孙宝江，高永海，徐鹏，武广瑷
中国石油大学（华东）石油工程学院，山东东营，257061
摘要：采用动力压井钻井方法处理深水钻井中的浅层流问题，是深水钻井作业常用的方法之一。本文介绍了动力压井钻井方法的基本原理、特点以及关键装备。结合工艺流程，通过理论分析，得到了压井液密度、排量、混配比，泥浆需求总量以及泵压、泵功率等参数的计算方法。
关键词：动力压井钻井；浅层流；深水；控制；水力参数
引言
深水海底常常潜伏着高压浅层流[1~3]。海底浅部地层地质年龄轻，压实时间短，地层渗透率一般较高。通常欠压实层的高渗透率使得高压层内地层水以很高的流速流向低压区，即浅部水层的井涌。浅部水层井涌是许多钻井问题的起因，表现为钻井、下套管固井出现困难，严重时 会导致井眼坍塌甚至引起海底沉降，还可能导致油井报废。浅层气埋藏在浅部地层，俗称“鸡窝气”，是蕴藏在海床面以下800m范围内未胶结地层中的天然气。浅层气井喷有如下特点:易发生，速度快；处理困难；危害大；允许波动压力低；预见性差。 在钻遇浅层流时，不仅没有技术套管，而且往往没有下表层套管，所以无法安装防喷器系统，没有防喷器情况下钻遇浅气层风险很大。此时，常规的借助井口装置产生回压来平衡地层压力的压井方法就不再适用。一种新技术——动力压井钻井（DKD）技术由贝克休斯公司提出[4,5]，该技术通过将加重泥浆与海水以一定比例混合，得到不同比重的泥浆迅速泵入井筒，结合环空摩阻的作用控制井底压力，防止浅层井涌并控制井漏与井壁坍塌。动力压井钻井法的提出，为解决浅层流问题提供了一个很好的解决办法。
1. DKD技术特点与优势
DKD的实质是按比例用海水混合加重钻井液基浆，使之达到预先设计好的大排量钻井泥浆比重和流变性要求，通过改变海水和加重钻井液基浆的混合比例，改变经DKD设备出来的泥浆的密度和流变性。其工作原理与固井作业中的自动混浆原理相似，根据作业需要，可随时将预先配置好的高密度压井液与正常钻进时的低密度钻井液或海水，通过自动控制密度的混浆
装置，自动调节到所需的密度，实现连续不断地向井内泵送钻井液。在钻进作业期间，只要监测到井下有地层异常高压，就可以通过人为输入工作指令，该装置就可以立即送出所需要的高密度大排量钻井液，不需要循环和等待高密度钻井液，真正意义地实现边作业边加重的动态压井钻井作业[6]。
DKD 钻井与平常钻井不同在于：用加重钻井液基浆+海水混合，形成满足预先设计要求泥浆比重连续钻进的方法，代替以往常规的海水钻进+稠泥浆替入的一段一段钻进与替入的方法。DKD技术本质上是一种双梯度钻井方式，适用于未下隔水管前的钻井，其井底压力计算公式为：
（1）
其中，Pb,井底压力，Pa；Psw, 泥线以上海水静液压力，Pa；；Pm, 泥线以下井筒内泥浆静压力，Pa；Pfr,井筒循环摩阻，MPa。
同常规井控方式以及海水喷射钻井比较，动力压井钻井技术具有以下优势：
1) 可以有效解决浅水流动诱发严重的井漏问题，又是对付浅气层、浅水层有效办法；
2) 有效实施对当量泥浆密度（ECD）的控制，延伸了表层套管下入深度，从而增加后续层段套管下入深度，有利于井身结构的优化；
3) 减少钻井液的运输量和储存量，节省平台空间，降低总体成本；
4) 提高井壁稳定性，有利于提高表层井身质量，保证固井质量。
2. 动力压井钻井技术关键装备
在浅层流风险区域进行钻探时，存在许多不确定性。为了对基浆和海水进行迅速、均匀的混合，得到合适密度的泥浆对井底压力进行控制，需要以下基本系统装备：设计软件系统、多相混合系统以及实时监测系统[7]。
