高温高压井ECD校核与控制技术要点探究

韦小奇，秦张斌(中海油田服务股份有限公司钻井事业部深圳作业公司，广东 深圳 518000)

0 引言

在高温高压井钻井中，液密度不作为常数出现，其液流变性会随着当前条件的变化而发生改变，ECD校核与控制技术作为全过程执行的重要组成部分，需要从获取各项参数方面入手进行调整和优化，在不同工况与环境条件下合理选择相应的控制技术，以此进一步控制井筒压力、降低钻井成本，避免执行过程中出现地层压漏或相关问题，最终降低井漏喷塌等复杂情况的发生概率，为工程后续工作开展做好铺垫，保证全过程能够实现安全钻进，防止风险问题的发生。

1 高温高压井ECD校核与控制技术发展趋势

在高温、高压钻井条件下，可能会因复杂现场情况而引发建设风险问题，若想保障建设全过程的安全性和稳定性，需要加大油气勘探力度，关注温度压力对钻井液密度的影响，随后结合实际对钻井液密度进行计算，掌握温度与压力对钻井液密度规律，做好高温、高压工况下的ECD预测并展开相关工作，通过精确计算井底压力获取钻井液的循环当量密度值[1]。高温高压井ECD校核与控制对安全性和稳定性有着重要影响，为此要综合考虑高温高压对钻井液密度，近年来我国对相关工具开发进行了较多的研究，最终目的是攻克高温、高压条件下风险高、难度大的问题，结合钻井液循环当量密度做好调整，获取静态当量密度与环空压耗相关参数，研究发现钻速提升后循环当量密度会随之增大，为此要控制钻进的钻速保证ECD大小符合预期，使环空浓度保持在适当的范围内。

高温高压井ECD校核与控制主要是针对当量循环密度开展的工作，为了更好地控制电子俘获检测器数值，要做好井眼的清洁保证洗井彻底，钻屑能够及时地排除。在执行过程中，可以结合实际需求选择使用流变性较低的流体，配合可膨胀的管柱来保持井眼尺寸，更好地对井底进行清洗，在井口提升钻井液的排量以降低摩擦率，最终使当量泥浆密度值(ECD)能够降下来[2]。传统思路控制在当前环境下应用仍然存在一些缺陷，若想契合工程的实际建设需求，必须考虑ECD校核与控制技术发展趋势，研究动态压力控制系统(DAPC)与不间断循环系统，结合各类参数信息数据改变钻井液的流变性，从而降低静态当量密度，发挥ECD校核与控制的作用，通过不间断循环的方式减少钻井作业费用支出。

在此基础上，未来还要关注高温高压下的密度模型，要求以经验模型与复合模型为主，全面考虑到现存的各类影响因素，通过解析法推导出钻井液密度与外部环境之间的关系，配合高温高压的钻井液密度的试验，对模型当中的特性常数进行确定，结果保持高度的一致性，比传统模型能够得出更加真实准确的数据，最终达到降低ECD的目的[3]。为了能够更加精准的描绘流动方式，要精确估算钻井液密度与摩擦压降。注意到高温高压的工况的稳定性问题，通过实例验证并计算钻井液密度变化对静态压力的影响，得到在既定条件下的流变性能，确保实测值偏差可以控制在标准范围内，最终满足现场工作开展的实际需求。

2 高温高压油基钻井液流变性分析

2.1 高压油基钻井液流变性模式

随着超深井的发展，不仅衍生出了一系列的特殊钻井工艺，且钻井液体系也开始逐渐复杂化[4]。高温高压井ECD由当量静态密度与附加当量循环密度组成，与岩屑、岩屑床、钻柱偏心与旋转等都有很大的关系，为了能够有效对高温高压钻井液流变性进行分析，需要对传统模式进行优化，借助幂律、赫巴、罗斯等化学方程式开展后续参数获取工作，得到准确的密度计算模型，调整环空循环压耗与钻井液的流变模式，从而进一步满足现场的实际要求。

