控压钻井技术研究与应用

2020/2/281控压钻井技术研究与应用周英操中国石油集团钻井工程技术研究院2012年9月2020/2/282提纲一、概述二、控压钻井技术现状分析三、研究进展与发展方向四、结束语一、概述随着我国石油勘探与开发向深部复杂地区的不断发展，窄密度窗口安全钻井的问题越来越突出，在许多油田已成为钻井施工的技术瓶颈，如:塔里木盆地、新疆南缘、玉门青西、四川盆地、柴达木盆地等无论是陆上还是海上，窄密度窗口问题已经是造成深井、高温高压井钻井周期长、事故频繁、井下复杂的主要原因之一，是急需解决的问题一、概述钻井过程中钻井液密度大小的设计,不仅要求能维持井壁稳定,防止井壁的张性破裂(井漏)和剪切垮塌(井塌),还要能够维持井内压力平衡,避免地层流体大量流入井内,造成地层流体对钻井液的污染以及井漏、井喷、压差卡钻等工程事故。所谓钻井液安全密度窗口(ΔP)是指钻井过程中不造成喷、漏、塌、卡等钻井事故,能维持井壁稳定的钻井液密度范围。根据井眼的三个压力剖面（即地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力）的关系可得到ΔP2020/2/285钻井安全压力窗口是指钻井过程中不造成喷、漏、塌、卡等钻井事故，能维持井壁稳定的钻井压力（密度）范围安全密度窗口①P破＞P泥＞P地,(P地＞P坍),ΔP=P破－P地②P破＞P泥＞P坍,(P坍＞P地),ΔP=P破－P坍①r破＞r泥＞r地,(r地＞r坍),Δr=r破－r地②r破＞r泥＞r坍,(r坍＞r地),Δr=r破－r坍1、安全窗口若：P泥＞P破(P漏)则井漏；P泥＜P地则井涌甚至井喷；P泥＜P坍则井塌一、概述过平衡钻井，钻井液密度的确定一般是以裸眼井段最高的地层孔隙压力梯度为基准，再增加一个附加值，附加值按以下原则确定：油水井：0.05～0.10g/cm3,或井底正压差1.5～3.5MPa气井：0.07～0.15g/cm3，或井底正压差3.0～5.0MPa近平衡钻井技术，相对于过平衡而言，钻井液当量密度的附加值：油水井：0～0.05g/cm3，井底压差0～1.5MPa气井：0～0.07g/cm3，井底压差0～3.0MPa若要实现近平衡钻井，考虑起钻时抽吸压力，井底压力可能会低于地层孔隙压力。但是，在近平衡钻井概念上，井底压差应始终为正压差一、概述欠平衡钻井是指井筒环空中循环介质的井底压力低于地层孔隙压力，允许地层流体有控制地进入井筒并将其循环到地面进行有效处理的钻井技术一、概述2020/2/2882、窄窗口窄压力窗口是指△P接近、等于、小于P循环压耗以及ΔP≤0的情况ΔP愈大,则钻井愈易ΔP愈小,则钻井愈难若ΔP＜P循环压耗或ΔP≤0，则无法正常钻进,直接表现为喷（涌）、漏、塌、卡等井下复杂与事故(深井高密度钻井液更为突出)一、概述2020/2/2893、窄窗口地层的几种情况1）压力敏感地层裂缝、溶洞等连通性好的地层，停泵井涌，开泵漏失2）长井段同一压力系统当平衡上部地层时，钻开下部地层会发生漏失，降低密度上部地层流体会有外溢3）上部存在异常高压层钻遇下部正常压力目的层，由于地层压力降低发生漏失一、概述2020/2/28103、窄窗口地层的几种情况4）容易坍塌和漏失的薄弱地层容易坍塌,或容易漏失,或容易出现涌漏同存的薄弱地层5）枯竭油气层老油田油气层压力降低造成上部地层稳定、下部地层出现漏失6）深海海底由于深海海底疏松的沉积和海水柱作用造成地层压力和破裂压力区间很小一、概述2020/2/28114、窄窗口钻井面临的主要地层相关问题A.地层压力高、破裂压力低，压力窗口窄C.同一裸眼井段中多套压力层系B.地质岩性、压力预测不准D.地应力高，岩石水敏性强，井壁稳定性差E.井壁易塌、易漏、易缩径F.超高压、高含硫的问题一、概述2020/2/2812A.窄密度窗口下的高密度钻井液漏失C.深井溶洞性地层的密度置换问题B.出现“涌漏同存、又涌又漏”的情况D.常规套管结构满足不了需要E.漏层的地层压力梯度差异较大出现井下复杂F.