2.1设计软件系统
设计软件系统主要对钻井时井筒压力进行计算并提供泥浆参数。地层孔隙压力、破裂压力以及浅层流位置确定后，就可以采用设计软件系统进行泥浆比重与排量设计。设计软件系统可以将地层孔隙压力的预测值转化为当量泥浆密度值，泥浆最小流速以及最大钻速等参数也一
并算出，并且可以计算在不同机械钻速和不同泵排量条件下的泥浆需求量以及总的加重钻井液基浆的需求量。结合加重钻井液基浆的比重以及海水比重，通过计算给出两种流体的混配比，为后续作业提供指导。
2.2 多相混合系统
多相混合系统是DKD技术的关键装备。主要由快速连接管路、球形阀、高精度电磁流量计、混合舱（器）、剪切泵等组成。基本的工艺流程图如图1所示。高密度压井液、海水或轻质钻井液通过两个或更多分支管路注入到混合舱，经过混合舱的混合与稀释，混配好的压井液注入到井口，经由环空返回海底，完成动态压井钻井作业。
图1多相混合系统工艺流程图
多相混合系统经过了6年多的开发，现在已经发展了三代系统。第一代系统如图2所示。系统具备了基本的动力压井钻井功能，但是还存在许多问题，如混合腔体积大而笨重，不能迅速安装等。第二代系统使用了一个双重作用的混合器，该混合器不仅可以提供DKD作业所需要的混配功能，还能够提供剪切功能；另外该系统测量精度也有了提高。
图2 第一代多相混合系统 图3 第二代多相混合系统
当前使用的是第三代混合系统，如图4所示。该系统改进了功能，并进行了模块化设计。第三代系统具有以下特点：结构紧凑，可组装在一个工具箱内运到井上；容易在4-6小时内完成装配；使用第三代混合器（舱）；有高精度计量系统；能同时混合三种不同流体。该混合系统能够很好的满足深水浅层动力压井钻井的施工要求。
图4 第三代多相混合系统
2.3 实时监测系统
实时监测系统主要是综合利用随钻环空压力的测量数据或其他测量数据，解释环空压力，同时结合随钻测井(LWD)，对地层参数进行实时测量，及早发现浅层流，获得地层压力参数。实时监测系统一般由机械部分和测量与电子控制部分组成。
环空压力主要依靠随钻环空压力(APWD)测量。APWD主要是实时测量流动和静止期间井眼和环空压力，对井涌进行早期监测。地层流体侵入环空时，流体温度升高、压力降低。该方法经常将测量的压力转化为泥浆泵静止时的泥浆等效静态密度(ESD)以及泥浆泵工作时的泥浆当量循环密度(ECD)。ESD必须始终高于地层孔隙压力，否则将发生井涌。同时ESD要尽可能地高于控制井喷的最小压力，ECD必须低于地层破裂压力。
随钻测井技术是随钻测量技术的新发展，测量的参数较随钻测量更多，对地层参数的预测也更为准确。是其基本原理为：通过测量电阻率、自然伽马、地层密度、地层孔隙度、中子伽马计数率、地层的宏观热中子俘获截面以及滑行波通过地层传播的时差等，对地层参数进行实施监测与预报，及早发现地层异常状况；同时对泥浆电阻率、自然伽马值、声波时差及液密度等参数进行实施监测，及早发现井筒内流体物理性质的变化以对井涌进行及早预测。
通过实时监测系统，可以实现环空压力的实时监控，并结合测量数据分析井眼工况、溢流情
况、压井情况、钻井液密度、排量等，为井底压力控制以及泥浆密度设计提供参考，指导现场钻井施工作业。
3. 动力压井钻井工艺参数计算
3.1压井液密度及排量
计算动力压井钻井所需密度及排量的原则是：在该密度与排量下，喷井内的流动循环摩阻加液柱压力略大于地层孔隙压力而小于地层破裂压力。发现浅层流后，要按照计算好的密度与排量迅速泵入环空进行压井。