式中：K为稠度系数；n为流性指数。

式中：τ0为屈服值；K为稠度系数；n为流性指数。

式中：A为稠度系数；C为剪切速率校正值；B为流性指数。

控制速率与流变模型参数误差，以此为后续工作开展提供相应的参考。

2.2 高压油基钻井液流变性计算

在钻井的过程中为了提升ECD的精度，必须合理开展高压油基钻井液流变性计算工作，对各项参数进行计算，利用旋转黏度计测得的原始数据，提升高温高压井底 ECD 的精度，避免在初始阶段存在问题。在执行中也可以运用流变模型方程通过传统公式推导将计算过程简化，通过测量力矩与转速推导出流体在变性条件下的所受力，该方法在整体上更为便捷且可靠性更高，适用于幂律、罗斯等流变模型。在实际应用中需要确定钻井液流变参数，得出圆筒壁面剪切速率与转速关系如下：

式中：R2为旋转黏度计外筒直径(cm)；R1为内筒直径(cm)；N为旋转黏度计转子转速(r/min)。

通过方程推导得出修正系数值，确定钻井液流变参数，随后结合现场钻井液的相关参数进行处理，分布规律按牛顿流体流变规律进行确定，通过修正进行后续流变参数计算，保证最终结果的准确度。

2.3 高压油基钻井液流变性总结

在高温高压井当中会遇到窄密度窗口情况，而钻井液密度受温度压力影响较大，温度产生膨胀效应；压力产生压缩效应，在此条件下密度与流变性都会发生一定的改变，温度较低时钻井液黏度呈现急速下降趋势，温度超过120 ℃后，钻井液流变特性随温度变化不明显，如不对此关注则可能出现测量值偏差。现有高温高压流变参数预测模型会囊括三参数流变模型、四参数流变模型，随着技术的发展与进步，现如今已经可以准确描述钻井工作流变特性，后续则应建立一套适用于所有流变模型的高温高压流变参数计算方法，保证工作开展的准确性[5]。

3 高温高压井ECD校核与控制技术

3.1 当量泥浆循环密度ESD与ECD的计算

井底压力计算是研究过程中重点内容之一，钻井液的数值不再是井口测定的固定数值，井下温度与压力增大对钻井液密度产生影响，在相关工作开展过程中要注重各类外部影响因素，如当前建设区域的泥浆窗口密度比较窄，则需要对当量泥浆密度加大关注，对井筒内钻井液密度、压力变化进行预测，据物相平衡原理分析钻井液、水基钻井液不同温度压力下密度，以HTHP组份法为主建立钻井液密度模型，在该模型中假定钻井液由基油、水、盐、加重材料等固相及化学处理剂组成，假定常温常压下钻井液中各组分体积分别为Vo、Vw、Vs1、Vs、Vc，总体积可表示为：

钻井液总质量为：

式中：ρo为常温、常压下钻井液中油相的密度；ρw为常温、常压下钻井液中水相的密度；ρs为常温、常压下钻井液中盐的密度；ρs1为常温、常压下钻井液中加重材料的密度；ρc为常温、常压下钻井液中化学处理剂的密度。

遇到窄窗口密度的情况，需要考虑压耗与波动压力，针对ECD的计算结果与记录数据进行校核，在遇到高温高压的情况下更加准确地控制井下压力，为钻井提供数据支撑，实现安全稳定钻井[6]。

