精细控压钻井技术在深水钻井中的应用

于水杰，张保康

（1.中国石化国际石油勘探开发公司,北京100029；2.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津300450）

精细控压钻井技术在深水钻井中的应用

于水杰*1，张保康2

（1.中国石化国际石油勘探开发公司,北京100029；2.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津300450）

窄密度窗口是深水钻井中遇到的突出问题，深水的高压低温及合成基泥浆的广泛使用，使井控监测的难度进一步增大。采用精细控压钻井技术，可以有效地控制井底压力，降低窄密度窗口的影响。同时高精度流量计，可以及时发现溢流，并及时采取措施，有效降低非作业时间。

深水钻井；精细控压；控压泥浆帽；隔水管除气

随着世界石油勘探开发的逐渐深入，陆地深部地层及深海逐渐成为钻井工程挑战的目标，并随之出现了埋藏深、高温高压、深水及边际油藏等勘探开发难题[1]。

印度尼西亚Makassar海峡区域水深在1500～2000m，属于深水碳酸盐岩裂缝性地层，具有典型的孔隙压力高、破裂压力低的窄密度窗口的特点。以Talisman公司的Lempuk-1X井为例，该井水深1995m，密度窗口最窄处仅有0.2ppg，典型的又喷又漏地层。在深水环境中，窄密度窗口是造成钻井周期长、事故频发、井控风险增加，甚至无法钻达目的层的主要原因。

GSF EXPLORER深水钻井船首次将控压钻井技术应用于深水钻井，成功钻越深水碳酸盐岩裂缝窄密度窗口地层，为今后此种情况提供了可借鉴的钻井方式。

1 深水钻井面临问题

（1）海底低温环境[6]。深水环境下，海底温度通常低于5℃，部分地区在海底泥水分界面，海底温度会降低到-3℃左右。低温引起井下泥浆粘度上升，胶凝强度及触变性的增加，造成循环压耗的增加，井底压力上升并难以控制，压漏窄密度窗口地层。同时海底低温也会对浅层套管固井造成不利影响。

（2）天然气水合物影响[4-5]。海洋深水作业环境中由于同时存在低温高压，水及天然气，在发生井涌的情况下，既有可能形成天然气水合物，冻结井口连接器，阻塞压井节流管线，在隔水管中流动过程中，随着钻井液上升，压力降低，天然气突然释放，造成井控不可控的局面。

（3）窄泥浆密度窗口[2]。深水环境中，海水取代上部地层沉积，致使上覆地层压力降低，造成破裂压力过低，而地层孔隙压力并没有因此降低，反而不少地区存在高压产层，造成泥浆密度窗口狭窄，套管程序增加，极大地增大了钻井成本，在某些情况下，由于套管程序过多，甚至出现无套管可用的情况。由于泥浆密度控制困难，极易发生井涌。一旦发生井涌由于隔水管过长及钻井船的升沉运动造成井涌检测困难。同时长度大尺寸小的压井节流管线，及海底低温造成的钻井液流动性变差，造成压井循环压耗增大，在窄密度窗口下很可能压漏地层。

（4）深水浅层地质灾害及不稳定海床[3]。浅层气及浅层水同属浅层地质灾害。浅层地质灾害及不稳定海床已造成井口倾斜甚至废弃，被迫移动钻井装置，重新钻井，增加作业成本。这一问题不在本文讨论范围之内，不再赘述。

深水钻井中面临的海底低温、天然气水合物及窄泥浆密度窗口均是由于造成井底压力控制困难或者井底压力控制困难所造成的，因此有效而精确地控制井底压力可以促使深水钻井顺利进行。

2 深水精细控压钻井设备及技术措施

精细控压钻井在陆地钻井已经广泛应用。控压钻井技术利用封闭的压力循环系统，通过控制在一定钻井液密度下，控制井口回压，使井底压力保持相对稳定[7]。该技术在常规控压钻井基础上，增加自动节流管汇、随钻环空压力监测（PWD）[8]、自动控制系统等[9]，进一步增加控制精度，并降低反应时间，使钻井作业更加顺畅。由于隔水管的存在，深水控压钻井技术及设备与陆地略有不同。

