裂缝性储层控压钻井技术及应用

宋巍，李永杰，靳鹏菠，李皋，魏纳，赵向阳，刘金龙

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都610500；2.中国石油冀东油田公司勘探开发建设项目部，河北 唐海063200；3.中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

裂缝性储层储集空间发育，油气通道发育，但是安全密度窗口窄（地层孔隙压力和地层漏失压力相差不大），应用常规钻井技术钻进经常发生涌、漏、卡、塌等复杂情况，导致钻井周期增加，甚至无法进行正常钻井作业［1-2］。作为近几年从欠平衡钻井技术发展过来的一种新技术，控压钻井技术可以精确控制环空压力剖面和循环当量密度（ECD），具备解决在具有窄安全密度窗口特征的裂缝性储层中钻进的技术优势。目前，国际上成功应用于现场施工的控压钻井系统，主要有Weatherford 的MFC 系统、Schlumberger 的DAPC 系统和Halliburton 的MPD 系统［2-3］；在国内，控压钻井技术已在塔里木油田和南堡油田等区块成功应用，并取得了较好的社会效益和经济效益。

1 裂缝性储层常规钻井技术难点

在裂缝性储层勘探开发中，为了最大限度地穿越多套缝洞单元，提高裂缝钻遇率，增加油气产量，水平井钻井技术已被大规模应用。但是裂缝性储层安全密度窗口窄，钻井过程中易发生置换性漏失，井下流动表现为气液两相滑脱上升、油气带压膨胀等。

在此类储层应用常规钻井技术钻进，存在以下4方面问题：

1）钻井液漏失［4］。由于各个裂缝的发育程度、连接程度及裂缝充填物性质等不同，在地层内形成了错综复杂的漏失通道，在钻进过程中会出现不同情况的钻井液漏失。如果裂缝与大型缝洞单元沟通，则会出现失返性漏失，严重损害储层，影响后期油气产量，不能达到预期产能。

2）井控风险。钻遇中、高角度裂缝时，气液密度差异的存在，导致出现诸如置换性漏失的储层漏失，气体不断侵入地层。由凝析油气相态图可知，当环境压力低于泡点压力时，气相从液相中分离出来，而气体具有可压缩性，在沿井筒到井口的返出过程中体积不断增加，环空当量密度进一步降低，井底压力进而下降，致使越来越多的地层气体涌入环空，气体带压上升，这是一个恶性循环的动态过程，井口表现为井涌，甚至井喷，存在较大的井控风险，这就要求井口设备具有较高的承压能力。

3）井眼延伸能力。在储层水平钻进时，地层压力变化可忽略不计，而随着井眼不断加深，进尺不断增加，环空摩阻不断增大，易出现井漏等钻井复杂情况，且处理井下复杂的难度增加，很难达到设计进尺。

4）携岩。根据上述井控风险问题中阐述的理论，气体在井底高压状态下基本属于泡状流或分层流流型，气液比低，当气体到达环空井眼中上部时，流型将发生较大变化，在井口极易出现搅拌流或环雾流，造成携岩不畅，严重时可导致卡钻等井下复杂情况，既不利于井眼净化，又不利于录井取样及地层岩性分析。

针对常规钻井技术在钻裂缝性储层的上述缺陷，有必要使用控压钻井技术，实现优质、安全、高效钻进。

2 控压钻井技术优势

IADC 把控制压力钻井划分为控压钻井、欠平衡钻井、空气钻井3 大体系。控压钻井技术是一种用于精确控制整个井筒环空压力剖面的自适应钻井程序［5］，可以人为精确地控制井底压力处于欠平衡状态、近平衡状态以及微过平衡状态，有针对性地满足不同工况的需求，具有较高的灵活性，使所有生产作业均处于可控范围内，减少非生产时间，优化钻井工艺，提高钻井时效，实现高效安全钻进［6］。

与常规钻井技术相比，控压钻井技术在现场施工中有以下技术优势：

1）及时发现并治理井漏。控压钻井技术通过微流量监测技术可及时发现溢流和井漏，出口流量监测精度不超过0.08 m3，在发生气侵或漏失的情况下，经过计算机处理后随即调节井口节流阀回压，可以更迅速、精确地对井下压力变化作出反应，及时调整钻进参数，具有较高的时效性。

2）降低井控风险。控压钻井技术通过实时监测井筒参数，根据水力计算模块的结果，将环空压力精确控制在安全密度窗口之间，降低钻遇窄密度窗口裂缝性储层的井控风险，确保井筒压力稳定可控，从而实现安全钻进。

3）提高水平段延伸能力。针对具有多套压力系统的地层，常规钻井方法无法确定合适的钻井液密度，经常出现上喷下漏等复杂工况［7-8］，最终只有提前完钻；而控压钻井技术可以精确控制环空压力剖面，确保钻井过程中不喷不漏或有控制的“边喷边钻”，可极大提高水平井段的延伸能力，同时保护了储层。

4）减少非生产时间。在接单根、起下钻等停泵作业中，井口实施小循环，通过使用回压泵等补压装置弥补循环压耗，可以保证井底压力接近地层压力，有效阻止地层气体侵入，减少循环排气处理时间；同时，由于没有或少量地层气体侵入井筒，不会出现携岩不畅等问题，减少了洗井时间，提高了钻进效率。