深井和高温高压井循环压耗过高引起安全窗口不够5、窄窗口钻井面临的主要施工工程问题一、概述2020/2/28131）确定窄安全窗口2）扩大安全窗口3）环空压力和当量循环密度ECD控制6、解决窄窗口钻井难点的主要对策一、概述2020/2/28141）确定窄安全窗口设计过程预测窄窗口由地震资料预测由工程测井资料预测由邻井钻井资料预测钻井过程中实测窄窗口井下测量工具实测井口加压实测地层压力kl2安全泥浆密度窗口分析地层岩性标示岩性说明复杂情况井径扩大率%-40100深度安全泥浆密度上限g/cm^313安全泥浆密度下限g/cm^313实用泥浆密度g/cm^313700900110013001500170019002100230025002700290031003300350037003900N2kN1-2kN1jEKK2bK1b井漏蹩钻蹩钻遇阻卡钻卡米砾+泥泥岩砾+泥砾+泥+砂砾+泥泥岩砂+泥泥岩泥岩泥岩膏[盐泥砂]泥岩膏[盐泥砂]膏[盐泥砂]砾+砂砂+泥砾+砂砂岩6、解决窄窗口钻井难点的主要对策一、概述地应力建模系统GMISFIB™交互钻井设计软件，优化钻井液密度、钻井方向和套管系列，以防止井壁垮塌和钻井液漏失。确定地应力，优化设计井轨迹，井壁稳定性评价。稳定性井筒分析及钻井设计优化系统GMIWellCheck™井径快速分析系统GMICaliper™快速分析4臂或6臂井径资料，确定应力引起的井壁垮塌的方向和程度。孔隙压力分析系统GMIPressCheck™利用测井资料计算地层压力、孔隙压力、岩石强度、孔隙度等。GMI软件功能：GMI软件也称为地应力建模技术，它是GMI公司在斯坦福大学研究的基础上发展起来的、建立地应力模型用于计算钻井井筒地层压力、坍塌压力和破裂压力的技术；用于优化钻井设计、预测裂缝等系列技术。模块：井径快速分析系统GMICaliper™地应力建模系统GMISFIB™稳定性井筒分析及钻井设计优化系统GMIWellCheck™孔隙压力分析系统GMIPressCheck™裂缝渗透性分析系统GMICharactrization™一、概述APWD哈里伯顿公司研制出了随钻井底环空压力测量仪（AnnularPressureMeasurementWhileDrilling,简称APWD）APWD在钻井过程中可以实时测量井底环空压力数据，通过MWD或EMMWD实时将数据传送到地面，指导欠平衡钻井作业斯伦贝谢公司、Weatherford等公司、中石油大庆钻井院、北京钻井院也研制出APWD类似工具一、概述2020/2/2817随钻地层测试技术（formationtestingwhiledrilling,简称FTWD）是在钻井过程中对储层实施实时测量的一种新技术。其最大好处是节省钻机时间，特别适合海上钻井平台，降低费用该技术由斯伦贝谢公司首创。他们将原有的MDT技术与LWD有机结合，研制出StethoScope随钻地层压力测试仪器；于2005年1月商业化服务，截至2006年底，共使用150井次，取得良好效果根据美国的调查分析，有60%的人认为在未来随钻地层测试技术将发挥更大作用扶正器伸缩探头地层压力探测器托盘环空压力探测器随钻地层测试技术一、概述一、概述大庆油田随钻地层压力温度测试国内领先伴随着大庆油田公司采油二厂南3-2-P224井5个深度点8次地层压力测试的完成和237组环空压力、温度测试数据成功上传，标志着大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院圆满完成了随钻地层压力温度测试技术自主研发、现场试验、推广应用等各项阶段程序，该技术已达到国内领先水平地层压力和温度，是钻井工程和油藏地质工程的重要资料。过去，要想获得这些数据，一般采用地震法、DC指数法等，或是在完钻之后通过RFT测井仪器测量而得，这些在一定程度上存在着误差大或是程序复杂等不利因素而应用随钻地层压力温度测试技术则更直观更精确，可随钻获取地层压力温度，及时调整钻井液密度，并控制井底的当量循环密度，使其维持在地层孔隙压力和地层破裂压力之间，可防止井涌、井喷、储层侵害以及突发地层断裂造成的井漏。