为保证窄密度窗口安全钻井，基于PWD强化ECD实时监测，对多参数实时联动调控微压差，相对于传统钻井增加井下 PWD工具，主要优势是设备简单、占地面积小，井底ECD数据可以直接传输至控制中心，自动发出调整指令预测允许ECD值，结合当前实际情况选择关闭位于连接器中部的盲板，上部压力腔压力被释放，下压力腔进入钻杆而使钻井液循环，结合快速混浆装置等设备实现正常钻井，此时压力腔中充入钻井液平衡钻柱内外压力，卸开钻柱公螺纹和母螺纹，分成上下2个压力腔，依靠司钻房操作直流钻井液泵完成工作。钻井液经过管汇聚集，比对排量、转速、钻井液密度等推荐值，如条件不允许则可以选择关闭连接器上下闸板，密封腔重新充压，压力腔的卸压、加压都通过连接器完成，满足要求后钻井过程再次开始，钻具后释放连接器压力腔中的压力，回流的钻井液通过管路进入钻井液池，流向钻柱钻井液从未停止过，避免钻井液的损失和浪费。在后续循环短节的调整过程中，要从高压储层段钻井、循环方面入手，在连接过程中需要对管汇和阀门进行控制，压力和流量一直处在连续控制中，从而使上下钻井液压力达到平衡，ECD恒定高于地层压力0.01～0.02 g/cm3，而微压差定量精确控制，复杂时效由65%降至5%以下，保证后续工作开展的安全性和稳定性。

3.2 高温高压井ECD控制技术

3.2.1 井底压力控制的基本原理

在高温高压井当中，井筒内气液混合物会造成直接影响，为实现对高温高压井ECD的控制，需要结合需求调节泥浆密度，在井筒流体不循环的时候，要合理选择钻井液的密度，确定好井筒的环空压力剖面，针对安全泥浆窗口适当施加回压，实现对井底压力的控制，以此保证钻井的安全快速，满足在高温高压条件下控制当量密度的要求。在高温高压井当中，井底压力控制要对参数进行选择，通过控制节流阀来调整套压，可结合钻井区域情况在井口适当增加回压，使高温高压井井底压力在安全窗口之内，在降低泥浆密度的同时控制井内ECD变化，优化静态压力与动态压力，泥浆安全密度窗口较窄的情况下也能实现有效压力控制。

钻井与停泵的过程中，现场中一般会预设井内的套压为0，结合部地层压力不确定等复杂地质条件做好排量选取，设计出合理和安全的井身结构。如高温高压井安全压力窗口窄，则需要做好不确定性分析，评估套管鞋处地层是否满足承压要求，随后要做好双向迭代设计，考虑温度效应的井壁稳定性，确定套管最大允许下深和最大允许全角变化率，以此避免出现时效低、成本高的问题。在此基础上，需要做好地质条件下地层压力和分析，基于高温高压井控原则，利用专业软件计算出套管的最大悬重，通过模拟不同工况条件，从井控角度评估套管下深是否合理，立足一级井控及时控制二级井控，全井眼ECD和ESD井套压不超过上层套管鞋处破裂压力，固井评估则关注漏失层的漏失压力，要求最大ECD不超过薄弱点破裂压力，最后评估补偿器提升能力和钻机提升能力，进而规避风险。

3.2.2 ECD控制技术的相关参数的影响

ECD控制技术的相关参数的影响必须加大关注力度，在实际执行过程中需要收集相关数据并对其进行划分，考虑到钻井液性能的变化会造成井筒温度场与压力场发生变化，在准备阶段必须高效、高质地完成所有工作，并在此基础上进行管段划分，随后评估风险级别，并在此基础上结合当前现状进行风险识别，以此进行深度优化[7]。在参数确认阶段需要对收集到的信息进行整理和分类，结合当前实际情况明确检测目的、方法以及时间，根据参数条件开展完整性评价，保障最终参数与测试结果保持一致，从而提高工作的整体效果。高温高压对钻井液的密度影响较大，钻井安全隐患排除工作必须做好识别，考虑井内实际泥浆密度与黏度等指标，结合钻井的实际情况做好算例分析，对可能存在的风险进行了解，客观评估风险和风险危害性。如井筒温度压力之间相互作用，则要获取泥浆密度在高温高压下的变化，及时防范和制止各种不安全因素，运用科学合理的风险管控工具进行预测，避免出现人为意外风险。同时，要对参数信息资料、数据资料综合考虑区域的泥浆密度，探求泥浆性能变化，以入口数值进行计算，否则很容易产生复杂情况。为此在进行高温高压井井筒压力计算的过程中，要探求循环时间对ECD计算的影响，发现问题后需要向有关部门及时汇报，根据最后数据结果进行判断，随后制定切实可行的对策进行完善，将现存问题合理解决。在高温高压井的钻井过程中，泥浆密度值比入口密度要大，为此要展开流变实验研究，以某井为例，其井套管尺寸为311.2 mm，下入深度为 3 791 m，钻井采用127 mm钻杆，井底地层压力测得为108.87 MPa，针对限定条件为不同循环时间下的井筒内的温度分布情况进行探究，控制其循环时间作为自变量，发现钻井液体积缩小ECD变大；钻井液体积变大上部ECD减小。本次实验循环时间为25 h，循环时环空压耗大小与泵排量的1.8次幂成正比，在控制变量的情况下环空ECD会随井段上部分的温度增大，为此要优选参数达到最佳的安全配置。

