控压钻井解决碳酸盐岩地层环空压力波动研究

康 健，郭庆丰，许朝辉，门明磊，张 鑫

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102200）

石油钻井过程中，起下钻、接单根引起井底压力变化会影响钻井作业从而造成井控风险。大量的实践表明，25%以上的井喷、井漏及井壁坍塌等复杂钻井情况是由波动压力造成的[1]。如何有效地减小井内的波动压力一直是钻井设计及施工的难点。裂缝性发育的碳酸盐岩地层多半为气井，为了降低波动压力对井底压力的影响，现场通常在泥浆密度设计中增加安全附加值（油水井0.05～0.1g/cm3,气井0.07～0.15g/cm3），对于地层压力窗口正常的井这样是可行的，但对于裂缝性碳酸盐岩地层井，为了保证井下安全，波动压力必须保持在地层所允许的压力窗口范围之内。

精细控压钻井技术能够实时精确控制井底压力，有效实现安全钻井的技术，主要解决窄密度窗口钻井难题[2]。使用精细控压钻井技术的井多数都较为复杂，其中在窄密度窗口下，应用较为广泛。在钻井作业中，任何造成压力波动的工序都可能出现安全事故，对波动压力准确地计算和精确地控制是必须面临的挑战。精细控压技术控制在钻井作业中产生的波动压力具有显著的效果。

1 波动压力分析计算

现场钻井作业过程中，波动压力主要是由泥浆在井筒内流动所产生的[3]，其中主要包括泥浆流动克服静切力、粘滞力和上提下放钻具惯性造成的波动压力。

1.1 泥浆静切力引起的波动压力

现场调配的泥浆一般都有静切力。泥浆泵再次开启、起下钻过程中，瞬时波动压力主要是泥浆静切力产生的。计算公式如下：

P波=

4ρ0H

(D2-D1) （1）

式中：P波——波动压力，Pa；

ρ0——泥浆密度，Pa；

H——环空液面至钻头的高度，m；

D1——井眼直径，m；

D2——钻柱外径。

由式（1）能够看出，在其他变量一定的情况下，泥浆静切力引起的波动压力随着静切力增大而增大。对于压力敏感地层，引发井漏原因往往是由开泵、起下钻泥浆静切力较大，泥浆静切力产生的阻力，使得井底压力大于漏失压力。所以现场调配合理的泥浆静切力对减小波动压力尤为重要。

1.2 泥浆粘滞力产生的波动压力

下钻过程中，钻具下放，泥浆反方向流动，由于钻具表面的粘附因素，使得泥浆在环空内向上的流动中发生的摩擦损失造成的压力。

（1）环空平均流速计算：

式中：VQ——起下钻速度，m/s；

Q1——管柱内流量；

其他符号如上。

（2）波动压力计算：首先计算雷诺数，分析不同的泥浆流态情况，计算波动压力。

层流时：

式中：H——井深,m；

其他符号如上。

絮流时：

式中：f——范宁阻力系数，其他符号如上。

1.3 钻具惯性引起的波动压力

在起下钻时，钻具上提或者下放具有一定的加速度，环空的泥浆也会跟着反方向流动产生了惯性力，即是钻具惯性力引起的波动压力，计算如下。

正常情况下钻：

钻具装有止回阀：

式中：a——加速度，m/s2；

其他符号如上。

分析以上3种常见的引起波动压力的因素，其中在现场起下钻由于钻具惯性造成的波动压力最大，在裂缝性碳酸盐岩地层极其容易引发井下复杂事故。

2 精细控压钻井系统解决波动压力方案

2.1 实时调节井口回压保持井底压力恒定

井口回压的调节主要通过控压钻井装备来实现，

雪花飘一走，我再也听不到刷夜这个词了。村庄安静了一些时候。后来我有幸被一位老干部看重，到乡政府当了副科长，而这时田青青已是县政府办公室副主任。我们都成家了，她的丈夫是公安局刑警队长，我的妻子是村里的养猪饲养员，这种差距使我在心理上很不平衡。我知道自己做了许多有益的工作，但很少有人发现。肉埋在饭里吃，谁看得见肉呢？

在钻井过程中通过控压钻井装备与工艺的有效结合

[4]。根据采集的排量、套压和井底压力等数据，结合水力计算软件合理的逻辑判断，实时对比实际井筒压力与目标压力，发出控制节流阀的信号。通过精细控压钻井系统节流系统，调节节流阀开度实时控制井口回压，实现控制井筒压力的目，保持井底恒压，从而减小井筒波动压力。各压力关系如图1所示。