（1）深水精细控压钻井技术设备。采用威特福公司的精细控压钻井技术及Transocean的隔水管井控设备相结合，威特福公司的精细控压技术可在溢流量小于80L时监测到溢流，并在2min内控制溢流，使地层流体总溢流量小于800L。动态环空压力可以实现井口回压自动控制，精度可以达到50psi。而一旦地层气体进入隔水管，Transocean的隔水管井控设备为井控安全提供了保障。

①计算机控制及显示系统。控制系统实时监测立管压力、钻压、钻速、扭矩等钻井参数；井底压力、环空压力、进口及出口泥浆密度、排量等压力相关参数；通过井深、钻头位置等计算出的循环当量密度；井口回压等相关参数，并对井底实时压力及破裂压力或漏失压力和坍塌压力形成实时可视化曲线。计算机控制系统与自动节流管汇控制系统相连接，根据实时曲线，设定回压值，自动调整节流阀位置，以保持井口回压。

②隔水管旋转控制头。采用威特福7875型旋转控制头，最大开口直径18-3/4″，通过转换接头安装于伸缩隔水管下，位于水面以下，采用双密封元件，通过液压将密封元件锁定于本体内，最大可承受动态压力2000psi，最大可承受静压5000psi，可承受最大拉力3Mbbl。

③隔水管环形防喷器。Transocean的隔水管环形防喷器紧邻隔水管旋转控制头，位于隔水管旋转控制头之下，隔水管四通之上，为21-1/4″Hydrill MSP 2000psi环形防喷器，通过液压管线控制。当清除隔水管内气体、隔水管旋转控制头失效或更换旋转控制头内密封件时，可用来关闭隔水管。

④隔水管四通（riser flow spool）。Transocean的隔水管四通，位于隔水管环形防喷器之下，每侧各有2个液动阀，通过高压水龙带与缓冲管汇（Buffer Manifold）相连，MPD作业时，作为钻井液出入隔水管的通道。

⑤缓冲管汇（Buffer Manifold）。泥浆的缓冲及分配总汇，决定泥浆的流向，分别与泥浆泵、隔水管四通、MPD管汇、振动筛及二相分离器相连。同时装配有750psi隔水管泄压阀，800psi隔水管破裂盘，5000psi隔水管增压管线泄压阀，对隔水管进行保护。

⑥自动节流管汇（Secure Manifold）。深水钻井使用紧凑式一体式自动节流管汇系统，体积小，安装方便，拥有自能控制单元，可以自动实现回压的连续调节，精度高，亦可手动控制，拥有高精度的体积流量计，可以精确测量，获取泥浆回流的流量、密度及温度。

MPD作业时，为隔水管提供回压，装配有4-1/16″5000psi入口、自动及手动节流阀、智能控制系统、液压泵、科里奥质量流量计、高精度回压传感器，控制计算机与智能控制系统相连，对回压进行自动控制。

⑦二相分离器。采用威特福抗硫化氢二相分离器，最低工作温度-4℃，最高工作温度100℃，最大工作压力125psi，最大工作能力495545m3/d，1678L/min。进口分别于Buffer Manifold和MPD Manifold相连，分离后液体进入振动筛，气体排到舷外。

隔水管四通、隔水管环形防喷器及Buffer Manifold作为隔水管气体处理系统（RGH，Riser Gas Handle System）工作，RCD，MPD Manifold、二相分离器及控制系统为MPD装置。

⑧PWD/MWD。常规控压井底压力通常采用预测或者模拟计算的方式获得。精细空压通过PWD实时监测井底压力,通过MWD实时传输或者存储于井下设备，通过实测数据计算井底ECD,通过自动节流阀对井底压力进行调节，具有实时、准确的特点。

（2）水下设备连接程序。由于隔水管的存在，除了对控压钻井设备提出了新的要求，也不同于原有隔水管的连接顺序，在控压设备存在的状况下，水下设备连接程序由上至下为：

导流器+Flex Joint+伸缩隔水管+RCD+隔水管环形防喷器+Riser Flow Spool+Flex Joint+Terminal Joint+无浮块隔水管+不同等级浮块隔水管+无浮块隔水管+LMRP+水下防喷器组