3 控压钻井环空压力计算模型

3.1 环空多相流基本方程

质量守恒方程：

动量守恒方程：

式中：Qi为流量，m3/s；ρi为密度，g/cm3；vi为上返速度，m/s；λi为体积分数，无因次；p 为井底压力，MPa；下标i 分别代表气相、液相和固相。

3.2 环空压力计算公式［9-14］

采用漂移流动模型，根据井筒多相流基本方程及稳定的多相流机械能守恒原理，运用Beggs-Brill 计算压降的理论方法，推导出控压钻井环空压力计算公式。环空总压降由3 部分组成：重位压降、摩阻压降和加速压降

重位压降是指由气、液、固3 相进出口的位置高度引起的压差，计算公式为

通过分析钻井实际数据，考虑岩屑对环空摩阻的影响，修正已有计算模型，摩阻压降的修正公式为

式中：ρm为混合物密度，g/cm3；f 为范宁摩阻系数；K 为速度相关量；Dh为井筒当量直径，m；Re 为体积流量雷诺数；μm为混合物黏度，Pa·s；vm为混合物速度，m/s；Dm为环空直径，m。

由于井筒存在气相，随沿程压力降低而体积增大，故引起加速压降；当不存在气相时，该项为0。由于固相、液相的压缩性远远小于气相的压缩性，加速压降的计算公式为

式中：vg为气相流动速度，m/s；ρg为气体密度，g/cm3。

4 现场应用

×3 井储层位于奥陶系，为碳酸盐岩储层。根据邻井钻、录、测井资料显示和相关地质分析，该井储层裂缝发育，以中、高角度缝为主，非均质性强，裂缝宽度从几微米至几十微米不等，连通性好，气油比平均为1 309～3 675 m3/t，基质有效孔隙度为0.88%～14.82%，平均3.58%，渗透率为（0.34～58.35）×10-3μm2，平均16.94×10-3μm2。由于邻井储层具有高气油比的特点，在常规欠平衡钻井过程中均出现不同程度的井涌和漏失，导致提前完钻；再加上由于钻井液沿裂缝侵入深部地层，固相颗粒堵塞渗流通道而造成储层损害，极大降低了单井产量，遂决定在该井采用水平井控压钻井技术钻开储层，以期达到控制井涌、井漏，保护储层，提高水平井段延伸能力的目的［15］。

×3 井用φ152.4 mm 钻头五开钻进，技术套管下深5 060 m，五开钻具组合为：φ152.4 mm 钻头+φ120 mm×（1.25～1.75°）高温螺杆+浮阀×2 只+压力计短节+座键接头+φ88.9 mm 无磁抗压钻杆+MWD（高温）+φ88.9 mm 钻杆×836 m+φ88.9 mm 加重钻杆×315 m+φ88.9 mm 钻杆×若干。采用油基钻井液，性能如下：密度0.93 g/cm3，漏斗黏度83 s，塑性黏度30 Pa·s，钻井液排量17 L/s。01：35 钻至井深5 228.49 m 发现放空0.73 m，循环钻井液至液面稳定，泥浆池钻井液体积减少1.4 m3，产气量32～1 781 m3/h，井口节流管汇控压0～2 MPa，产气量逐渐降低，泥浆池钻井液体积变化逐渐趋于稳定，钻井液累计漏失67 m3。

该井储层属于正常压力系统，地层压力系数为1.005，应用环空多相流压力计算模型编制计算程序，钻至5 228.49 m 发生井漏前、后五开井段井底压力及地层压力剖面如图1所示。

图1 漏失前、后井底压力和地层压力剖面

钻至5 228.49 m 发现放空后循环排气，其间根据多相流压力计算程序计算的井底压力与地层压力对比及井口套压与产气量分别如图2、图3所示。

在钻至5 228.49 m 处裂缝之前，井底处于欠平衡状态，至01：35 钻遇放空段，井底压力随即降低，调整钻井液排量并维持在11 L/s，井筒气体流量的瞬态变化导致井底压力为波动状态，经过一个迟到时间后，井底气体于04：15 到达井口，出气时间持续约0.5 h。结合图2和图3可以看出，02：20 开始调整节流阀开度增大套压，井底压力略高于地层压力，04：45 出气量开始逐渐减少，泥浆池液面稳定。可以看出：控压钻井技术通过控制井口套压，调整钻进参数，及时找到压力平衡点，实现安全钻进，并大幅减少了非钻进时间。

与同一层位的邻井常规欠平衡钻井相比，×3 井在五开钻进过程中漏失量减少了数倍，处理循环排气时间也大大减少，非生产时间缩短，且水平井段的进尺大大超出设计进尺（见表1）。

图2 循环排气期间井底压力与地层压力变化

图3 循环排气期间井口套压与产气量变化

表1 ×3 与邻井储层钻进情况对比

现场应用表明： 与同区块邻井应用常规欠平衡钻井技术相比，控压钻井技术在处理井漏等钻井复杂情况时具有较好的时效性，大幅提高了水平井段的延伸能力，钻井液漏失量仅为欠平衡钻井的1.7%。

5 结论

1）控压钻井技术可精确监测出口流量，及时对井漏、井喷作出反应，控制环空压力剖面和ECD，确保井下压力在安全窗口范围内安全钻进。该技术可最大限度地提高水平井段的延伸能力，具有较好的经济效益和社会效益。

2）控压钻井技术井筒压力计算模型对现场施工有一定的指导作用，但是需要进一步研究深井、复杂井钻进条件下的压力计算模型，使其计算结果符合实际压力，更具有现场指导意义。

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