图1 井底压力模式组成

在正常起下钻过程中，受波动压力影响很大，井底压力保持恒定的情况下有：

式中：Pj——井底压力；

Pb——波动压力；

Po——静液柱压力。

其中起钻过程中波动压力取正值，下钻过程中波动压力为负值。

2.2 回压补偿系统在环空内实时补浆

图2 井身结构示意图

3 实钻过程中波动压力控制

以塔里木某井为例，该井斜深5403m，垂深4837m，水平段长365m。该井在三开后进入A点（5038m）前100m（4938m），开始进入精细控压钻进流程。以该井三开后井深为5100～5200m为例，起下钻过程中波动压力及井口压力的控制。

3.1 基本参数

（1）井身结构（见图2）。

（2）泥浆性能。泥浆密度1.08～1.30g/cm3，漏斗粘度45～60，动切力5～15，塑性粘度6～18，初切力2～4，终切力5～15，API失水不大于5，HTHP不大于14，含砂量不大于0.2，pH值不小于11。

（3）钻具组合。Ø171.5mm钻头+Ø127mm螺杆钻具+转换接头×331×NC38（母）×0.5m+Ø120.7mm浮阀+Ø120.7mm无磁钻铤+Ø120.7mmPWD+Ø120.7mm无磁悬挂短接（MWD）+Ø88.9mm无磁承压钻杆+转换接头×NC38（公）×HT40（母）+Ø101.6mm斜坡钻杆S135I+Ø101.6mm加重钻杆S135I+Ø101.6mm斜坡钻杆S135I。

（4）井深5100～5200m正常钻进参数。表1为井深在5100～5200m正常钻进时精细控压钻井系统实时记录的部分参数。

3.2 波动压力实时控制

为了减小由于加速度对波动压力造成不定性因素，延长RCD胶芯寿命，在精细控压施工过程中，控制起下钻速度不大于0.3m/s。在钻具内装有止回阀情况下，由公式（6）可知波动压力的大小与钻杆下入深度H及起下钻加速度a大小决定的。

表1 精细控压数据监测

图3 起下钻—波动压力与井口回压模拟

波动压力随着加速度a的周期性变化，保持井底压力不变，井口压力也要随着波动压力的变化而变化，图3为在精细控压钻井起钻过程中，波动压力与井口回压控制模拟曲线。

在起钻过程中，波动压力表现为抽吸压力，井底压力随着抽吸压力在的增大而减小。由公式（7）可知，控制井底压力Pj恒定，随着波动压力Ph的增大，井口回压PW同时也要增大。该井在正常钻进时，井口控压值为0.2MPa，根据表1中PWD环空压力监测值计算环空压耗为1.51MPa，由公式（6）代入数据得波动压力峰值为1.9MPa，则在其钻过程中井口附加压力峰值为3.61MPa。

在下钻过程中，波动压力表现为激动压力。井底压力随着抽吸压力的增大而增大，由公式（7）可知，控制井底压力Pj恒定，随着波动压力Ph的减小，井口回压PW同时也要减小。该井在正常钻进时，井口控压值为0.2MPa，根据PWD环空压力监测值，计算环空压耗为1.57MPa，由公式（6）代入数据得波动压力谷值为0.65MPa，则在其钻过程中井口附加压力峰值为3.61MPa，图4为使用精细控压钻井起下钻过程中，实时控制波动压力井口回压曲线。

图4 起下钻—回压实时控制曲线

该井使用精细控压钻井技术成功地解决了裂缝性碳酸盐岩地层由波动压力造成的井下复杂问题，全井始终保持井底恒压，实现零漏失，零复杂，安全钻完目的层。

4 结论

（1）在裂缝性碳酸盐岩地层，多数为高压气井，地层压力系数敏感，钻井过程中波动压力很容易诱发井下复杂事故。

（2）波动压力是不可避免的，影响因素较多，仔细的分析研究可能造成波动压力的因素很有必要。

（3）在裂缝性碳酸盐岩地层钻井过程中，精细控压钻井技术通过实时控制井口回压，可有效地解决在裂缝性碳酸盐岩地层由于泥浆静切力、钻具提放惯性力等因素产生的波动压力，保持井底恒压。

参考文献：

[1] 郭宇建，李根生，宋先知，等.基于喝吧流体的偏心环空波动压力数值模拟[J].石油机械，2014.

[2] 周英操，杨雄文，方世良，等.窄窗口钻井难点分析与技术对策[J].石油机械，2010.

[3] 周兴权.波动压力计算与讨论[J].石油钻采工艺，1988（4）：2-8.

[4] 周英操，杨雄文，方世良，等.PCDS-I精细控压钻井系统研制与现场试验[J].石油钻探技术，2011（39）：7-11.