超深井控压钻井技术应用现状及面临的挑战 ———以顺北区块为例
(中国石化西北油田分公司, 乌鲁木齐 830000)
摘要: 控压钻井 (Managed Pressure Drilling) 是一种井控新技术, 在安全密度窗口窄、多套压力系统和压力敏感性地层应用卓有成效。本文总结了控压钻井技术的基本原理和各类应用场景, 以顺北区块A、B和C井为例, 分析了控压钻井技术在处理窄窗口地层钻井、溢流、井漏等复杂情况的优势点, 提出控压钻井关键设备、配套技术和常见异常处理方法。得到如下结论: 控压钻井技术的应用为顺北区块的高效开发提供了保障, 提高了顺北区块钻井质量和钻井效率。研究结果能够有效指导控压钻井作业, 保障井控安全, 丰富超深井钻井技术理论。
DOI: 10.48014/cpngr.20240618001
引用格式: 焦杰. 超深井控压钻井技术应用现状及面临的挑战———以顺北区块为例[J]. 中国石油天然气研究, 2024, 3(2): 16-22.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2024-06-10
接收日期: 2024-06-12
出版日期: 2024-06-28
1 引言
控压钻井是井控中的一种技术，目前控压钻井技术(MPD)被广泛应用于风险井钻探中[1,2]，但随着钻探目的层越来越深，地层温度压力不断升高，控压钻井所面临的挑战也越来越严峻[3-5]。控压钻井是通过在井口增加一个旋转控制头来将钻井整个系统形成一个密闭的空间[6]，而基于旋转控制头中的胶芯便可以通过调整节流阀、泵排量以及钻井液密度实现井筒压力的准确控制[7]，因此称为控压钻井[8,9]。在窄钻井液密度窗口的地层钻进具有很大的优势[10,11]。
目前国际上对控压钻井技术研究很多[12]，技术水平较先进的主要有三家公司。威德福的控压钻井技术是通过监测和控制流量的方式实现。在溢流量很小时(<80L)便能够监测到。然后通过自动条件节流阀实现溢流控制，能够迅速控制溢流总量(<800L)。压力精度±0.35MPa。斯伦贝谢是采用井底压力监测结合回压调节的方式实现控压钻井。压力精度±0.35MPa。而哈里伯顿是将威德福和斯伦贝谢的方法进行了结合。基于流量监测和回压调节两种方法实现控压钻井。压力精度同样也是±0.35MPa。基于控压钻井在顺北区块的应用现状分析，明确了目前超深井控压钻井的关键设备以及关键技术。分别针对关键设备和技术中面临的挑战提出了建议，能够为超深井控压钻井技术发展提供一定理论指导。
2 控压钻井技术概况
2.1 控压钻井技术应用场景及应用优势
控压钻井技术常应用于地层压力系数比较复杂的层位[13,14](图1)。如裂缝发育、断层等地层中，地层压力和流体性质容易发生变化，密度窗口窄，
图1 控压钻井应用场景与优势
Fig.1 Application scenarios and advantages of MPD
通过控压技术现场的应用，能够有效控制和调节油、气井的压力，保持井筒压力与地层压力的动态平衡。从钻井效率角度讲可以忽视微小溢流，节约处理溢流的时间，从安全角度讲可以在溢流早期及时地进行干预，防止溢流情况进一步严重。从成本角度讲在安全密度窗口窄的层位钻进可以有效防止钻井液漏失[15-17]，从而经济、安全、高效地实现优快钻进[18,19]。
2.2 控压钻井技术基本原理
控压钻井是通过旋转控制头中的胶芯环抱钻杆实现整个钻井液系统的密闭，因此井口具备一定承压能力，能够很快应对少量的溢流，也能够通过施加回压对井内的压力进行精准控制[20]。
图2为不同工况压力控制示意图。图3为控压钻井井底压力计算基本原理，从图2和图3中可以看出:控压钻井和传统技术的区别在于节流压力。控压钻井技术的井底压力在钻进时等于井筒液柱压力、节流压力以及循环压耗三者相加。在静止时等于井筒液柱压力和节流压力两者相加。而在其他工况压力波动更多的则产生于循环压耗。控压钻井过程中，钻井液循环路径和相对应的控压钻井配套装置如图4所示。