3.2.3 不同工况下的ECD控制技术与方法

为了保证井底压力处在合适的范围内，需要及时掌握参数变化情况，通过调节节流阀控制井底压力，在排量Q不变，泵压P下降的情况下，随着钻井液的循环，油气混合物上升。因此，要及时调节节流阀参数，使立压恢复到初始大小，如泵压出现较为明显减小时，需要紧密关注泵压的变化，保证井内恒压，有气体产生立压会下降，此时需要做出有效判断，精准下达后续执行指令，提高回压促使泵压升高。

环空保护液压力自动平衡控制可解决测试期间因温度变化引起 的压力变化，井筒温度升高环空流体膨胀；井筒温度降低环空流体收缩，为保证测试期间压力处于安全范围值，必须关注作业过程中产生的波动压力，节流阀不能够对井内压力进行控制时可认为增加回压[8]。

排量Q不变，立压套压升高时，可以通过循环排气的方式降低套压，如发生节流阀不能操作的情况，则说明地层压力预测值过小。为此要及时进行关井操作，根据压差值设计加重值，在此过程中收集到的各类数据资料必须进行储存，方便日后在有需要时进行调取和利用。且信息数据分类保存也可以为方便开展企业的相关工作，将隐患整改工作和相关措施贯彻落实，为该领域后续发展提供有效推动力。

在此基础上，需要明确这些监管单位的具体责任，结合实际需求进行调整，做好钻井保护、安全监督以及质量监管等工作，结合当前的实际情况制定出有效方案，从而避免风险问题的出现。排量不变立压套压下降明显时，如果出口流量变小则可能存在漏失，可利用井筒多相流理论模型预测控制理论进行压力控制设计，提早发现问题进行优化。且能够为后续工作的开展提供保障，在执行的过程规范作业，切实发挥全过程监督管理的作用，避免因“小问题”而发展成“大隐患”。

在实际执行过程中，需要充分利用现代信息技术进行优化和完善，包括监测技术、勘察技术、信息技术、传输技术等，并在此基础上设置应急预案处理各类突发性问题，以ECD校核与控制技术作为保障高温高压钻井正常运行的一道防线，切实发挥各技术的实际作用，避免高复杂条件下发生风险问题。针对温度压力等级更高的井，亟需做好技术储备，强化高温高压井对钻井液技术应用，在现有技术基础上进一步加强理论和工程技术研究，指导完成后续的施工作业。

4 结语

高温高压井ECD校核与控制技术对于钻井安全有着直接作用，在实际工作开展中必须做好流变性测试实验，关注钻井液密度和流变参数所造成的影响。随着循环时间的增加，环空钻井液密度与稠度系数逐渐增加，环空压耗和井底ECD会随之增大。只有大力发展高温高压钻完井技术，才能保障高温高压井的安全作业，为后续该领域的发现提供帮助，最终避免风险问题的发生。