在油藏工程方面，该技术可被用于实时更新储层模型与地质模型，鉴别枯竭层，油藏工程师还可以使用实时压力梯度分析来辨别流体和油气水接触面位置，从而优化井身结构和井位选择一、概述大庆油田随钻地层压力温度测试国内领先作为集机电液一体化的综合性高难度科研项目，其井下自动化控制程度较高，2009年以前，国内尚无自主研发并成功应用的先例。钻井工程技术研究院科研人员挑战国际前沿技术，突破随钻数据上传、大功率发电供电技术等一系列难点，顽强攻关，于2009年9月份首次成功完成现场试验其仪器、现场工艺、测试数据应用3方面技术研究逐渐成熟。目前，已累计完成14口井的现场试验及应用，单支仪器在井下累计工作时间912小时，采集井下环空压力、温度数据3万多组，井下测试最高压力47.02兆帕，最高温度109.7摄氏度，在46个深度点成功完成了62次地层压力测试，测试结果与RFT进行比对，误差在3%以内该技术在井下大功率整流电子电路、随钻仪器地面模拟检验、井下测试仪器机电液一体化等方面取得了创新，其钻柱式机械结构、液压原理、电子电路和软件程序的设计均属国内首创。该技术的研发成功提高了国内随钻地层压力测试仪器的整体技术水平，为今后的产业化、系列化奠定了基础，将有力地支持国内随钻地层压力测试技术的发展2020/2/28202）扩大安全窗口P破(漏)＞P泥＞P地,(P地＞P坍),ΔP=P破－P地P破(漏)＞P泥＞P坍,(P坍＞P地),ΔP=P破－P坍在保证井壁稳定的前提下尽量降低P坍(如:可以通过研制高性能钻井液抑制水化作用，从而达到降低P坍的效果)通过化学或工具的手段，将地层漏失压力或承压能力提高到井下安全的程度6、解决窄窗口钻井难点的主要对策一、概述《WorldOil》2007年度12项最佳石油科技奖评选八、最佳钻井液奖：贝克休斯公司的RHEO-LOGIC钻井液最佳钻井液奖由贝克休斯公司针对深水钻井研制的、通过降低激动压力、优化当量循环密度（ECD）使井下泥浆漏失降至最低的RHEO-LOGIC钻井液获得。该钻井液也是针对减轻冷水温度和压力对常规合成泥浆（SBM）的流变性能的不利影响而设计的。生产实践表明，RHEO-LOGIC钻井液的应用，可提高起下钻速度、净化井眼，从而显著提高深水钻井效率在墨西哥湾各主要开发商应用RHEO-LOGIC钻井液已钻了多口深水井，钻井结果表明，不仅降低了常规合成泥浆（SBM）的漏失率、缩短了下套管的时间，而且完全符合环保要求。与使用常规合成泥浆的邻井漏失了2800桶泥浆相比，使用RHEO-LOGIC钻井液仅漏失了60桶，仅此一项就可节约77万多美元；而该新型钻井液在改善井眼的清洁度、降低原始循环压力等方面也可显著降低作业成本：当井眼尺寸相同、井深相同、井的倾斜度均相同时，使用RHEO-LOGIC钻井液比使用常规合成泥浆可降低成本近50万美元一、概述2020/2/28223）环空压力和当量循环密度ECD控制精细控压钻井技术连续循环钻井系统优化钻井液性能和井身结构调整井筒循环压降‐‐‐‐‐‐6、解决窄窗口钻井难点的主要对策一、概述常规过平衡或近平衡钻井泵排量是按喷射钻井最大钻头水功率或冲击力原则进行设计，钻井液循环为紊流状态（a）式为紊流状态时环空压耗计算公式：8.138.12.08.0)()()(7628ihiihiimaDDDDQLPVP式中PV──钻井液塑性粘度，mPasQ──排量，L／sDhi──第i段井眼直径或套管内径，mmLi──第i段段长，mDi──第i段钻柱（钻杆或钻铤）外径，mm（a）一、概述对于欠平衡钻井而言，为了降低泵、井口旋转防喷器及节流管汇等设备的负荷，增加井控的可靠性，避免紊流对裸眼油气层的冲刷，一般以满足钻井液携岩要求为原则，钻井液排量不宜过大，流动状态应以层流为主。公式（b）为层流状态下钻井液环空压耗计算式：式中PV──钻井液塑性粘度，mPasYP──屈服值，PaDp──钻柱直径，mmDh──