控制压力钻井技术全尺寸模拟井试验及分析.pdf

2 0 1 2年第4 0卷第 5期 石 油机械 CHI NA P ET ROLE UM MACHI NERY 钻井技术 与装 备 控 制压 力钻 井技术全 尺寸模拟 井试验及分析 王树江 李宗清 燕修 良 陈永 明 朱焕刚 曹 强 康 1 ．中国石油大学 华东石油工程学院2 ．胜利石油管理局钻8 - Z 艺研究院 波 摘要 指出了控制压力钻井技术室内试验存在的不足 ，给出了控 制压力钻井技术全尺寸模拟 井试验的原理、方法和设备 ，验证 了控制压力钻井技术的工艺流程和控压设备 的可操作性以及 自 动控制系统控制能力。试验结果表 明，该试验流程配套简单，可 以较好地模拟钻井的整个过程， 通过对采集控制系统的不断调试 ，掌握 了其调 节特性，为现场试验起到 了很好的指导作用 ；同时 指出，处理气体溢流时，必须配置针对极端非线性、时变和多变量耦合等过程特性的智能控制器。 如果控压钻井 自动节流管汇配套的是常规液压驱 动的节流 阀，在钻井泵启、停过程 中，流量 的变 化速度远远高于节流阀的反应速度 ，而且井筒 内流体存在 巨大的惯性，套压控制过程中，E C D变 化达到 0 ． 3 ，因此应采用电动钻机，这样可以逐步缓慢 降低钻井泵的排量，从 而实现恒井底压力 控制 。 关键词控制压力；钻井技术 ；全尺寸模 拟井；工艺流程 ；控压设备 ；试验分析 中图分类号T E 2 4 9 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 5 0 0 0 3 0 4 Fu l l s i z e S i m u l a t i o n W e l l Ex p e r i m e n t a n d Ana l y s i s o f Pr e s s ur e Co nt r o l Dr i l l i ng Te c h no l o g y Wa n g S h u j i a n g ， L i Z o n g q i n g 。 Y a n X i u l i a n g C h e n Y o n g mi n g Z h u H u a n g a n g C a o Q i a n g 。 K a n g B o 1 ． C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m，D o n g y i n g 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e of 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 Th e we a k n e s s i n t h e l a b o r a t o r y t e s t o f p r e s s u r e c o n t r o l d r i l l i n g t e c hn o l o g y wa s p o i n t e d o ut ．T h e p r i n c i p l e， me t ho d a n d e qu i p me nt o f t h e t e c h n o l o g y we r e g i v e n ．T h e t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f t he t e c h n o l o g y ， t h e o p e r a b i l i t y o f t h e p r e s s u r e c o n t r o l e q ui pme n t a n d t h e c o n t r o l c a p a c i t y o f t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m we r e v e rifie d ．T h e e x p e r i me n t a l fin d i n g s s h o w t ha t t h e ma t c h i n g o f t h e e x p e r i me n t a l p r o c e d u r e i s s i mp l e a nd t h e who l e d r i l l i ng p r o c e s s c a n w e l l b e s i mu l a t e d ． T h e r e g u l a t i o n p r o p e 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 i s g r a s p e d t h r o u g h i t s c o n s t a n t d e bu g g i n g， wh i c h c a n s e r v e a s a g o o d g u i d e t o i t s fie l d t e s t ． At t h e s a me t i me i t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r mu s t be a l l o c a t e d t o d e a l wi t h g a s o v e r f l o w c o n c e r n i n g t he pr o c e s s c h a r a c t e ris t i c s o f e x t r e me l i n e a r i t y ， t i me v a r y i n g a n d mul t i v a r i a b l e c o u p l i n g ．