有害气 体泄漏 、 卡钻 、 起下钻时间过长等钻井复杂问题。据 行业专业人员估计 ， 通过常规钻井方法 ， 不能开发的 油气资源达 7 0 ％左右 ， 如果在钻进过程中对井下压 力实施有效控制则可以较好地解决上述难题。控制 压力钻井 M P D 技术就是可 以缓解上述复杂情况 的有效方法。 控制压力钻井技术主要是通过对 回压、 流体密 度、 流体流变性、 环空液位 、 水力摩阻和井眼几何形 态的综合控制， 使整个井筒 的压力维持在地层孔隙 压力和破裂压力之间 ， 进行平衡或近平衡钻井 ， 有效 控制地层流体侵入井眼， 减少井涌 、 井漏 、 卡钻等多 种钻井复杂情况 ， 非常适宜孑 L 隙压力 和破裂压力窗 口较窄的地层作业。 控制压力钻井 和欠平衡钻井有相 同的地方 ， 都 能够在钻井过程中对井筒 压力进行控制 ， 但是这两 种方法却有着本质 的区别 控制压力钻井 时， 井底 压力始终维持在地层孔 隙压力和地层破裂压力范围 之间， 与地层孔隙压力始终处于平衡或近平衡状态 ， 其目的是在钻井过程中控制地层流体的向井流动， 使地层流体不侵入井筒 ； 而欠平衡钻井时钻井液柱 施加的井底压力总是小于地层孔 隙压力 ， 因此地层 流体会流人井筒。控制压力钻井适宜孔 隙压力和破 裂压力窗 口较窄 的地层作业 ， 主要解决 的是钻井问 题 ； 而欠平衡钻井主要用于钻压力衰竭地层 ， 降低表 皮系数， 提高油气采收率， 主要解决储层伤害问题。 随着控制压力钻井技术 的兴起 ， 国外逐渐形成 了系统的工艺理论 ， 提 出了不 同控制压力钻井 的工 艺技术 ， 如井底压力恒定的控制压力钻井技术、 带压 泥浆 帽钻井技术、 双梯度钻井技术等。 目前 ， 国外 we a t h e r f b r d 、 s h e l 1 和 s t a t 0 i l 等公司已进行 了相关 的 控制压力钻井技术研究 和现场试验应用 ， 取得 了较 好 的应用效果。 一 、控制压力钻井工艺 1 ． 井底压力恒定的控制压力钻井 井底压力恒定的控制压力钻井 C B H P MP D 是 一 种通过环空水力摩阻 、 节流压力 和钻井液静液柱 压力来精确控制井眼压力的方法。保持井底压力恒 定就是对 E c D进行精确控制 ， 在钻进 、 接单根或起 下钻过程中均维持一个恒定 的环空压力 ， 实现 “ 近 平衡” 钻 井。如 图 1所 示 ， 停 泵 时， 环空摩 擦压 力 A F P 升高， 在井 口施 加一个水力 回压， 而开泵 时， 环空摩擦压力降低， 此时则停止施加回压， 这一操作 使得井筒压力更为恒定 ， 从而有效避免了开停泵时 出现井涌 一井漏 的恶性循环。通 常情况下 ， 当地层 破裂压力梯度接近孔隙压 力时 即压力窗 口窄 才 会采用这种控制压力钻井工艺 。 收稿 日期 2 o o 8一O 5 2 O 。 ． 作者简介 向雪琳 1 9 7 6一 ， 女 ， 工程师 ， 1 9 9 9年毕业于原西南石油学 院英语 专业 ， 现从事石油科 技情报调研工作 。地址 6 1 8 3 0 0 四J 广汉市 ， 电话 O 8 3 8 5 1 5 1 3 4 3 。 2 8 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ PR0DUC T1 0N I CHN0L OGY 2 0 0 9年 1月 J a n ．2 O O 9 控制压力钻 井 图1 C B H P M P D 井底压 力变化图 2 ． 带压泥浆帽钻井技术 泥浆帽钻井技术是一种 “ 钻井 液不返出地 面” 的较为成熟的钻井工艺 ， 带压泥浆帽钻井 P MC D 则是在钻井 中因环空流体密度较小而需在井 口施加 一 个正压 ， 因此称为带压泥浆帽钻井 见图 2 ， 这也 是与泥浆帽钻井的主要 区别 。带压泥浆帽钻井是一 种控制严重井漏 的作业方法 ， 适用于陆上和海洋油 气井眼严重漏失地层的钻进作业。泥浆帽钻井和带 压泥浆帽钻井都适用于钻严重漏失地层 ， 但是 ， 若储 层压力低于静水压头， 则应采用泥浆帽钻井工艺 ， 在 钻井液漏失过程中， 向环空打入清水 ， 一旦侵入井眼 的气体被环空内的清水压 回漏失层段 ， 即可继续钻 进 ， 然而， 当储层压力高于静水压头时， 就必须采用 带压泥浆 帽钻井工 艺， 利用加重钻井液来平衡储层 压 力。 