Addax OML137区块深水控压钻井技术

鲍洪志 赵向阳 张华卫 张志刚 侯绪田

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101； 2.中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100083）

Addax OML137区块深水控压钻井技术

鲍洪志1赵向阳1张华卫1张志刚2侯绪田1

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101； 2.中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100083）

Addax OML137区块位于尼日利亚近海，水深约83～496 m，下部井段地层孔隙压力当量密度1.92 g/cm3，破裂压力当量密度2.10 g/cm3，安全密度窗口较窄，约为0.18/cm3。采用常规钻井技术无法钻达目的层，控压钻井技术是针对窄安全密度窗口的有效技术，因此有必要开展控压钻井技术适应性评价与优选，为科学地进行选井、选层、控压方式优选和控压参数设计提供理论依据。文中建立了OML137区块控压钻井适应性评价方法，即“三步法评价体系”，主要包括必要性评价、可行性评价、经济性评价。进行了控压方式和系统优选、建立了控压钻井精细流动模型，提出了深水控压参数设计原则和井底恒压设计方法，根据优选的控压系统进行了设备配套，最后在Asanga-2井进行了应用，为以后的控压施工积累了经验。

Addax OML137区块；深水控压钻井；适应性评价方法；水力学模型；参数设计；应用

Addax OML137区块位于尼日利亚近海，属于勘探区块。该区采用常规钻井技术钻井，会出现非漏即喷的钻井问题，无法钻达目的层，控压钻井技术能精确地控制环空压力剖面，迅速发现处理钻井过程中的溢流和井漏，能够更好地进行窄安全密度窗口的安全钻进，降低成本，因此有必要开展适应性评价与控压方案研究，为科学地进行控压钻井技术提供依据。

1 控压钻井适应性评价

控压钻井方法适应性评价体系［1-5］，即“三步法评价体系”，如图1所示。

图1 控压钻井适应性评价流程

（1）必要性评价。分析OML137区块已钻井资料，通过测井资料解释建立了OML137区块的地层三压力剖面，发现下部地层安全密度窗口较窄，安全密度窗口只有0.18 g/cm3。常规钻井循环压耗当量密度大于安全密度窗口，有必要开展控压钻井可行性评价，解决漏喷同层的窄安全密度窗口问题。

（2）可行性评价。进行可行性评价过程中，最主要的是进行水力学筛选，建立了控压钻井技术（MPD）水力学筛选程序，即首先进行常规水力学分析，如果静态和动态压力范围都在安全窗口内并且所有的工程目的都能达到，则采用常规钻井方法，反之进行控压钻井水力学分析，测试是否能达到所有的工程目的，满足要求则认为控压钻井工程上是可行的。

通过常规水力学分析表明：常规钻井方式不能满足窄安全密度窗口地层的安全钻进，采用控压钻井技术，钻进过程中钻井液排量13 L/s，钻井液密度1.92 g/cm3，井口不加回压，井底 ECD 2.01 g/cm3，接单根时为了保持井底压力不变，井口施加2.75 MPa的回压。

（3）经济性评价。控压钻井应用的附加费用体现在：旋转控制头/旋转防喷器、自动节流管汇、PWD、压力控制系统、专业人员等方面。但是，利用控压钻井可以通过减少溢流和漏失的处理时间、减少压差卡钻、提高机械钻速等。控压费用与平台租赁费用相比，采用控压钻井技术快速、安全地钻穿下部地层经济上是可行的。

通过上面的分析可知，OML137区块采用控压钻井技术解决窄安全密度窗口的漏、喷、塌、卡问题是可行的。

2 控压方式与系统优选

目前，MPD技术按照其应用方式主要分为井底恒压 MPD（CBHP MPD）、双梯度钻井（DG MPD）、加压钻井液帽MPD、健康安全环境技术 （HSE MPD）、井下泵送 MPD［6-7］。