图2 不同工况压力控制示意图
Fig.2 Schematic diagram of pressure control under different working conditions
图3 控压钻井井底压力计算基本原理
Fig.3 Basic calculation principle of bottom hole pressure of MPD
3 控压钻井关键设备与配套技术
3.1 关键设备
旋转控制头是一种可实现控压起下钻、旋转钻进的井口防喷器组之一，可以实现对方钻杆和钻杆旋转密封，是实现欠平衡、控压钻井的重要井口工具。目前工区内在用旋转控制头主要为FX35-17.5/35。整个系统主要由旋转总成、壳体、控制柜构成(图5)。主要参数:动压17.5MPa，静压35MPa，通径35mm。
图4 控压钻井配套装置
Fig.4 Equipment of MPD
图5 旋转控制头(实物外观、内部部件和胶芯)
Fig.5 Rotating control head(appearance，internal components，and rubber core)
3.2 配套技术
配套技术一:液面监测+吊灌技术。在起下钻过程中，要根据灌浆量和起下钻具体积(带有浮阀按闭排算)计算钻井液理论上涨量，若出现实际上涨量大于或接近理论上涨量，则考虑井下溢流或井漏减小
配套技术二:凝胶段塞技术。打入与钻井液和地层流体不混溶的高密度密度凝胶，可以将地层流体与钻井液隔离，在长时间静止的工况中可以防止气体置换到钻井液内，污染钻井液。
配套技术三:重浆帽技术。控压起钻至上部井段后，需要由控压起钻转为常规起钻，需要采用重浆帽平衡井口回压，有助于平衡地层压力，形成液面窗口，解除井口回压，降低起下钻井口风险。根据井漏情况，可以采用正循环注重浆帽和正注反挤注重浆帽两种方式。
4 顺北区块控压钻井技术应用现状
4.1 区块概况
顺北区块位于新疆阿克苏地区沙雅县，钻探目的层主要为奥陶系一间房以及奥陶系鹰山组，储层类型以碳酸盐岩裂缝-孔洞型、断控缝洞型为主，地层孔缝发育，使得钻井过程中溢漏频发，在未应用控压钻井技术的时候严重制约提质提效。2023年在顺北区块旋转防喷器共应用11井次，成功控制130余起溢流，主要使用的旋转控制头为FX35-17.5/35，动压达17.5MPa，静压35MPa，控压钻井技术的应用为顺北区块的高效开发提供了保障。
4.2 顺北区块控压钻井技术应用分析
4.2.1 窄窗口目的层钻进
A钻至井深7888.58m发现全烃上涨后转控压钻井，钻至8072.26发生失返性漏失，将钻井液密度由1.36g/cm3调整至1.28 g/cm3控压节流循环进行了处理。随后控压钻进至井深8078.79m，发生溢流。同样通过节流循环进行了处理，处理完毕后，由于此时井深十分接近目的井深，在8078.79~8110m实施强钻，累计强钻31.21m，最终成功完钻。
A井储层呈溢漏同层以及窄窗口的特征，难以避免井漏以及溢漏，而有了控压钻井技术，通过强钻至8110m完井，在有安全保障下节约了大量的处理复杂时间。
4.2.2 溢流处理
B井设计井深8531.06m(斜深)/7800m(垂深)。目的层为鹰山组，安全密度窗口极窄(ECD在1.17~1.18 g/cm3之间)，溢漏频繁，钻至7894.19m、7986.68m及8084.78m发生三次井漏，并且地层气体置换速度快，由漏转溢风险高，钻进难度大。
溢流处理:在井深8084.78m起钻到套管后静止观察期间发生溢流，液面上涨到井口，关井后套压上涨至1MPa。使用密度1.16g/cm3泥浆节流排污，但由于循环过程中液气置换快，不能有效排污。因此，决定控压下钻至井底进行循环排污。控制套压1MPa下钻至井深7958m，使用密度1.16g/cm3泥浆节流循环至进出口密度一致，停泵观察(套压1MPa)，控压下钻至井底(套压1.1MPa)恢复钻进。