I f t he p r e s s u r e c o n t r o l d r i l l i ng a u t o ma t i c t h r o t t l e ma n i f o l d i s ma t c h e d wi t h t h e t h r o t t l i n g v a l v e o f c o n v e n t i o n a l h y d r a u l i c d riv e， t h e v a r i a t i o n v e l o c i t y o f flo wr a t e i s f a r a b o v e t h e r e a c t i o n v e l o c i ． t y o f t h r o t t l e i n t he p r o c e s s o f s t a r t u p a nd s hu t d o wn o f d r i l l i n g pu mp ．Mo r e o v e r ． t he r e e x i s t s g r e a t i ne r t i a wi t h t h e flu i d i n we l l b o r e ． I n t h e p r o c e s s o f c a s i ng p r e s s u r e c o n t r o l t he ECD c h a n g e r e a c he s 0 ．3． T he r e f o r e， t h e e l e c t ric d riv e d ril l i n g r i g s ho u l d b e a d o p t e d S O a s t o d e c r e a s e t h e d i s p l a c e me n t o f d r i l l i n g p u mp g r a d u a l l y a n d a c h i e v e c o n ． s t a n t b o r e h o l e p r e s s u r e c o n t r o 1 ． Ke y wo r ds p r e s s u r e c o n t r o l ； d ril l i n g t e c h n o l o g y； f u l l s i z e s i mu l a t i o n we l l ； t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s ； p r e s s u r e c o n t r o l e qu i p me n t e x p e r i me n t a l a na l y s i s { 基金项 目胜利石油管理局重点科 技攻关项 目 “ 控制压力钻井技术研究” GK Z 0 9 0 3 的部分研究 内容 。 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 5期 控制压力钻井技术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 。国外已研发出多种实施控制压力钻井 MP D 的工具 、设备和技 术 井底恒压法 、加压钻井液 帽法 、双梯度钻井法 、微 流量控制法 、HS E控制 压力钻井法 ，并进行了现场应用 J 。国内目前也 有几家石油院所在借鉴国外经验的基础上 ，开始进 行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 ，完成 了室 内试验 ，并 取得了初步成 果 。 室 内试验较好地模拟了钻井的整个过程 ，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 。但是，室 内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 ，在 完成室 内试验后 ，必须在全 尺寸模 拟井上进行试 验 ，以彻底了解整套系统检测控制能力 ，为现场应 用打下 良好的基础 。 1 试验设计及 设备 配套 1 ． 1 试 验原 理 控制压力钻井技术实际上是从井控技术衍生出 来的 ，与常规钻井使用的开式循环系统不 同，控制 压力钻井使用的是能够承受一定压力 的密闭式循环 系统。控制压力钻井技术配备 了钻柱单向阀和旋转 控制头 ，可以利用 自动节流管汇产生的井 口回压、 井内的钻井液静液柱压力以及环空摩擦压力共同作 于井底来平衡地层压力。循环和停泵过程中，可 以通过井 口回压的不断变化来弥补环空摩擦压力的 变化 ，从而维持所需 的井筒压力剖面。 通过对全尺寸模拟井的设备配套 增加井漏 溢流模拟系统 ，模拟各种钻井相关问题 ，利用控 制压力钻井设 备监测 钻井参 数 压力、流量 等 的变化 ，提高钻井的控制能力。 1 ． 2试验 内容及 目的 1 验证控压设备在井场使用时的可操作性 和可靠性 ； 2 模拟正常钻进 以及钻井过程 中的各 种复 杂情况 井漏 、溢流以及排溢流等 ，了解采集控 制系统的调节特性以及控制速度、精度 、可靠性和 重复性 ； 3 验证水力计算软件 、控制软件和管 理软 件的性能 ； 4 验证控制流程 、控制方案和控制方法的有 效性。 1 ． 3 全尺寸模拟井基本情况 井型直井 ；井 口装 置 套管头 F Z 3 53 5 单闸板 四通 2 F Z 3 53 5双闸板 F H 3 53 5环 形 防 喷 器 ；井 身 结 构 双 层 套 管 ， 内 层 套 管 0 2 4 4 ． 5 m mI 1 0 0 m，外层套管 0 3 3 9 ． 7 m mI 1 0 0 m，底部 2 5 m为筛管结构 ；钻具结构 0 2 1 5 ． 9 m m 钻头 1 6 5 m i l l 箭形止 回阀 1 2 7 mml 8 。 斜坡钻杆 下旋塞 六方钻杆 上旋塞 ；2台 S L一3 N B一 1 3 0 0 A钻井泵 ，缸套直径 1 7 0 mm；钻井液为清水 ； 气源 7 m ／ rai n ，最高注气压 力 2 1 MP a ；钻 机形 式 柴油机加液力变矩器的链条传动。 