三参数自动控压钻井技术室内试验.pdf

2 0 1 2年第 4 O卷第 l 2期 石 油机械 CHI NA PE TR0L EUM MACHI NERY 一1 3 ～ 钻井技术与装备 三参数 自动控压钻井技术室 内试验 燕修 良 陈永明 李宗清 朱焕刚 康 波 曹 强 周 鲲 胜利石 油管理局 钻井工 艺研究院 摘要 为验证控压 系统的工作原理 、测量系统的精确程度 以及控制系统可靠性和重复性，配 套 了一套室 内工艺试验 流程 ，对三参 数 自动控压钻井技术进 行 了室 内模拟试验。试验结果表 明， 各个参数值都能在允许 的时间内回到设定值 ，自动采集系统的控制过程 比较稳定 ，控制效果 良好； 通过记 录节流阀的节流压力和流量 ，掌握 了各种节流阀的非线性流量特性 以及节流阀和套压的延 时特性；该试验流程配套简单 ，容易实现，可较好地模 拟钻 井的各个过程，通过对采集控制系统 的不断调试 ，掌握 了采集控制系统的调节特性，验证 了控制流程、控制方案和控制方法的有效性， 对现场试验有一定的指导作用。 关键词控制压力钻井；三参数；套压；立压；室内 试验；自动采集控制系统 中图分类号 T E 2 4 9文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 O 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 2 ． 1 2 ． 0 0 4 La bo r a t o r y Te s t o f t he Thr e e - pa r a m e t e r Aut o m a t i c Pr e s s ur e Co n t r o l Dr i l l i n g Te c h no l o g y Y a n X i u l i a n g C h e n Y o n g mi n g L i Z o n g q i n g Z h u H u a n g a n g K a n g B o C a o Q i a n g Z h o u K u n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f D r i l l i n g T e c h n o l o g y ， S h e n g l i P e t r o l e u m A d mi n i s t r a t i o n Ab s t r a c t To v e r i f y t h e o pe r a t i o n p r i nc i p l e o f p r e s s u r e c o nt r o l s y s t e m ，t h e p r e c i s i o n o f me a s u r e me n t s y s t e m a n d t h e r e l i a b i l i t y a n d r e p e a t a b i l i t y o f c o n t r o l s y s t e m ，a s e t o f l a b o r a t o r y t e c h n o l o g i c a l t e s t p r o c e d u r e s w a s ma t c h e d ． A l a bo r a t o ry s i mu l a t i o n t e s t o f t h e t h r e e p a r a me t e r a u t o ma t i c p r e s s u r e c o n t r o l d ril l i ng t e c hn o l o g y wa s c o n d u c t e d． T he e x p e r i me n t a l fi n d i n g s s h o w t h a t t h e ma t c h i n g o f t h e p r o c e d u r e s i s s i mp l e a n d e a s y t o a c h i e v e ． T h e p r o c e s s e s o f d ril l i n g c a n we l l b e s i mul a t e d． Th r o u g h c o n t i n u o u s de b ug g i n g o f t h e c o l l e c t i o n a nd c o n t r o l s y s t e m t h e r e g u l a t i o n p r o p e r t y o f t h e c o l l e c t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m h a s b e e n g r a s pe d ．