B井目的层钻进由于安全密度窗口极窄，溢漏频发，且节流排污难以有效排污。在此复杂情况应用控压钻井技术，扩宽了溢流处理方法，在出现高套压也能从容应对，保证了安全密度窗口极窄的目的层钻井高效安全。
4.2.3 井漏处置
C井是一口四开制探井，调整设计完钻井深8678m(斜)/8148m(垂)。地质预测一间房至鹰山顶界存在能量异常体，储层局部可能发育异常高压层，四开以1.70g/cm3的钻井液密度开钻，确认钻穿异常高压井段后，逐步降低钻井液密度至1.30g/cm3左右。
井漏情况及处置措施:①第一次控压钻进:钻进至井深8394.20m，钻进排量11L/s，漏速0~30m3/h，进尺0.36m，套压2.28MPa逐渐上升至5.5MPa，扭矩9~14.1KN.m大幅度波动，开泵5min后全烃开始上涨，钻进期间累计漏失泥浆29.1m3;套压涨至5.5 MPa，考虑井控安全，停泵关井(关井立压5.5MPa、套压7.8MPa)，打重浆帽后控压起钻至井深7811m。②第二次控压钻进:排量9L/s，立压12.5~13MPa，套压0.73~2.95MPa。钻进至井深8396.55m(进尺2.35m)，套压2.95↑5.57MPa，立即停泵关井(消耗1.17g/cm3泥浆49.4m3，平均漏速19.76m3/h);关井后节流循环，排量11L/s，立压16.6MPa，套压11.3↑21MPa且仍有上涨趋势，总烃59.02%↑90.71%↓62.32%，消耗1.17g/cm3泥浆57.8m3。
C井面对井漏后地层流体侵入、套压上涨的复杂情况，控压钻井能够及时关井，协助后续重泥浆帽控压起钻，保障井控安全。说明采用控压钻井可以有效应对和预防井下漏喷复杂的技术难题，提高了孔隙压力差异较大地层钻井的安全性。
4.2.4 其他
(1)硫化氢防护
顺北区块高含硫化氢，在钻开目的层前常常还需要加入除硫剂，而控压钻井技术的一大特点为整个井筒为封闭状态，使用控压钻井时钻井液经过液气分离装置，点火筒燃长明火，能够很好地消除硫化氢的危害。
(2)降低储层污染
顺北二区的储层为典型的特低孔、特低渗的孔洞型碳酸盐岩储层，裂缝发育，以小、微裂缝为主，当所采用的钻井液ECD高于地层时，便可能堵塞地层孔隙，使储层的渗透率进一步降低。因此，为减少漏失固相侵入污染储层，形成低密度+控压钻井工艺，漏失后快速降密度，配合井口控压装置，实现低密度多揭储层且漏失量降低。穿漏进尺提高64%，漏失固相降低73%。
4.3 控压钻井常见异常处理方法
(1)旋转控制头总成刺漏
胶心一旦刺漏，立即停钻、停泵。关闭BOP，打开旋转控制头液动平板阀门，释放BOP和旋转控制头之间的压力。
松开旋转控制头总成卡箍。逐渐调低环形防喷器压力(4~6MPa)，上提钻具，利用第一根单根下接头带出旋转控制头总成出转盘面。钻具坐卡在钻台面，卸第一根单根与第二根单根扣。
取下旋转控制头总成。将新的旋转控制头总成上提至井口旋转控制头总成架上，第一根单根公扣接圆头引鞋。
将带有圆头引鞋的单根从新的总成上穿入。卸圆头引鞋，第一根单根与第二根单根上扣。缓慢下放钻具，旋转控制头总成坐入壳体。卡紧卡箍，开启环形防喷器，调整环形防喷器压力至待命压力。缓慢开泵，恢复工况。
(2)井漏
控压钻进中发现井漏根据漏速情况，若漏速较大(>10m3/h)、出现放空、失返时，立刻停钻观察15min，观察环空中液面高度，停止循环，防止硫化氢随钻井液上移。若无异常则按照起出钻具1.5~2倍体积吊灌起钻至安全井段;对于已钻达缝洞体的井，可在井漏失返状态下强钻，强钻应制定针对性的井控技术措施。对于未钻达缝洞体的井，降密度尝试建立循环、测漏速，满足施工安全的前提下，可转入控压钻进。
漏速较小(<10m3/h)，立刻停钻观察15min，有套压按谥流程序处置。若无套压，可以适当建立循环，寻找井筒压力与地层的平衡，逐步降低钻井液密度，控制在微漏状态下恢复控压钻进。
(3)溢流