1 ． 4 试验流程及工艺方法 1 ． 4 ． 1 试 验 流程 在全尺寸模拟井上安装井漏溢流模拟系统以及 控制压力钻井设备 ，其设备连接图如图 1 所示。 图 1 模 拟 井 试 验 设 备 连 接 图 F i g ． 1 Di a g r a m o f c o n n e c t i o n o f s i mu l a t i o n w e l l t e s t e q u i p me n t 控制压力钻井设备主要包括钻杆单 向阀、井 口 旋转防喷导流系统、 自动节流管汇、中控室 包括 电气采集控制系统以及 回压泵。井漏溢流模拟 系 统包括水泥车、调压阀和压力传感器 、可 以通过调 压 阀调节模拟地层的孑 L 隙压力和漏失压力 。通过外 环空压力传感器可以很直观地得到准确的井底压力 即实测井底压力 外环空压力传感器压力数值 钻头位置处的静液柱压力 。中控室 中的 自动采集 控制系统可实时从各个压力传感器、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 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 5期 排溢 流过 程 中，E C D的波 动 范 围为 1 ． 2 2～1 ． 2 6 目标 E C D为 1 ． 2 4 。 立 压 实 时 入口流量 EC D 主回路流量 泵诲 一⋯⋯一 套 压 蠢 营 主 节 流 阀 阀 位 3 ． ／ ． ／j L ， 』 J ‘ J l I 图4 井漏控 制过程 曲线 F i g ． 4 Pr o c e s s c u r v e o f l o s t c i r c u l a t i o n c o n t r o l 泵冲 实时 入口流量 立 压 ECD 主回路流量 出 口流 体密度 套压 实测井底压力一 ⋯ ⋯ 主节流阀阀位一 1 5 J l J ⋯ { 1 _ 千 兰童 1 ] 鬻 } { 1 1 ∞￡ j 图 5 气体 排 溢流 控 制 过 程 曲线 F i g ． 5 P r o c e s s c u r v e o f g a s d i s c h a r g e d o v e r f l o w c o n t r o l 从图 6可以看出，柴油机转速 8 0 0 r ／ m i n ，缓慢 提高柴油机转速到 1 2 0 0 r ／ m i n 用时9 0 S ，进行套 压控制 ，然后缓慢降低柴 油机的转速 至 8 0 0 r ／ m i n 用时 9 0 S 。缓慢改变钻井泵排量过程很好地保持 了套压 目标值 ，套压波控制误差 ≤0 ． 2 M P a 。 立 压 入 口 流量 实时 泵冲 ⋯⋯ 套 压 EC D 主回路流量 回 压 实测井底压力～ ～ 主节流阀阀位一 l ． 、 L 、 ＼ 、 j 1 ／ ／ ／ ／ 』 j l 图6 缓慢 改变柴油机转速 时的控制过程 曲线 Fi g ． 6 Co n t r o l pr o c e s s c u r v e i n g r a d u a l c h a n g e o f d i e s e l e n g i n e s p e e d 3 结论及建议 1 试验流程 配套简单 ，可以较好地模拟钻 井的整个过程。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 ，对现场试验起 到了很好的指导作用 。 2 当处理气体 溢流时 ，由于气 体 的侵入造 成节流阀调节和立压反应之间的延时 ，以及气体滑 脱上升过程造成井筒压力变化 的高度非线性 ，必须 配置针对极端非线性、时变 、多变量耦合等过程特 性的智能控制器。 3 如果控压钻井 自动节流管汇配套 的是常 规液压驱动的节 流阀 液缸驱动或者液压 马达带 动蜗轮蜗杆驱动 ，在钻井泵启、停过程 中，流量 的变化速度远远高于节流阀的反应速度，而且井筒 内流体存在 巨大 的惯性 ，套压控制 过程 中，E C D 变化达到 0 ． 3 。因此 ，在柴油机驱动钻机上无法实 现整个钻井过程的恒井底压力控制。而采用 电动钻 机时 ，可以逐步缓慢降低钻井泵排量 ，从而实现恒 井底压力控制。 4 建议控制压力钻井 自动节流管汇配套 M I S WA C O公 司的超级 自动节流 阀 A u t o c h l k e ， 该超级 自动节流阀可以在所有钻井转换条件下 自动 调节 压力 J 。 [ 1 ] [ 2 ] 参考文献 辜志宏，王庆群，刘峰，等 ．控制压力钻井新技 术及其应用 [ J ]．石油机械，2 0 0 7 ，3 5 1 1 6 8 72． Re i t s ma D， Fr e d e r i c ks P． Mo d i fie d a u t o ma t e d pr es s ur e c o n t r o l t e c h n o l o g y o f f e r s s ma l l e r f o o t p r i n t f o r l a n d ma p d o p e r a t i o n s[ J ]． D r i l l i n g C o n t r a c t o r ，2 0 0 7 6 8 2 8 4． 第一作者简介王树 江，高级工程师，博士研究生 ， 生于 1 9 7 3年 ， 1 9 9 8年毕业于 中国石油大学 华东 油气井 工程专业，现从事欠平衡、控制压力和气体钻井技术研究 与推广工作。地址 2 5 7 0 1 7 山东省东营市。电话 0 5 4 6 8 7 9 9 8 0 2 。Em a i l w s j i a n g 1 9 7 3 1 6 3 ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 11 1 0 8 本文编辑丁莉萍