控制压力钻井在沙特气田的应用.pdf

第 3 1 卷 第 5期 2 0 0 9年 1 0月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG P R0DUCT1 0N TECHNOLOGY V0 1 ． 31 No ． 5 Oc t ．2 0 0 9 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 5 0 0 3 6 0 4 控 制压力钻 井在沙特气 田的应用 张洪杰 张德友 刘亚斌 1 ． 威德福亚太有限公 司， 北京 1 0 0 0 2 0 ； 2 ． 中海油田服务股份 有限公 司， 天津3 0 1 0 2 9 摘要 控制压力钻井 Ma n a g e d P r e s s u r eD r i l l i n g 在国际上得到了广泛的应用， 其原理是通过控制井17 回压控制井底压力， 从而达到整体控制钻井过程的 目的。这种钻井工艺可 以解决复杂地质 问题造成的影响 ， 避 免发 生井涌与井漏， 尤其对钻 井液密 度窗口小的地层优势更为突出。介绍了控制压力钻井的一种恒定井底压力钻井的原理、 优点、 主要设备。在沙特气田的现 场应用表明， 恒定井底压力钻井技术可以保持 当量循环密度在动态和静态时恒定， 缩短了作业时间， 减少了对储层的损害。 关键词控制压力钻井； 恒定井底压力； 环空摩擦力；回压；当量循环密度； 沙特气田 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 B The fi e l d a pp l i c a t i o n o f ma na g e d pr e s s ur e d r i l l i n g i n Sa udi Ar a b i a g a s fi e l d Z H A N G H o n g i ie ． Z H A N G D e y o u ． L IU Y a b in 1 ． W e a t h e rf o r d A s i a P a c ific P t e L t d， B e j i n g1 0 0 0 2 0 ， C h i n a ； 2 C h i n aO i lfie MS e r v i c e s L i mi t e d , T ia n j i n 3 0 1 0 2 9 ， C h i n a A b s t r a c t D u r i n g Ma n a g e d P r e s s u r e D ri l l i n g MP D B HP B o t t o m H o l e P r e s s u r e c a n b e c o n t r o l l e d t h r o u g h a d j u s t i n g s u r - f a c e b a c k p r e s s u r e ， S O d r i l l i n g o p e r a t i o n i s a l wa y s u n d e r c o n t r o 1 ． W i t h t h i s a d v a n t a g e ， M P D c a n s o l v e t h e c o mp l i c a t e d g e o l o g i c p r o b l e ms a n d a v o i d l o s s k i c k s c e na r i o b y us i n g s ur f a c e ba c k p r e s s ur e ， a n d i t i s a goo d s o l ut i o n f o r d r i l l i n g na r r o w o pe r a t i o n a l wi nd ow f o r ma t i o n． ． M P D c a n b e d i v i d e d i n t o 4 t y p e s o f s u b d ril l i n g me t h o d ， b u t t h i s p a p e r wi l l f o c u s o n o n e wh i c h i s Co n s t a n t Bo t t o m Ho l e P r e s s u r e Dri l l i n g CB HP． T h i s p a p e r p r o v i d e s t h e d e fi n i t i o n o f MPD a n d a n a l y z e s t h e t h e o r y , b e n e fi t s a n d e q u i p me n t n e e d e d for CBHP o p e r a t i o n a n d a l s o t h e fi e l d a p p l i c a t i o n o n t h e F r a s s 一 0 0 0 1 W e l l i n S a u d i Ar a b i a ． Ke y wo r d s ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g ； C BHP ； a n n u l a r f r i c t i o n p r e s s u r e ； s u r f a c e b a c k p r e s s u r e ； ECD 国内大多数 油气 田进入开发中晚期后， 越来越 多地将勘探开发作业转移到难钻探 的复杂地层 ， 随 之出现 了很多钻井难题 ， 使钻井作业越来越具有挑 战性 。