控压钻进中发现液面有上涨的趋势时，及时关小节流阀，必须保证控压钻进在微漏或平衡状态下进行，否则立即停止钻进关井求压，节流循环排污后，确定套压在5MPa以内方可恢复控压钻进。
井漏后快速转溢流的井，可先从环空反推一定量井浆，将油气推入地层，保持井筒干净后，若关井套压满足控压钻井条件，可转入控压钻进。
控压钻进中井口发现硫化氢时，立即停止钻进上提钻具关井，钻具打好钻具死卡，环空反推将污染泥浆全部推回地层，防止硫化氢中毒和氢脆断钻具。
控压套压超过5MPa立即关钻井防喷器，按照程序汇报、求压，节流循环施工过程中，套压上升至10MPa时，井口打好钻具死卡;套压升至15MPa时，做好反推准备工作;上升至20MPa时关井反推。
溢流压井施工过程中，待套压小于5MPa时即刻停止反推，带压起钻至储层顶部(1~3柱)节流循环排污。
(4)浮阀失效
接单根时要是发现浮阀失效，应立即停止接单根作业，抢接内防喷工具，接方钻杆钻具水眼内打重浆压水眼，按照控压起钻操作程序，起钻至套管内关闭钻杆下旋塞更换浮阀。
控压起下钻中要是发现浮阀失效时，应立即抢接箭形止回阀或钻杆旋塞，必须先控制住水眼，再接方钻杆打重浆压水眼，控压起钻更换浮阀。
5 结论
(1)MPD技术基于封闭、承压的钻井液循环系统，可以通过调整排量、钻井液密度、节流阀开度精确控制井筒压力，在应对窄密度窗口、溢流、井漏等情况时更加得心应手。
(2)MPD技术在顺北区块取得良好应用成效，针对窄窗口目的层钻进、溢流、井漏等异常工况都能成为有效的处理抓手，为顺北区块碳酸盐岩储层高效安全开发提供了保障。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[②] 通讯作者 Corresponding author:焦杰，jiaoj279.xbsj@sinopec.com
收稿日期:2024-06-10; 录用日期:2024-06-12; 发表日期:2024-06-28
参考文献(References)
[1] 谭宾, 张斌, 陶怀志. 深地勘探钻井技术现状及发展思考[J]. 钻采工艺, 2024, 47(02): 70-82.
https://doi.org/10.3969/J.ISSN.1006-768X.2024.02.09
[2] 白彬珍, 曾义金, 葛洪魁. 顺北56X特深水平井钻井关键技术[J]. 石油钻探技术, 2022, 50(06): 49-55.
https://doi.org/10.11911/syztjs.2022114
[3] 刘伟, 周英操, 石希天, 等. 塔里木油田库车山前超高压盐水层精细控压钻井技术[J]. 石油钻探技术, 2020, 48(02): 23-28.
https://doi.org/10.11911/syztjs.2020034
[4] 汪海阁, 黄洪春, 毕文欣, 等. 深井超深井油气钻井技术进展与展望[J]. 天然气工业, 2021, 41(08): 163-177.
https://doi.org/10.3787/j.issn.1000-0976.2021.08.015
[5] 何立成, 唐波. 准噶尔盆地超深井钻井技术现状与发展建议[J]. 石油钻探技术, 2022, 50(05): 1-8.
https://doi.org/10.11911/syztjs.2022092
[6] 胡弼文, 江迎军, 买买提吐尔逊·塔里甫, 等. 精细控压排气降密度技术在蓬莱气区的实践[J]. 钻采工艺, 2024, 47(03): 42-48.
https://doi.org/10.3969/J.ISSN.1006-768X.2024.03.06
[7] 肖劲超, 李洪兴, 张勇, 等. 川西北部超深大斜度井优快钻井技术应用[C]//中国石油学会天然气专业委员会.第33届全国天然气学术年会(2023)论文集(04钻采工程).[出版者不详], 2023: 7.
https://doi.org/10.26914/c.cnkihy.2023.072405.
