控压钻井解决碳酸盐岩地层环空压力波动研究

薛佳楠

（大庆钻探工程公司新疆钻探项目部，新疆 库尔勒 841009）

据数据调查发现，全球范围内沉积岩中有20%的碳酸盐岩，而碳酸盐岩中油气储量占全球油气总储量的60%以上。由此可见，碳酸盐岩地层油气开采是我国能源产业发展的重中之重。我国碳酸盐岩主要分布于四川盆地、珠江口盆地、渤海湾盆地和塔里木盆地等地区。新时期下，随着碳酸盐岩地层开采规模的不断扩大，钻井作业也面临诸多问题，例如储层保护难、地层易漏失等方面。而地层压力精细化管理有利于合理调整钻井作业中的精神结构设计和钻井液密度设计，对减少井喷、井漏等安全事故和提高钻井作业安全性具有重要意义。为此，本文重点研究能够解决碳酸盐岩地层环空压力波动的精密控压钻井技术方案。

1 碳酸盐岩地层特点与钻井难点

1.1 碳酸盐岩组成及其地层特点

碳酸盐岩的主要成分是胶结物、基质、孔隙和颗粒。依据结构—成因可将其划分为三类，分别是生物礁岩、正化灰岩和异化颗粒岩。依据支撑物可将其划分为两类，分别是砾状石灰石和石灰浮石。碳酸盐岩地层的显著特点是压力系数低、储层裂缝、洞穴复杂。而复杂的孔隙结构是导致碳酸盐岩地层特点的主要原因，一方面，碳酸盐岩的化学活动性较强，在长期掩埋中很容易发生溶蚀，另一方面，不同地质使其的生物类型和发展程度存在较大差异，再加上孔隙发育的影响，导致碳酸盐岩孔隙结构复杂，进而导致碳酸盐岩地层结构复杂，这给钻井作业带来较大难度。

1.2 碳酸盐岩地层钻井难点

第一，钻井作业期间难以有效堵漏。由于碳酸盐岩大多属于化学沉积岩，缝洞发育不规则，地层压力成因复杂，这就导致溶洞储层中很难用常规的堵漏手段[1]。一旦钻井作业中发现地层中出现较大裂缝，则需要平衡压差才能制漏，而这势必也会导致溶洞储层中融入气体量增加，一定程度上会提高钻井风控工作的难度，增大钻井事故风险。

第二，含有硫化氢的地层钻井难度大。硫化氢是一种有毒气体，无色，具有像腐烂臭鸡蛋的气味，同时能溶于水。钻井作业中，为避免硫化氢气体泄露常采取平衡钻井作业，但这一操作势必会造成一定量钻井液流失，一方面易造成井底压力失衡，增加钻井作业安全风险。另一方面钻井液遗漏也会危害储层。

第三，难以掌握气井井控。碳酸盐岩地层钻井作业期间，由于地层的特殊性，很难采用常规压井方法，而一旦提高密度，同样会导致压力增大，进而造成遗漏量增大[2]，对钻井作业造成一定影响，同时也增大了井控风险。

第四，稠油储层钻井工作难度大。稠油具有高密度和高粘度的特点，而且稠油中沥青和胶质含量高，轻质硫含量少，这给钻井作业带来较大难度，采用常规钻井作业方式很容易造成井漏[3]。而一旦采用欠平衡钻井技术，则会导致稠油流动到井口附近，堵塞井控，同样增加钻井作业难度。

第五，地层压力来源复杂，钻井液密度窗口较窄。当钻遇裂缝、溶洞时即使钻井液密度与裂缝、溶洞内充填的地层流体当量密度相当，甚至更低。而且由于裂缝、溶洞通道较大，在循环压耗、下钻激动压力等作用下，很容易导致钻井液与地层流体发生置换[4]，出现有喷又漏的现象。

2 精细控压钻井概述

2.1 精细控压钻井概念

精细控压钻井是一种高精尖钻井技术，是在钻井全过程中对环空压力进行精细化控制的一种钻井技术。与传统在钻井技术相比，精细控压钻井技术可以实现对实时动态了解井下地层环空波动压力，通过合理调整钻井技术有效控制地层环空压力，从而降低钻井过程中的井壁失稳和井漏发生机率，提高钻井作业安全性[5]。一般情况下，精密控压钻井期间，工作人员借助PWD 测压工具可以实时动态监测井底压力，而后利用节流管汇调整井口回压，使井底始终处于平衡状态。

2.2 精细控压钻井方案

目前常见的精细控压钻井方案主要有两种，一种是回压补偿系统在环空内实时补浆，另一种是实时调节井口回压保持井底压力恒定。其中回压补偿系统在环空内实时补浆基础上在钻井作业期间通过自动调节节流开度，始终保持井筒内液柱高度不变，从而降低环空波动压力[6]。常规作业下，由于井筒内液面高度与井底压力密切相关，未灌满泥浆更是引起钻井作业时井底溢流、井涌的主要原因。再加上钻具上下移动速度不一，很容易造成环空压力波动较大，一旦井筒内液柱下降低，会导致井底压力失去平衡，增大井底事故发生风险，常规控制手段也难以起到作用[7]。为此，可以通过自动调节手段实现实时补浆，保证井筒内液柱不变，从而解决钻井作业时的波动压力问题。