根据海上钻井的特殊条件，压井液密度满足：
（1）
其中，为浅气流地层压力，Pa；为动力压井钻井时的压井液密度，kg/m3；H为泥线距井底深度，m；Pfr为环空摩阻，Pa；为海水密度，kg/m3；Hsw为水深，m。
如果钻井过程中已经有浅层气或浅层水涌入井筒，则应用多相流动方程组进行求解，动态确定压井液密度及排量。
终了压井液密度可以根据地层破裂压力求得：
（2）
其中，，终了压井液密度，kg/m3；Pf，地层破裂压力，Pa。
在调节钻井液密度的同时，需要对动力压井排量进行控制，随着压井液密度的增大，动力压井钻井排量要越来越小。
压井液的最小排量应满足携岩要求，最大排量应满足井壁稳定性条件并不能压漏薄弱地层。具体计算公式可参考钻井手册或其他相关资料。
3.2 加重钻井液基浆用量
无隔水管段开钻一般用海水喷射钻进，然后应用DKD方法，使用加重钻井液混合海水钻进。
计算钻井液基浆用量需知道井段长度、机械钻速（ROP）、加重钻井液基浆密度、动力压井钻井排量和混配比等。
图5 计算DKD所钻井段钻井液用量示意图
如图5所示，h为井深，hbd为动力压井钻井施工段长度，DKD施工段需要泥浆总量为钻进hbd段的泥浆总量与钻进该段前泥浆充满钻柱的体积之和： （3）
t为钻hbd段所需时间，s；方程（3）中单位均为国际单位，将排量转化为常用的单位l/s,机械
钻速转化为常用的单位m/h，则方程（3）变为：
（4）
其中，V，本段钻井液总量（压井液总量），m3；Q，泵排量，l/s；Hbd，动力压井钻井施工段长度，m；ROP，机械钻速，m/h；Lc,钻杆长度、钻铤长度，m；dpi，钻杆内径，cm；dci，钻铤内径，cm。
加重钻井液与海水的混配比可用如下公式进行计算：
（5）
整理，得：
（6）
式中,加重钻井液基浆密度，kg/m3；V1，加重钻井液基浆体积，m3； V2，海水体积，m3。
方程（4）、（6）结合方程V=V1+V2，即可得到需要储备的加重钻井液基浆的最少量V1以及海水用量V2。
3.3 动力压井钻井的泵压
泵压为钻柱内外静液柱压力差与各段循环摩阻之和，具体表示为：
(5)
其中，钻头压降[8]： (6)
钻柱内压耗： (7)
环空压耗： (8)
其中，、、、分别为泵压、钻头压降、钻柱内压耗、环空压耗，MPa；Q，泥浆排量，L/s；C,喷嘴流量系数，无因次；A0，喷嘴面积，cm2；B，常数，内平钻杆B=0.51655，贯眼钻杆B=0.57503；dpo，钻杆外径，cm；Lp,,钻杆长度，m； dco,钻铤外径，cm；dhi，第i段井筒直径，cm；Hi，第i段井筒长度，m；,压井液塑性粘度，Pa.S。
3.4 动力压井所需泵的水力功率
（9）
其中，Nb,动力压井所需泵功率，hp。
4. 应用情况示例
在墨西哥湾，此方法已用于15个动态压井钻井作业中, 作业平均水深4150英尺，在过去的几年中平均每年增加1160英尺，其中最大的水深达8875英尺。平均每个项目的加重钻井液基浆体积大约为12500桶。这些井用DKD方法分别进行了20、22以及26井眼的钻探，作业后套管顺利地下至井底，固井成功。在最大钻速、最小排量和最低泥浆密度条件下未发生钻头泥包事故。由于减少了非生产时间和套管柱数目、加深了套管坐放位置、缩短了钻井周期以及减少了对后勤工作的要求，给作业公司带来巨大的效益。
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