总 垂 深 l 图2 P MC D压力梯度分布 带压泥浆帽钻井过程中 图 3 ， 从地面向钻杆／ 套管环空内注入液态 “ 泥浆帽” ， 通常 ， 注入的泥浆 帽已经过加重和增粘处理 ， 注意高密度钻井液应缓 慢注入环空 ， 防止油气上窜进入环空 ， 从而保持 良好 的井控状态。为了更好地携带钻屑， 避免钻屑在钻 头 以上层段的孔洞或裂缝 中沉积 ， 在岩屑上返 的同 时， 还需要向钻杆内注入一种 S a c 钻井液 ， 通常是清 水或盐水。若所钻地层含腐蚀性物质 ， 则应 向清水 或盐水中添加缓蚀剂 。 从图 3看出 ， 带压泥浆帽钻井工艺是采用低密 度钻井液钻衰竭层段 ， 然后采用高密度钻井液将低 密度钻井液压人漏失层段 ， 继续钻进 ， 所有低密度钻 井液和流人井眼的流体都被压人衰竭地层。采用这 种方法， 即使所有低密度钻井液都循环失返 ， 侵入衰 竭地层 ， 也能够有效控制井眼。 图3 C B H P 工艺流程 3 ． 双梯度钻井技术 双梯度钻井 D G D 技术是 国外近年来提出 的 一 种深水钻井技术新概念 ， 其基本原理是在同一井 筒内控制两种密度的流体 ， 作业时井 眼上部井段打 入低密度钻井液 ， 下部井段打入高密度钻井液 ， 通过 双泥浆密度体系， 使压力窗 口维持在地层孔隙压力 和破裂压力之间。实现双梯度可采用水下泵系统或 灌注海水等方法降低隔水管中钻井液的密度 。图 4 为双梯度钻井压力分布图。 总 垂 深 i P a ’ 图4 双梯度M P D 压力梯度分布 双梯度钻井能够有效钻人破裂压力梯度低的深 部地层， 其作业目的并不是将井底压力降低至欠平 第 3 2卷第 l 期 V0 1 ． 3 2 No ． 1 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆P R 0 D U C T 1 0N T E C HN O L OG Y 2 9 衡状态 ， 而是为了防止因环空钻井液柱比重过大而 出现地层压裂 。作业 时， 钻井液按常规方法打入钻 柱 内， 返出时， 钻井液并不是通过海洋隔水管环空返 出， 而是通过一根寄生管线将钻井液和钻屑从海底 返出到地面 如图5所示 。随后， 泥浆管线之上的 环空被注满海水 ， 其 目的是使 f 临界井深保持一个适 当的静水压力。钻井液仍然会通过环空 ， 但是流程 较短， 仅从井底流到海底泵 ， 这减少了下至总井深的 套管数量。 图5 双梯度钻井隔水管和设备简图 二、 控制压力钻井应用实例 控制压力钻井 的作业 目的是确定井 下压力 范 围， 并控制环空液压分布 ， 以解决诸多钻井难题。据 统计， 2 0 0 4年以来， 国外海洋钻井实施了 5 0余次 MP D作业 ， 作业区域 主要位于亚太地 区， 但在委 内 瑞拉、 北海、 墨西哥湾和巴西也进行了 M P D作业 。 1 ．M P D在委 内瑞拉海上酸性高压裂缝性地层的应 用 实例 钻酸性高压裂缝性地层时往往会遇到复杂和不 可预见 的灾难性井喷问题 。S h e l l 委内瑞拉 S ． A． 公 司采用带压泥浆 帽钻井工艺成功钻入 C o g o l l o海洋 酸性高压裂缝性碳酸盐岩地层 ， 并钻达总井深 ， 成功 完成了钻井作业 ， 这是常规钻井方法不能实现的， 具 有首创性 。 地质条件 c o g o l l o油藏位于委内瑞拉马拉开波 湖 U r d a n e t a西部。该 油藏 目的层段 岩性为致密 灰 岩 ， 主要产 出轻 质原油 ， rI T v D 3 9 4～ 4 l 9 m， 厚 约 2 5 m， 间有 白云岩 、 砂岩和页岩夹层 ， 致密灰岩层段发 育有大型天然裂缝， 渗透率较高。地层原始压力当 量泥浆 比重约 1 ． 6 8 c m ， H S含量 3 0 0 0 0 m g ／ L ， 井下温度 1 3 7 ． 8 ℃。 作业设计 设计采用 1 ． 2 c m 饱和氯化钠作为 钻井液 ， 泥浆泵上连接 l 1 4 ． 3 m m管线 ， 用于连续传 输 3 1 MP a 立压 。