控制压力钻井是对常规钻井技术的改进， 可 以解决不同的钻井难题。恒定井底压力钻井作为控 制压力钻井技术 的一种 ， 已经越来越多地应用在地 层孔隙压力 地层坍塌压力 和破裂压力接近 、 作业 窗 口窄的区域 ， 并取得 了较好的应用效果。 1 控制压力钻井技术简介 Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g i n t r o d u c t i o n 控制压力钻井是一种改进的钻井工艺， 利用特 殊的地面设 备和工程方法 ， 精确控制整个井筒的环 空压力剖面。其 目的是对井下压力状况做到胸中有 数， 并据此控制环空液柱压力 ， 从而控制井底压力。 在常规的过平衡钻井 中， 任何时候井底压力都大于 储层压力 ， 而井底压力为环空静液柱压力、 环空摩擦 力及地面回压之和；在控制压力钻井过程 中， 对地 面 回压进行控制， 从而对井底压力进行调节 ， 使井底 压力等于或稍大于储层压力 。 在常规钻井过程 中， 由于井控的需要 ， 要保证任 何情况下 包括停泵环空摩擦力为 0时 井底压力 都大于储层压力， 所以需要使用较高密度的钻井液。 而在正常钻进过程中， 由于引入环空摩擦力 ， 井底压 作者简介 张洪杰， 2 0 0 6年毕业于中国石油大学 北京 石油工程专业 ， 欠平衡钻 井工程师。电话 0 1 0 ． 5 8 2 8 0 5 0 0 ， E ． ma i l z h a n g h o n i e 1 9 8 4 y a h o o ．c o rn 。 张洪杰等 控制压力钻井在沙特气田的应用 3 7 力将远高于储层压力 ， 造成储层伤害 ， 在一些作业窗 口窄 的区域 ， 还 可能出现边喷边漏等 问题 。如图 1 所示 的钻井作业 窗 口 1 ， 图 1中绿色线为常规钻井 过程 中井底压力变化趋势 ， 可以看出 ， 井底压力不是 恒定 的， 而是在一定范围内。如果作业窗 口足够大， 则不会出现井漏或井涌。 钴趔j 时 l剐 图 1 常规钻井与控制压力钻井作业对 比 Fi g． 1 Op e r a t i on a l wi n do w ofc o nv e nfio na l d r i l l i n g 在恒定井底压力钻井过程 中， 因停泵而消失 的 环空摩擦力可以通过调节地面设备 ， 施加适 当的地 面回压进行补偿 ， 从而保证井底压力恒定 图 1 ， 通 过设计使其维持在作业窗 口内， 接单根时施加地面 回压来弥补消失 的环空摩擦 力 ， 循环 时降低地面 回 压或不施加地 面回压 ， 由此避免漏失或井涌等钻井 问题 的出现 。 2 技术优点及所需设备 The a p pl i c a t i o n m e t h o d，a d va n t a g e s a nd e q u i p me n t r e q u i r e d f o r c o n s t a n t b o t t o m h o l e pr e s s u r ed r i l l i n g 2 ． 1 技术优点 Th e a p pl i c a t i o n me t h o d o f CBHP 1 解决作业窗 口小 ， 地层孔 隙压力和破裂压力 接近等地质问题。 2 允许使用较低密度的钻井液 ， 节约钻井液材 料 。 3 减少对储层的伤害。 4 提高机械钻速。 5 避免井底压力波动 ， 提高井眼稳定性 。 6 更灵活、 快速地控制不可预见的井涌。 7 避免假井涌的发生 。 2 ． 2 主要 设备 Th e a d va n t a g e s o f CBHP 多数控制压力钻井不需要对井队现有设备进 行较大改变 ， 需要做 出的最大改变就是井 口返 出至 振 动筛的接头 和管线 。对 于不 同的施工作业 可能 还需要在立管管汇处做一些改动。任何一项欠平 衡钻井项 目或控制压力钻井 项 目都需要考虑 的问 题是井 队防喷器与钻 台之 间距 离是否足够安装旋 转控制头 。 2 ． 2 ． 1 旋转控制头 主要作用是封闭环空的同时将 环空返出的流体导流至节流管汇。其原理是将密封 胶芯置于钻杆或方钻杆周围， 从而对环空有效密封 ； 允许钻杆或方钻杆转动或上下活动。旋转控制头本 体置于防喷器之上 ， 胶芯磨损后可 以将其起 出转盘 面进行更换 。 2 ． 2 ． 2 控制压 力钻井节流管汇这是恒定井底压力 钻井过程 中最重要 的设备之一 ， 可 以通过调节节流 器开关大小来调节 回压 ， 从而保证静态和动态 的井 底压力恒定。此项 目使用 的控制压力钻井节流管汇 是半 自动控制节流管汇 ， 通过在控制柜上设定需要 的回压 ， 节流管汇可以 自动调节压力 ， 不受返出流量 大小的影响。 2 ． 2 ． 