双梯度MPD典型实现方式是通过往双壁钻杆、寄生管或隔水管内注入低密度钻井流体，降低从这一点到地面之间的钻井液密度。通过计算发现采用双梯度钻井，对于OML137 区块水深83～496 m、深度为4 000 m井，井底ECD降低在0.02～0.11 g/cm3，不能满足施工的要求。加压钻井液帽MPD适用碳酸盐岩高压裂缝油藏、全部或部分丧失循环的井、HSE MPD适应于硫化氢地层。

井底恒压钻井技术是在钻进、接单根、起下钻、换胶芯时均保持恒定的环空压力剖面，避免窄密度窗口地层井涌或井漏的发生，实现压力敏感储层的安全钻进，在OML137区块采用井底常压MPD方式。

目前国际上对控压钻井研究很多，形成商业化产品、能够进行现场施工服务的主要有Weatherford公司的Secure Drilling系统（精细流量控制系统）、Halliburton公司的动态压力控制系统（DAPC精细控压钻井系统）和Schlumberger公司的自动节流控压钻井系统，技术特征对比见表1。

表1 国际商业服务的控压系统对比

由于OML137区块下部地层安全密度窗口窄，而且位于海上，因此对溢流和井漏的早期监测和发现要求较高，威德福压力控制钻井系统具有微溢流量检测系统，实现井涌早期检测、因此选用威德福的MFC系统。

通过对比，在OML137区块采用威德福的MFC系统，控压方式上选择井底恒压MPD。

3 控压钻井水力学模型

OML137区块油井属于高压高温深井，井底温度126 ℃左右，下部地层采用油基钻井液体系，由于温度直接影响钻井液的黏度、密度，进而影响井底压力的大小。为了实现井底压力的精细计算，综合考虑了影响井底压力的主要因素（图2），建立了控压钻井精细流动模型，模型中综合考虑了环空温度分布、高温高压钻井液密度特性、钻井液黏温特性、含气液体温度分布、储层流体相态特征、循环管路组件压耗、岩屑浓度、地层流体产出时的环空多相流动，模型考虑因素全面、计算精度较高［8-9］。

图2 MPD精细流动模型流程

3.1 环空内钻井液的温度模型

式中，Ta、Tw、Tf分别为环空内钻井液温度、钻柱壁温度、地层温度，℃；ρm为环空内混合物密度，kg/m3；Cm为钻井液比热容，J/（kg·℃）；q为钻井液排量，L/s；Qao为钻柱内和环空内热源。

3.2 环空内钻井液的黏温特性模型

式中，（AV）0、（AV）T分别表示温度为常温、温度T下钻井液的表观黏度，mPa·s；（PV）0、（PV）T为常温和温度T下钻井液的塑性黏度，mPa·s；a、b、c、d为回归系数。

3.3 液相密度的压力温度影响模型

1990年，鄢捷年教授对4种具有典型配方的油基钻井液进行了高温高压密度测试实验，然后运用多元非线性回归分析方法，经一定的数学处理和反复检验，提出了预测不同温度和压力下油基钻井液密度的模型为

式中，ρ0为温度 26.67℃（80.0 °F）、表压为 0 时的钻井液密度，kg/m3。

4 控压参数设计与优化

4.1 设计原则

（1）满足裸眼段不溢不漏不塌。设井筒裸眼段环空任意一点的压力pbhp和裸眼段地层孔隙压力ppro或坍塌压力pcp差值Δp为

而地层压力的安全压差窗口Δpwindow为

当井底压力ppro≤pbhp≤pf时，不漏不溢；而当pbhp＞pLeak时井漏；当pbhp＜ppro时溢流；当pbhp＜pcp时井塌。

满足裸眼段压力窗口的原则为

（2）满足井口压力控制设备额定压力、隔水管额定压力原则。控压钻井是通过旋转防喷器（或旋转防喷头）和节流管汇进行井筒压力控制，其钻进过程中，允许的最大井口控制回压必须控制在设备额定压力内，在控压钻井设计和压力控制过程中，控制的最大套压按旋转防喷器（包括旋转控制头）动密封压力级别的50%设计。同时，还必须考虑隔水管的承受压力不超过 3.5 MPa［10-13］。