T he e f f e c t i v e n e s s o f c o n t r o l p r o c e s s，c o n t r o l s c h e me a nd c o n t r o l me t h o d h a s be e n v e rifie d ． Th e s t u d y c a n s e r v e a s a g u i d e t o fie l d t e s t ． Ke y wo r ds pr e s s u r e c o n t r o l d r i l l i ng； t h r e e p a r a me t e r； c a s i ng p r e s s u r e； s t a n d p i pe p r e s s u r e； l a b o r a t o ry t e s t ； a u t o ma t i c c o l l e c t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m 0 引 言 控制压力钻 井技术 MP D是一种能够 更加 精确地控制井眼环空压力剖 面的 自适应钻井程序 ， 其 目的是确定井下压力窗 口并以此为依据进行环空 压力控制 - 2 1 。控制压力钻井通过一定 的设备和方 法来精确控制井下压力 ，能够根据井下压力变化迅 速做出正确的调整，从而降低在井下压力窗口窄、 易漏 、易喷等地层钻进的风险和成本 ，收到其他方 法所不能收到的经济效果 ；控制压力钻井还可以用 于防止井涌和安全处理作业过程中意外流入井内的 地层流体。控制压力钻井作为全球钻井技术领域新 近推出的一项钻井工艺技术 ，受到国内外研究人员 的高度重视 。 国外 已研发出多种实施 MP D的工具 、设备 和 技术 包括井底恒压法、加压钻井液帽法、双梯 度钻井法 、微流量控制方法和 HS E控制压力钻井 基金项 目中国石油化工集 团公 司重点科技攻关项 目 “ 控制压力钻井技术先导试验” S G1 1 0 1 0 中的部分研究 内容 。 石 油机械 2 0 1 2年第4 0卷第 1 2期 方法 ，并进行了现场应用。 目前 国内也有几家石 油院所在借鉴国外经验的基础上 ，开展控制压力钻 井技术和设备的研发。胜利石油管理局钻井工艺研 究 院在多年欠平衡钻井技术研究 的基础上 ，开展了 控压钻井技术工艺过程 、控制方法等方 面的研究 ， 并提出了三参数 自动控压钻井技术 ，取得 了初步成 果。为验证控压系统的工作原理 、测量系统的精确 程度以及控制系统可靠性和重复性 ，科研人员配套 了一套室内工艺试验流程 ，对三参数 自动控压钻井 技术进行 了室内模拟试验。 1 三参数 自动控压钻井技术基本原理 常规钻井过程 中，钻柱 内孑 L 通过钻头水眼与环 形空间形成 了一个连通的体系 ，即u形管。根据 u 形管原理 ，常规钻井过程中的井底压力表达式为 P 6p P k 1 式 中p 井底压力 ； p 环空静液柱压力 ； 环空循环压耗。 从式 中可以看出，对于窄压力窗 口地层或者老 油田的压力衰竭地层 ，常规钻井液密度设计可以保 证静止时井底压力等于所需压力 设计压力 。但 是当钻井液开始循环时 ，井底压力增加 了一个环空 摩擦压力 ，此时就很可能会引发井漏。按照常规井 控此时需要降低钻井液密度 ，使其低于地层漏失压 力 ，如果 遇到异常压力地层 ，很可能 同时发生井 涌。这将会导致额外的钻井非生产时间、超额的钻 井液成本以及频繁的井控问题 ，甚至不能钻达设计 井深。 控制压力钻井技术关注的是钻井相关问题，可 以提高钻井的控制能力 ，更快 、更经济 、安全地达 到最终 的钻井深度。控压钻井过程中的井底压力表 达式为 P 6p P kP 。 2 式中p 井 口回压 套压 。 控压钻井技术 的基本思路是保持井底压力 恒 定 ，由于环空摩擦压力的存在 ，在停止循环的情况 下 ，必须 施加 与 环 空摩 擦 压力 相 等 的井 口回压 套压才能保持井底压力恒定。由于控制压力钻 井与常规钻井使用的开式循环系统不同，该技术配 备了钻柱单向阀和旋转控制头，可以利用专用节流 管汇产生的井 口回压 即套压 ，所 以钻井过程 中 可 以利用节流阀 自动控制技术产生的井 口回压来弥 补环空摩擦压力的变化 。 目前的控压钻井 自控系统大都采用节流阀 自动 控制技术，并以回压作为控制目标。虽然回压控制 能够基本解决环空压力的控制问题 ，但是仅以回压 作为控制 目标却不能完全解决压力控制问题 ，比如 地层压力的不确定性以及环空有天然气浸入等。三 参数 自动控压钻井技术正是为了解决这些问题而研 发的。 所谓三参数 ，就是指控制系统 的控制 目标分别 为套压 、立压和流量。虽然控制 目标不同，但是执 行机构都是节流阀。这里需要指 出的是 ，回压控制 与节流控制 的概念是不 同的 ，回压控制 指 以回压 套压作为控制 目标操作节流 阀，而节流控制则 泛指节流阀操作 ，其控制 目标可 以是套压、立压和 流量。 