[8] 丁文军, 王全勇, 肖仰德, 等. 高温潜山大位移水平井钻井技术实践[J].钻采工艺, 2023, 46(02): 179-182.
https://doi.org/10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.02.31
[9] 赵文庄, 赵恒, 刘克强. 苏里格气田奥陶系高压高含硫储层安全钻井技术[J]. 西部探矿工程, 2023, 35(11): 69-73.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-5716.2023.11.020
[10] 邱春阳, 张翔宇, 赵红香, 等. 顺北区块深层井壁稳定钻井液技术[J]. 天然气勘探与开发, 2021, 44(02): 81-86.
https://doi.org/10.12055/gaskk.issn.1673-3177.2021.02.011
[11] 李成, 白杨, 于洋, 等. 顺北油田破碎地层井壁稳定钻井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2020, 37(01): 15-22.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5620.2020.01.003
[12] 徐宝昌, 吴楠, 孟卓然. 控压钻井系统井下状态估计及参数校正方法[J]. 控制工程, 2023, 30(03): 479-486.
https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210490.
[13] 李照, 蒋林, 何贤增, 等. 常规控压钻井在四川页岩气技术应用探讨[C]//上海联合非常规能源研究中心, 上海科学技术交流中心. ECF2023第十三届亚太页岩油气暨非常规能源大会论文集.[出版者不详], 2023: 12.
https://doi.org/10.26914/c.cnkihy.2023.094564.
[14] 刘岩生, 张佳伟, 黄洪春. 中国深层—超深层钻完井关键技术及发展方向[J]. 石油学报, 2024, 45(01): 312-324.
https://doi.org/10.7623/syxb202401018
[15] 崔延召. 顺北区块优快钻井技术[J]. 西部探矿工程, 2019, 31(05): 54-56, 59.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-5716.2019.05.018
[16] 屈宪伟. 控压钻井关键技术研究与应用[J]. 石化技术, 2024, 31(03): 193-195.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1006-0235.2024.03.066
[17] 严大松. 控压钻井关键技术探讨[J]. 西部探矿工程, 2021, 33(05): 78-79.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-4076.2022.03.073
[18] 徐大伟, 王治国, 周鹏成. 顺北区块“漏、溢”同存小尾管控压固井技术研究[J].中国石油和化工标准与质量, 2023, 43(06): 190-192.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-4076.2023.06.067
[19] 魏耀奇. 控压钻井技术发展现状[J]. 石化技术, 2017, 24(03): 295.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1006-0235.2017.03.247
[20] 钱德升, 张博, 胡挺, 等. 智能化一体式精细控压钻井技术研究与应用[C]//中国地质大学(武汉), 西安石油大学,陕西省石油学会. 2023油气田勘探与开发国际会议论文集Ⅰ.[出版者不详], 2023: 8.
https://doi.org/10.26914/c.cnkihy.2023.054904.
The Application Status and Challenges of Managed Pressure Drilling Technology for Ultra Deep Well: Taking Shunbei Block as an Example
(Sinopec Northwest, Urumqi 830000, China)
Abstract: Managed Pressure Drilling (MPD) is a kind of new drilling technology that has been effectively applied to pressure-sensitive formations of narrow safety density windows, multiple pressure systems. This paper summarizes the basic principles and various application scenarios of MPD technology. Taking Well A, Well B and Well C in Shunbei block as examples, the advantages of MPD technology in dealing with complex situations such as drilling, overflow and leakage in narrow density window formations are analyzed, and the key equipment, supporting technology and common abnormal treatment methods of MPD are proposed. The conclusions are as follows: MPD technology, . The application of MPD has provided a guaratee for the efficient development of the oil fields in Shunbei block and improves the drilling quality and efficiency of the block. The research results can effectively guide the managed pressure drilling operation, ensure the safety of well control, and enrich the theory of ultra-deep well drilling technology.
Keywords: Managed pressure drilling, safety of well control, narrow safety density windows, overflow and leakage coexistence
DOI: 10.48014/cpngr.20240618001
Citation: JIAO Jie. The Application status and challenges of managed pressure drilling technology for ultra deep well———taking Shunbei Block as an example[J]. Chinese Petroleum and Natural Gas Research, 2024, 3(2): 16-22.