由于在精细控压钻井过程中采用低密度钻井液，极大地增加了地层流体进入井筒的风险，增加了井控压力，因此将水下防喷器组的下钻杆闸板（或中钻杆闸板）更换为剪切全封闸板。并将水下防喷器压井管线内注入合成基泥浆所用基油（8.6ppg），与钻井液相比，通过压井管汇压力变化，更加精确地监测井筒压力。

（3）精细控压（MPD/PMCD）技术措施：

①MPD。进入碳酸盐岩地层后，安装RCD Bearing Assembly，并试压，转入MPD钻进。

钻进时，通过压井管线及PWD监测井底压力，建立井底ECD变化趋势，如果ECD变小偏离趋势线，说明可能存在井涌，则应适当增加回压并观察井内状况；如果ECD变大偏离趋势线，则说明环空岩屑过多，井眼清洁效果差，可适当降低钻速，循环出环空岩屑。

MPD Manifold观察井涌及漏失，并适时调节井口回压。钻井液从钻杆进入，从Riser Flow Spool返出后通过Buffer Manifold进入Secure Manifold，由MPD Manifold中的科里奥质量流量计监测流量，最小可发现1桶的变化量，及时发现井涌及井漏。压力传感器监测井口回压，并根据控制系统设定值由自动节流阀提供回压，后由Secure Manifold进入震动筛。如果气体含量高，则先进入二相分离器进行气液分离。由于深水钻井多采用合成基泥浆，地层油气溶于合成基泥浆，对井涌的监测造成了困难，尤其是气体的侵入。含气的合成基泥浆在循环过程中沿环空上行，随着压力温度的变化，气体逸出。同时在实际发生气侵至气体逸出并被监测的时间内，地层气体保持侵入的状态。随着逸出气体在井筒内上行，气体膨胀，井内压力降低，则需要提供更多回压，而隔水管及泄压阀、压力破裂片对最大回压存在限制，不超过750psi。因此通过环空多相流计算模拟，溢流速度小于0.5bbl/min，溢流量小于5bbl，溢流时间小于3min，如果井口回压不超过675psi，则提高井口回压，直到井内稳定；如果井口回压大于750psi，则关闭防喷器，进行井控作业。如果溢流速度大于0.5bbl/min，溢流量大于5bbl，溢流时间大于3min，则关闭防喷器，进行井控作业。

②控压泥浆帽技术（PMCD）。控压钻井设备的优点之一是可以在控压钻井，控压泥浆帽钻井之间转换。MPD作业过程中，出现漏失，则降低井口回压，如果出现大量漏失，无法处理，则关闭下环形防喷器，通过压井管线（已替换成8.6ppg基油）计算地层压力，且认为地层压力等于地层破裂压力。

增压泵通过增压管线泵入合理密度钻井液替换隔水管内原钻井液，降低隔水管内液柱压力，使环空压力小于地层破裂压力。完成后，打开环形防喷器，并对节流管线内泥浆进行置换，进入PMCD作业。

在PMCD作业过程中，关闭RCD，钻井泵通过钻杆泵入海水钻进，缓慢开泵并逐渐增大排量，直到Secure Manifold有井口压力显示，并逐渐增大到设计排量，岩屑及海水进入最上部地层裂缝。密切监测Secure Manifold井口压力变化，确认是否存在的气侵，增压泵通过Riser Flow Spool的左舷（右舷）流动管线，每2h泵入20bbl合理密度钻井液（地层环空与隔水管环空容积不同），定期将一定量的环空钻井液挤入地层。

③控压状态下测井。钻达设计井深后，井眼达到测井要求，保持一定的回压起钻并密切监测灌浆量。起至水下防喷器后，关闭上全封闸板防喷器，通过压井管线记录监测井内压力。释放隔水管内回压，通过泥浆压缩系数，对释放压力与释放的泥浆体积进行确认，回收RCD密封装置。

采用9-5/8″Lubricator下入测井补心，并将其锁定于RCD外筒内。在9-5/8″Lubricator上端连接转换接头及承压补心，测井过程中用于密封测井电缆，承受回压。