三参数 自动控压钻井技术进行套压控制时井底 压力是 由环空钻井液流动模型计算得 出的 ；立压控 制时井底压力是由钻柱内钻井液流动模型计算得 出 的 ；流量控制时的井底压力可以同时采用环空和钻 柱内的钻井液流动模型计算得 出。三参数控压钻井 技术可以选用 P WD以校正计算结果。实现钻井全 过程控制就是要实现套压控制、立压控制和流量控 制的组合控制，无缝隙转换控制。 2 试验流程及 方法 三参数 自动控压钻井技术研究的重点之一就是 在井下 出现各种复杂情况时，通过 自动控制节流阀 来处理这些复杂情况并能保持钻井安全 。由于三参 数 自动控压钻井技术研究涉及 的学科专业 比较 多， 必须进行室内试验以便熟悉各种设备和仪器 ，把握 自动采集控制系统的特性 。由此 ，笔者设计和配套 了三参数 自动控压钻井技术的室内试验系统 ，如图 1和图2所示 。 图 1以及图 2所示的室内试验流程可以完成钻 进 、溢流 、漏失以及停止循环情况下的压力控制和 流程倒换等 自动控制过程。图中虚线绘制 的钻柱 、 井筒和旋转控制头不属于室内试验系统设备 ，只是 为了便于理解而绘制的。 在图 1和图2中，主泵的作用是提供主循环流 体，溢流调节阀1 用来调整主循环回路的最大工作 压力 ，确保试验安全 ；钻柱 内的手动减压 阀 1 用来 模拟钻柱内的压降，单向阀 1 用来模拟钻柱单向 阀；环空中减压阀 2用来模拟环空摩擦压力 ，长胶 管是为了增加流体侵入后的循环时间。 图 1中的辅泵或者空压机的作用是模拟地层流 2 0 1 2年第4 O卷第 1 2期 燕修良等三参数 自动控压钻井技术室内试验 体 ， 结合单向阀以及溢流调压阀2 来实现井侵；利 用溢流 调节阀3 来实 现井漏。 图2 中， 辅 泵用 来模 3 试验结果及分析 拟流程倒换后的回压泵 。 9 l 0 1l 图 1 三参数 自动控压钻井技术室内试验 布 置 示 意 图 钻 进 、 溢 流 、 漏 失 F i g ． 1 L a y o u t c h a r t o f l a b o r a t o r y t e s t o f t h e t e c h n o l o g y d r i l l i n g ，o v e r f l o w， l e a k a g e 1 一主泵； 2 一溢流调压阀 1 ； 3 一旋转控制头；4 一钻柱； 5 一减压阀1 ； 6 一单向阀1 ； 7 一井筒； 8 、 1 3 、 1 8 、 1 9 一压力表 ； 9 一 溢 流 调 压 阀3； 1 0一 辅 泵 或 空 压 机 ； 1 1 一 溢 流 调 压 阀2； 1 2 一 单 向 阀2； 1 4一 长 胶 管 ； 1 5 一 减 压 阀2； 1 6 一 流 量 计 ； 1 7 一 液 控 节 流 阀 1； 2 0 一 手 动 平 板 阀 。 图 2 三参数 自动控 压钻井技术 室内试验布 置图 停 泵 F i g ． 2 Ar r a n g e me n t c h a rt o f l a b o r a t o r y t e s t o f t h e t e c h n o l o g y t e r m i n a t i o n o f p u m p i n g 1 一 主泵 ；2 一 溢流调压阀 1 ；3 一旋 转控 制头 ；4 一钻 柱； 5 一 减压阀1 ； 6 一 单向阀1 ； 7 一井筒 ； 8、 l 2 、 l 9、 2 0 一压力表 ； 9 一 长胶管 ； 1 O 一减压 阀2； 1 1 一液 控平板 阀2； 1 3 一辅泵 ； 1 4 一 溢 流 调压 阀2； 1 5 一 液控 节 流 阀2； 1 6 一 流 量计 ； 1 7 一液控节流 阀1 ； 1 8 一液控平板阀1 ； 2 1 一手动平板 阀1 。 自动采集控制系统实时地从各个压力传感器 、 流量传感器采集数据 ，并 自动控制液动平板 阀以及 液动节流阀完成三参数 自动控压钻井技术所要求 的 套压控制 、立压控制 、流量控制以及流程倒换等功 能。通过试验数据的回放 ，可 以对节流系统和 自动 数据采集控制系统进行分析和评价 。 图 3一图7分别是套压调节过程 曲线、溢流控 制过程曲线 、井漏控制过程曲线、停泵过程曲线和 开泵过程曲线。 ． 立 压 套压 ” ；I 图3套压调 节过程 曲线 F i g ． 3 C u r v e o f r e g u l a t i o n p r o c e s s o f c a s i n g p r e s s u r e 立压 地层压力 主回路 流量 套压 井底压力 主节流阀反馈 j 』 f 『 } 图 4 溢流控制过程 曲线 F i g ． 4 C u rve o f c o n t r o l p r o c e s s o f o v e r f l o w 立压 地层压力 主 回路流量 套压 井底压力 主节流阀反馈 3 -，j { J 一 、 { I 图 5 井 漏控 制 过程 曲线 F i g ． 