D 0 w e l l s c h l u m h e r g e r 、 I n t e r v e p和委 内瑞拉国家石油公司研究院共同研发了混合 一金属 一 氢氧化物 MMH 体系 ， 用作泥浆 帽流体 ， 这种流 体不易与原油混合， 从而有效降低漏人地层的钻井 液量 。 作业设备 钻井平 台为小型 自升式平台， 采用标 准泥浆泵 、 立管和顶驱系统 ， 额定压力为 3 1 ． 5 MP a 。 对钻机作了一系列改动， 现有防喷器组未进行改动， 用于二次井控。一次井控则通过泥浆帽和旋转头提 供的井 口回压共同实施。因此需要辅助防喷器组和 相关控制设备 。循环 系统也有所改变 ， 使其 中一个 泵用于向钻柱 内打入盐水 ， 另一个泵向环空打入泥 浆帽。 施工 钻入 目的层段后 ， 钻井液全部漏失 ， 因此 转为采用带压泥浆 帽钻井方法。在 一次下钻过程 中， 井壁失稳 ， 为了保证能够顺利实施压井 ， 因此要 大幅度 降低液柱压力 。当钻具上提至井 口后 ， 从震 击器 冒出原油 ， 这表 明原油和钻井液在井下大量混 合 。随着钻井深度的加深 ， 储层压力升高缓慢， 经分 析 ， 认为这是 由于钻井液在裂缝系统中的胶凝作用 造成注入压力升高引起的。该井最大井 口环空压力 为8 ． 2 7 MP a ， 机 械钻速较常规钻井 差不多 ， P D C钻 头磨损严重 ， 但是该井采用带压泥浆帽钻井技术后 ， 成功钻达总井深 ， 且地面未监测到 H ， S ， 若采用常规 钻井工艺 ， 是不可能实现的。 2 ．M P D在东南亚裂缝性碳酸盐岩地层的应用 在东南亚碳 酸盐岩地层 的钻井情况非常复杂 ， 钻遇高度裂缝性和多孔碳酸盐岩地层时常常出现严 重井漏 ， 有时钻井液甚至全部漏失 。在这些地区， 主 要采用水泥和多种堵漏材料 L c M 进行堵漏 ， 但作 业时间不长 ， 效果不佳 ， 很快又会 出现新 的漏失 ， 需 要注入更多水泥堵漏 ， 使作业时间延长。据统计 ， 单 井注水泥堵漏次数常常超过 3 0次 ， 严重影响井眼采 收率 。而采用控制压力钻井技术则可以解决上述相 关钻井问题 ， 在印度尼西亚和马来西亚东部采用带 压泥浆帽钻井工艺 ， 在越南 ， 成功运用钻井液返出控 制技术 ， 在钻井过程 中分流气体而不需关井。 带压泥浆帽钻井工艺是东南亚地区应用最多的 控制压力钻井技术之一， 其常规作法是在环空 中注 入一种黏稠的加重 或非加重 钻井液 ， 设计静液柱 压力为 0 ． 7 ～ 1 ． 4 MP a ， 小于地层孔隙压力 ， 表示所 对应产生的地面关井压差为 0 ． 7 ～ 1 ． 4 MP a 。通过 井 口压力波动监测以下三方面 ①环空气窜 当以设 计排量和体积向环空内注入钻井液时， 环空 出现气 3 0 钻 采 工 艺 DRI L LI NG ＆ PR0D L j C TJ 0N TE CHN0L OGY 2 0 09 J a n 窜 ， 则应将气体 回注到地层。②钻入油气层时， 孔隙 压力增加 可大幅度提高环空泥浆 比重 ， 将井 口压力 维持在旋转控制装置或井口设备允许的范围内。③ 裂缝堵塞 由于钻屑堵塞裂缝导致地层裂缝闭合或 局部闭合 ， 则不能继续采用带压泥浆帽钻井 ， 应恢复 常规钻井。 东南亚地 区实施海上带压泥浆帽钻井时 ， 基本 上实施的是如下方案 在需要实施带压泥浆 帽钻井 的井眼， 事先安装好带压泥浆 帽设备 ， 包括 R c D轴 承装置。常规钻井时 ， 返排 的流体通过一根从 R c D 接出来 的 1 5 2 m m软管回流至井队节流管汇。一旦 出现严重井漏 ， 液压阀立即隔离流动管线 ， 并通过一 根专用管线 向环空注人流体 ， 开始实施带压泥浆帽 钻井。这一转换只需几分钟时间。与带压泥浆帽系 统连接的其它管线 ， 包括钻井液补给泵管线 、 卸压管 线和节流管汇 ， 直径都是 5 0 ． 8 mm。若有少量气体 泄露到地面 ， 可 以将其排出， 不需将气体压回地层。 三 、 结论及建议 控制压力钻井工艺技术可提高井眼的可钻性 ， 缓解由于地层压力波动引起的一系列钻井问题。由 于采用控制压力钻井可以钻常规钻井方法不可钻入 的地层 ， 在一定程度上 增加 了储量 ， 提高 了笠 益。