（3）设计系数计算值代替经验值。在窄安全密度窗口环境中，常规钻井设计由于采用各种设计系数经验值会引起钻井液密度设计不准确、套管下深设计不合理等问题，为此，在安全钻井井底压力分析的基础上，提出用设计系数计算值代替经验值进行钻井设计的思路。

4.2 控压钻井参数设计

（1）钻井液密度与回压。井底常压设计计算主要是根据压力剖面在相应井段进行低密度钻井液设计，计算井口回压，最后根据设计结果优化井身结构。设计过程中环空压耗的计算基于上面所建立的控压钻井精细流动模型，运用图3所示的迭代求解方法进行井口回压和钻井液密度的设计。

图3 井底恒压钻井液密度与回压计算流程

（2）接单根时井口施加回压与排量的阶梯变化。接单根时，由于停泵和开泵的影响，井底压力会产生波动，对于窄安全密度窗口的压力敏感储层，压力的轻微波动可能引起井下复杂，因此要求接单根时尽量减少井下压力的波动。具体做法是逐渐降低排量、逐渐增加井口回压补偿由于循环摩阻减少而造成的井底压力降低，恢复钻进时，操作与此相反。

5 控压钻井装备配套

根据选用的控压钻井系统MFC、控压参数选择OML137区块的控压设备，主要有：

（1）计算机控制及显示系统。控制系统实时监测立压、井口回压及其他钻井参数，并计算ECD。计算机控制系统与自动节流管汇控制系统相连接，根据设定的回压值，自动调整节流阀位置，保持井口回压恒定。

（2）旋转控制头。采用威特福7875型旋转控制头，最大开口直径476.25 mm，采用双密封元件，通过液压将密封元件锁定于本体内，最大可承受动态压力14 MPa，最大可承受静压35 MPa。

（3）自动节流管汇。深水钻井采用紧凑式一体式自动节流管汇系统，体积小，安装方便，拥有自动控制单元。MPD作业时，为隔水管提供回压，装配有100.2 mm、35 MPa入口、自动及手动节流阀、智能控制系统、液压泵、科里奥质量流量计、高精度回压传感器，控制计算机与智能控制系统相连，对回压进行自动控制。

（4）PWD/MWD。常规控压采用预测或者模拟计算井底压力。精细控压通过PWD实时监测井底压力，通过MWD实时传输或者存储于井下设备，通过实测数据计算井底ECD，通过自动节流阀对井底压力进行调节，具有实时、准确的特点。

6 控压钻井现场应用与评价

Asanga-2井位于尼日利亚近海Addax OML137区块，是一口直井，水深122 m，设计井深4 164 m。下部井段地层孔隙压力当量密度1.92 g/cm3，破裂压力当量密度2.10 g/cm3，安全密度窗口较窄，约为0.18 g/cm3，采用常规钻井技术无法钻至目的层，因此经过可行性论证，决定在Ø165.1 mm井眼进行控压钻井钻穿下部窄安全密度窗口地层。

2013年2月1日起安装旋转防喷器总成，试压，下Ø152.4 mm井眼钻具，调整钻井液密度到1.917 g/cm3，2月4日进行套管内MPD指纹识别测试，然后钻穿新地层3 m，进行地层漏失试验，测试结果为2.16 g/cm3，从3 443 m到3 602 m控压钻进参数为：排量12.6 L/s，钻井液密度1.917 g/cm3，系统回压0.16～0.32 MPa；立压 24.8～29.63 MPa；PWD 测试ECD在 2.0 ～2.04 g/cm3，接单根时施加 2.75 MPa回压保持井底ECD恒定。2月6日19：55进行静态流动测试，发现溢流，然后进行关井，关井立压5.167 MPa，关井套压7.923 MPa，然后进行司钻法压井作业。逐渐开泵到30 spm，保持套压恒定循环，维持恒定的立压，此时套压为7.027 MPa，立压为13.986 MPa，循环一段时间，关井观察压力，然后多次进行了压力释放，最后用2.07 g/cm3的钻井液压井，关井套压为1.3 MPa，采用2.12 g/cm3钻井液压井，压井过程中发生了漏失，然后降低排量减少漏失，静态流动测试井静止，然后带压起钻，最后甩掉下部钻具，后面发现了溢流，最后进行了挤水泥作业。