5 Cu r v e o f c o n t r o l p r o c e s s o f l o s t c i r c u l a t i o n 从图 3可以看出 ，套压从 0 ． 5 M P a调整到 6 ． 0 MP a ，用时 5 0 S ，控制误差在 0 ． 1 MP a ，没有超调 、 震荡和发散问题 当然这个 压力也可 以是井底 压 力或者立压 。 从图 4可 以看 出 ，钻 进 过 程 中，套 压 2 ． 0 M P a ，井底压力为 2 ． 0 M P a ，突然遇到一个压力 为 一 1 6一 石 油机械 2 0 1 2年第4 O卷第 1 2期 4 ． 5 MP a的地层 ，监测到流量增加后 ，自动控制系 统进行快速控制 ，总溢流量 为 0 ． 1 6 m ，溢流控制 住后 ，井底压力变为5 ． 0 MP a ，套压变为 5 ． 0 MP a 。 立压 地 层压 力 主 回路 流 量 套 压 井底压 力 ’ 主 节流 阀反馈 ； j ⋯～- ‘ 一 。￡一 I l 图6 停 泵过程 曲线 F i g ． 6 C u r v e o f s t o p p i n g p u mp p r o c e s s 立压 地层压 力 主回路 流 量 套压 主节流阀反馈 井底压力 、} 硒 ’ } ＼ i 图 7 开 泵过 程 曲 线 Fi g ． 7 Ca l e o f s t a r t i n g p ump p r o c es s 从 图 5可 以看 出，钻 进过程 中，套压 为 5 ． 0 MP a ，井底压 力 为 5 ． 7 MP a ，钻 遇 到一 个 压力 为 5 ． 2 MP a的地层 ，监测到流量减小后 ，自动控制系 统进行快速控制 ，总漏失量为 0 ． 1 1 m ，漏失控制 住后，井底压力变为 5 ． 1 MP a 。 从图 6可以看 出，主泵 冲次 1 1 0 m i n 。 。 ，直接 摘掉离合器 ，流量迅速降低 ，套压迅速升高 ，其压 力控制误差 0 ． 3 MP a 。 从图 7可以看出 ，柴油机怠速下挂离合器 ，此 时泵 冲次 为 8 0 rai n ～，逐 步提 高泵 冲 次 至 1 1 0 m i n ～，套压逐渐降低，其压力控制误差 0 ． 2 M P a 。 4认识及 建议 1 所述试验流程配套简单 ，容 易实现 ，可 以较好地模拟钻井 的各个过程 ，通过对采集控制系 统的不断调试 ，掌握 了采集控制系统 的调节特性 ， 验证了控制流程 、控制方案和控制方法 的有效性 ， 对现场试验有一定的指导作用 ； 2 各个参数值都能在允许 的时 间内回到设 定值 ，自动采集系统的控制过程 比较稳定 ，控制效 果 良好； 3 通过记 录节流 阀的节 流压力和流量 ，掌 握了各种节流阀的非线性流量特性以及节流阀和套 压的延时特性 4 室内试验模拟系统无法精确模 拟 由于井 深造成的立压和井底压力相对于井 口套压或者节流 阀调节的延时特性 ，更无法精确模拟气体在套管环 空 内上升过程中的高度非线性问题，因此建议在室 内试验完成后 ，在模拟井上进行 中试 ，以彻底了解 整套系统检测控制能力 ，为系统的现场应用打下良 好 的基础。 [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 Ha n n eg a n D． MPD u n i q ue l y a p pl i c a bl e t o me t ha n e h y d r a t e d e i l l i n g[ R]． I A D C ／ S P E 9 1 5 6 0 ，2 0 0 4 ． 刘伟，蒋宏伟，周英操，等 ．控压钻井装备及技 术研究进展 [ J ]．石油机械，2 0 1 l ，3 9 9 8 1 2 ． 杨雄文，周英操，方世 良，等 ．控压钻井系统特性 分析与关键工艺实现方法 [ J ]．石油机械，2 0 1 1 ， 3 9 1 O 3 9 4 4 ． 周英操 ，崔猛 ，查永进 ．控压钻井技术探讨与展 望 [ J ]．石油钻探技术，2 0 0 8 ，3 6 4 1 4 ． 王倩 ，韦海涛，周英操，等 ．控压钻井技术筛选 及评价方法 [ J ]．石油机械 ，2 0 1 l ，3 9 1 2 9 1 3． 第一作者简介燕修 良，高级工程师，生于 1 9 6 6年， 1 9 8 8年毕业于石油大学钻井工程专业 ，2 0 0 6年获中国石油 大学 华东石油与天然气工程专业硕士学位，现从事欠 平衡钻井 、控制压力钻井、气体钻井和套管防腐治理等方 面的研 究工 作。地址 2 5 7 0 1 7 山东省 东 营市。电话 0 5 4 6 8 7 0 2 3 8 0 。Em a i l y a n x i u l i a n g ． s l y t s i n o p e e ． e o m。 收稿 日期 2 0 1 2 0 70 4 本 文编辑赵连禄