控制压力钻井三种不同应用工艺都有其牛 适用范围， 井底压力恒定的控制压力钻井适 隙压力和破裂压力梯度窗 口较窄的地层 ， 带￡ 帽钻井适于钻严重漏失地层 ， 而双梯度钻井 钻破裂压力梯度较低的深水井。 参考文献 J 0 h n Mc C a s k i l 】 ．J o e K i n d e r ，B 0 b o d w ． M we 1 l b o r e P r e s s u r e、 v h j l e D r i 1 l i n g [ J ．D r i n g t 0 r．Ma r } AD r 订 2 0 06． Me d l e y Ge o 『 g e H．Re y n 0 l ds Pa t r i c k B B．Di s t i n c t j i a t i o n s o f Ma n a g e d P r e s s u r ℃ Dr i l l i n g Ex hi } i t Ap I P o t e n 【 i a l j 1 ．Wo r l d 0 I i ． F e I Ⅲa 2 O 0 6 ． I { a n n e g a n D0 n M． Ma n a g e d P r e s s u r e Dr i 1 h n g i n En v i r 0 n me l 1 t s C a s e S t u d i e s J ．S P E ／ I AD C 9 2 6 0 I He r 丌 n a n n R o b e r t P，S h a u g h n e s s y J o h n M． T wo] f 】 r A c h i e v i n g a D u a l G r a d n t i n D e e p w a t e r [ J ] I ADC 6 77 4 5． o hn Ko z i c z ． Ma n a g e dPr e s s u r e Dr i Ui ng Re c e n t e n c e，P0 t e n t i a l Em c i e n c y Ga i ns ， a n j Fut u r e 0p t i e s J ．I ADC ／ S P E l 0 3 7 5 3 ． 编辑 ，々 简讯 E 卿 { 带 8 、 日 辞 母 e 四川省科技期刊编辑 学会 石油期 刊工作委 员会 2 0 0 8年会 召开 2 0 0 8年 1 2月2 5～ 2 6日， 由 钻采工艺 编辑部承办的“ 四川省科技 期刊编辑 学会石油期刊工作 委员会 2 0 O 8年会 ” 在广 汉川庆 钻探 公司钻 采工艺技术研究院召开， 来 自四川省科技期刊编辑学会 、 西南石油大学 学报、 成都理工大学学报 、 天然气工业、 天然气技术 、 石油与天 然气化工 、 天然气勘探与开发 、 天然气化工、 钻呆工艺 等单位和 川 内石油期刊 的代表参加 了本次年会 。川 庆钻探 公 司钻 采工 艺技术研 究院副院长、 钻采工艺 杂志主编韩烈祥致欢迎词， 四川省科技期刊编 辑学会秘书长 贺之 强讲话 ， 祝 贺会 议召开 ， 对石 油期刊 工作委 员会成立 三年来的运作表示满意和欣慰。 天然气工业 主编冉隆辉就期刊宗 旨、 特色 、 编辑业务技术 提高 、 稿 源 的组织 与审稿 等， 成都理 工 大学教 授 向 阳、 王兰生就编辑与作者加强交流、 合作互助等， 西南石油大学学报 主 编刘全稳就如何加强编辑部 自身建设等作了精彩的发言。会上发言的还有 成都理工大学学报 主编胡晓强、 石油与 化工副主编颜廷昭、 钻采工艺 编辑部副主任黄晓川、 天然气勘探与开发 副主编周国英、 天然气技术 胡应富等． 抒己见、 取长补短， 交流办刊工作的体会和经验， 探讨新形势下期刊深化改革发畏的新思路， 并就四川相关油气期刊 康、 持续发展的问题进行了研讨。会上还介绍了由中国科技信息技术研究所组织召开的“ 中国科技论文统计结果发j 情况， 就万方、 清华同方 c N K I 分别要求专指代理各家期刊全文上网业务的可行性等进行 了探讨。 吴j 1j] J]J 1 j ] j 1 2 3 4 5 r● L r● L r 一 rl r L