实时调节井口回压保持井底压力恒定的技术方案主要是通过先进的钻井设备实现。目前国际上常用的精密控压钻井设备有四种，分别是PCDS-Ⅰ（中国石油集团钻井空城技术研究院）、MPD 系统（Halliburton 公司）、DAPC 系统（Schumberger 公司）和MFDC 系统（Westherford 公司）。四种精密控压钻井先进设备的控压形式、基本原理和技术特征整理如表1所示。

表1 四种精密控压钻井先进设备统计

3 钻井作业中的波动压力计算

现场钻井作业期间，地层环空波动压力主要包括钻具惯性引起的波动压力、泥浆粘滞力产生的波动压力和泥浆静切力引起的波动压力。其中钻具惯性引起的波动压力是由于钻井中钻具上下移动导致环空泥浆向相反方向流动，从而产生的惯性力；泥浆粘滞力产生的波动压力是指泥浆在与钻具相反方向流动时，由于钻具表面不是“完全光滑”，从而在流动过程中对泥浆产生摩擦力，从而引起的波动压力；泥浆静切力引起的波动压力是钻井作业时钻具启动瞬间产生静切压力引起的波动压力。三种压力计算方法如下：

（1）钻具惯性引起的波动压力。一般情况下钻井作业时的钻具惯性引起的波动压力计算数学表达式如下：

当钻具安装有止回阀时：

式中：ρ——泥浆密度；

p波——波动压力，Pa；

H——环空液面至钻头的高度，m；

a——钻具上下移动的加速度，m/s2；

D1——钻井井眼的直径，m；

D2——钻柱子的外径，m。

（2）泥浆粘滞力产生的波动压力。首先，计算环空平均流速大小。

式中：VL——环空平均流速，m/s；

VQ——下钻速度，m/s；

Q1——管柱内流量。

其次，计算波动压力大小。

当泥浆流态是絮流时，则有：

式中：H——钻井深度，m；

ƒ——范宁阻力系数。

当泥浆流态是层流时，则有：

（3）泥浆静切力引起的波动压力。一般情况下钻井作业时的浆静切力引起的波动压力计算数学表达式如下：

由上述三种压力计算方法可知，钻具惯性引起的波动压力与钻具上下移动的加速度成正比。泥浆粘滞力产生的波动压力与泥浆密度成正比。泥浆静切力引起的波动压力与静切力成正比。相比较之下，钻具惯性引起的波动压力最大，对碳酸盐岩地层中的施工安全具有重要意义。

4 案例分析

4.1 案例介绍

H 井位于鄂尔多斯盆地，井斜深、垂深分别为4582m、4218m，水平段长29m，最大井斜角为78.47°。H井井眼采用直—增—稳结构，三次开钻后利用PCDS-Ⅰ系统实现精密控压钻井。

4.2 数据整理

表2为井深4100~4200m时系统实时监测的有关参数数据。

精密控压钻井作业期间，为降低加速度、井深等因素对波动压力的影响。首先利用PCDS-Ⅰ系统控制钻具上下移动加速度在0.3m/s2以内。其次，保证井底压力一定时，井口压力与波动压力密切相关。启动钻具时，波动压力与井口回压变化规律大致一致，呈现波形图变化。而起下钻时，波动压力与井口回压波动方向正好相反，即波动压力由最小值时，井口回压最大。结合上述图表数据和公式可知，起钻时，波动压力主要表现为抽吸压力。井口控压理想值为0.2MPa，计算得到环空压耗为1.50MPa，波动压力峰值为1.88MPa，则钻井作业时井口附加压力峰值为3.38MPa。下钻时，波动压力主要表现为激动压力。随着波动压力的降低，井口回压同时也会降低。同样计算井口控压理想值为0.2MPa 时，环空压耗为1.54MPa，波动压力谷值为0.59MPa，则钻井作业时井口附加压力谷值为2.13MPa。同时整理起下钻回压实时参数可知，H 井4100~4200m 作业期间利用PCDS-Ⅰ系统实现精密控压钻井有效解决了钻井作业期间的喷漏问题，保证井底恒压，实现零漏失、零复杂。

5 结论

综上所述，利用PCDS-Ⅰ系统实时精密控压钻井技术方案能有效解决碳酸盐岩地层环空压力波动问题，降低钻井作业期间井喷、井漏等事故发生几率，既可以提高钻井作业效率，避免人力资源浪费，又能保证不发生严重溢流，提高钻井作业安全性。