在控压施工过程中，实现了早期漏失、溢流检测，通过灵活控制，溢流和漏失得到了控制。实现了带压起钻、接单根作业，减少了压力波动。

从作业过程中发现，静态流动测试没有施加回压是造成溢流的主要原因，压井液密度过高是造成漏失的主要原因。因此，在以后的控压作业过程中，动态流动测试完全可以有效地发现溢流，没有必要进行静态流动测试，即使进行静态流动测试，井口也应该施加一定的回压。

7 结论

（1）通过建立的控压钻井适应性评价方法，即“三步法评价体系”可以有效地针对OML137区块进行科学的选井、选层，为控压钻井实施提供依据。

（2）基于计算的抽汲压力而不是经验系数设计钻井液密度可减少窄安全密度窗口钻井问题，在设计阶段考虑温度、压力对密度的影响并进行修正提高了设计的准确性。

（3）环空温度分布、高温高压钻井液密度特性、钻井液黏温特性、含气液体温度分布、储层流体相态特征、循环管路组件压耗、岩屑浓度、地层流体产出时的环空多相流动直接影响井底压力分布，控压钻井精细流动模型中应该充分考虑这些因素的影响。

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（修改稿收到日期 2013-06-11）

Deepwater managed pressure drilling technology in block OML137 of Addax

BAO Hongzhi1, ZHAO Xiangyang1, ZHANG Huawei1, ZHANG Zhigang2, HOU Xutian1

（1. SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China;2. Sinopec International Exploration and Production Corporation,Beijing100083,China）

Block OML137 of Addax is located at Nigeria offshore, with the water depth of 83 to 496 m. The formation pressure coeff i cient of the lower well section is 1.92 g/cm3, and the breaking pressure coeff i cient is 2.10 g/cm3, so the safe density window is relatively narrow, about 0.18 g/cm3. The target zone cannot be reached by conventional drilling. Managed Pressure Drilling (MPD) technology can resolve narrow MW window problem effectively. So it is necessary to conduct MPD adaptability evaluation and optimization to provide theoretical basis for scientif i cally selecting well, selecting section, optimizing MPD method, and parameter design. The adaptability evaluation method for MPD in Block OML137 was established, namely “Three-step Evaluation System”, including necessity,feasibility and economy evaluation. The method and system of pressure control were optimized, fi ne fl ow model of MPD was set up,and the principles of deepwater MPD parameter design and the design method of bottom hole constant pressure were put forward. The equipments were coordinated in accordance with the optimized pressure control system. The technique was applied to Well Asanga-2,which supplied a reference for future pressure control treatment.

Block OML137 of Addax; deepwater managed pressure drilling; adaptability evaluation method; hydraulic model;parameter design; fi eld application

鲍洪志，赵向阳，张华卫，等. Addax OML137区块深水控压钻井技术［J］. 石油钻采工艺，2013，35（4）：35-39.

TE242

A

1000 – 7393（ 2013 ） 04 – 0035 – 05

国家科技重大专项“中东富油气区复杂地层井筒关键技术”（编号：2011ZX05031-004）。

鲍洪志，1966年生。1987年毕业于长春地质学院钻探工程专业，现主要从事钻井技术研究、优化设计、欠平衡钻井等方面的研究，高级工程师。电话：010-84988575。E-mail：baohz.sripe@sinopec.com。

〔编辑

薛改珍〕