电测工具下至水下防喷器之上时，通过压井管线观察下剪切闸板以下井筒压力，控压钻井人员在隔水管内提供回压，平衡下剪切闸板上下压力，确认压力平衡后，打开下剪切闸板，保持井口回压，进入测井程序。

④井控。由于Secure Manifold能够精确检测及自动调节，因此地层流体进入隔水管内的可能性很小。一旦发现井涌应立即关闭水下防喷器，防止地层流体进入隔水管。首先进行确认隔水管内无地层流体，然后按照正常压井程序进行压井。如地层流体进去隔水管，则及时隔水管环形防喷器，置换出隔水管内被污染钻井液，然后进行正常压井作业，二者不可同时进行。

如果地层流体进入隔水管，在可控条件下允许气体膨胀，并将其循环出隔水管。关闭隔水管环形防喷器，观察隔水管内压力，如果隔水管内压力超过300psi，则泄压至300psi。增压泵向隔水管内泵入压井泥浆，通过Rise Flow Spool至Buffer Manifold，连接至Secure Manifold，控制回压及流量，使气体在隔水管内缓慢上升，控制气体的逸出速度，防止气体的突然逸出，造成隔水管的损坏，后进入二相分离器。缓慢开泵至30～50spm，并缓慢打开节流阀，控制隔水管回压在300psi。如果返出量超过泵排量的20%，则停止泵入，控制回压稳定在300psi。流动停止后，重新开泵循环并重复上述过程，直到气体全部循环出隔水管。

采用常规井控程序进行水下防喷器以下的井控作业。

3 现场应用效果

在印度尼西亚Makassar区域采用深水精细控压钻井技术成功地解决了喷漏的情况，在钻井及测井的整个作业过程中，根据PWD数据，合理确定钻井液密度及回压，没有出现井涌及压漏地层的情况。在深水钻井日费高昂的情况下，避免井下事故，降低非生产时间，节省作业费用。同时顺利钻穿碳酸盐裂缝性地层，保护产层，达到了储层评价的效果。

4 结论

（1）深水精细控压钻井技术能有效地解决深水地层窄密度窗口对钻井作业带来的一系列复杂情况，有效地降低非作业时间，提高作业效率，降低钻井费用。

（2）合成基泥浆的使用，使深水井涌的监测更加困难，危害更大，精细控压设备的高精度流量计，可能及时发现井涌/井漏，及时有效地采取措施，将损失降低到最小。

（3）隔水管环形防喷器的存在，为气体进入隔水管后，提供了更加安全的保障，避免了一旦导流器损坏，隔水管内气体无法控制的局面。

（4）钻井及测井全过程的精细控压作业对于防止储层污染，保护储层提供了更为可靠的保障，为储层评价提供更为真实可靠的数据。

（5）MPD与PMCD之间的灵活转换，对于碳酸盐岩裂缝性喷漏同层地层，是经济有效安全的解决办法，最大程度地降低了非作业时间。

[1]周英操，杨雄文，方世亮.窄密度钻井难点分析与技术对策[J].石油机械，2012，38（4）：1-7.

[2]R.W.Jenkins，D.A.Schmidt，D.Stokes.Drilling The First Ultra Deepwater Wells Offshore Malaysia.SPE 79807.

[3]Luise Alberto，P.Junqueira，J.L.ROQUE.Overcoming Deep and ULTRA Deepwater Drilling Challenges.Offshore Technology Conference,5 May-8 May 2003,Houston,Texas.

[4]Thieny Botrel.Hydrates Prevention and Removal in Ultra Deepwater Drilling Systems.Offshore Technology Conference, 30 April-3 May 2001,Houston,Texas.

[5]B.Fu,S.Neff.Novel Low Dosage Hydrate Inhibitors for Deepwater Operations.SPE 71472.

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[9]朱天玉，马朋举，蔡鹏.控压钻井实时监控技术简介[J].钻采工艺，2011,34（5）：45-46,51.

[9]胥志雄，李怀仲，石希天，等.精细控压钻井技术在塔里木碳酸盐岩水平井的成功应用[J].石油工业技术监督，2011（6）：19-21.

TE242

B

1004-5716（2015）03-0065-04

2014-03-24

2014-04-24

于水杰（1982-），男（汉族），山东文登人，工程师，现从事钻井技术工作。