3 流动 管线恒定 井底压力钻井 中使用 的节 流管汇之前 的主流动管线都是 01 5 2 mm承压 3 4 ． 5 MP a的管线 ， 连接后需要进行试压 ， 压力需试到旋转 控制头的工作压力 。 2 ． 2 ． 4 井下套管阀 与套管一起下人井内的井下阀 门， 两条控制管线 回接至地面控制柜 ， 可以通过控制 柜在地面控制套管 阀的开关 ， 从而保证作业的安全 和减小抽吸压力的影响。起钻过程 中维持需要 的回 压 ， 当钻头起到套 管阀之上时 ， 关 闭套管阀， 将套管 阀以下的井筒隔离， 卸掉套管阀之上的回压， 将旋转 控制头轴承卸掉 ， 继续起钻。下钻至套管阀之上， 安 装旋转控制头轴承， 打开套管阀后施加需要 的回压 ， 继续下钻。 2 ．2 ．5 钻杆单流阀 可以防止任何流体在钻杆内由 井底流至地面。 2 ． 2 ． 6 控压钻井 多相分离器如果预计有较大量井 涌 ， 则推荐使用多相分离器。控制压力钻井分离器 与井队分离器 比较 ， 有 以下优点 1 可以通过一个 带压槽来处理井涌和地层侵入； 2 带 1 个有液柱的 罐 ， 防止气体 流至振 动筛 使用井队分离器经常会 发生可燃性气体流至振动筛 。 2 ． 2 ． 7 数据采集 系统 由于恒定井底压力钻井相当 于近平衡钻井 ， 需要进行较严格 的压力控制 ， 因此对 影响 当量循环密度 的参数进行 实时监控是必要 的。 建议使用可 以监测泥浆罐容积 、 立压 、 套压以及泵排 3 8 石油钻采工艺2 0 0 9年 1 0月 第 3 1 卷 第 5期 量 的数据采集系统。井队采集 的深度、 扭矩、 转速和 其他参数也是必须的。 3 作业概况 Fi e I d o p e r a t i o n o f CBHP i n S a u d i Ar a b i a x井是中石化与沙特阿美公司合作 的沙特气田 的一口井 ， 设计产层在 O 2 1 2 ． 7 mm和 01 4 9 ． 2 mm井 眼段， 但后来通过地质取心分析 ， 确定下 01 7 7 ． 8 mm 尾管完钻， 完钻井深 5 2 0 2 m。 3 ． 1 钻前设计 Pr e - dr i l l i ng d e s i g n 此井设 计 为直 井， 4 6 0 0 ～ 5 2 0 2 m 的 02 1 2 ． 7 mm 井段应用恒定井底压力钻井。 在接单根或起下钻等停止循环 的情况下 ， 需要 施加地面 回压来维持井底压力恒定 ， 回压大小等于 消失的环空摩擦力 ， 环空摩擦力用软件模拟后得出。 接单根时， 停泵需分几步进行， 在分步降低泥浆泵泵 冲时， 需要 同时增加施加的地面回压弥补减少的环 空摩擦压耗 ， 直到完全停泵后摩擦压耗完全消失， 回 压达到设计值。接完单根开泵时 同样分步进行 ， 其 方法与停泵相反。 甲方根据邻井资料预测此井在 4 6 0 0 m处孔隙 压力 当量密度为 1 ． 4 2 ～ 1 ． 4 6 g ／ c m ， 因此设计使用密 度为 1 ． 4 4 g ／ c m 的钻井液， 循环时加上环空摩擦力 ， 静止时通过施加地面回压来保持井底压力稍大于地 层孑 L 隙压力， 避免井涌和井漏的发生。 现场设备布置见 图 2 ， 正常钻进过程 中， 没有气 体产出， 用泥浆泵循环， 返 出流经威德福控制压力钻 井节流管汇流至振动筛。接单根时通过压井泵循环 以施加 回压。 图 2 恒 定 井底 压 力钻 井 设备 布置 图 Fi g ．2 E q u i p me n t l a y o u t o f CBHP 3 ． 2 现场施工 Fi e l d a p pfi c a fio n 开始使用密度 为 1 ． 4 4 g ／ c m 的钻井液 ， 当量循 环密度为 J ． 4 6 8 g ／ c m ， 但是观察 到气体产 出量持续 增加， 提高钻井液密度 ， 使 当量循环密度达到 1 ． 4 7 8 g ／ c m 。气体产出量减少。 表 1 为软件模拟的接单根时分步停泵程序 ， 2 、 3 号泵为泥浆循环泵 ， 1 号泵为压井泵。正常钻进或循 环时， 使用的泵冲数为 8 4冲 ／ mi n ， 回压为 0 ． 9 MP a 。 接单根时分 6步停泵 ， 降低泵 冲数的同时将回压提 高至对应值 以维持井底压力恒定。关闭 2 、 3号泵时 开启 1 号压井泵 ， 维持井 V 1 循环 以施加 回压。完全 停止循环时， 环空摩擦力完全消失 ， 需要施加的回压 为 5 ． 2 MP a 。接完单根需要重新开泵钻进肘 ， J 相反 的步骤逐步提高泵冲数 ， 逐步降低 回压至正常钻进 所需数值 ， 即 0 ． 9MP a 。 表 1 接单根停泵程序 T a bl e 1 Ra mp do wn p r oc e du r e be f o r e c on n e c t i o n 起下钻过程中， 设计使用威德福井下套管阀， 无 需压井。但由于在将套管 阀下入井 内过程 中， 井 口 处的两根软管线磨损 ， 使套管阀无法正常工作， 所以 每次起下钻需要泵人一定量重浆以平衡地层压力。 随着井深的增加 ， 地层压力上升， 需要提高钻井 液密度来平衡地层压力 ， 完钻时使用的钻井液密度 为 1 ． 6 g ／ c m 。 3 ． 3 应用效果对比 Ap pfi c a fio n pe r f o r ma n c e Y井为同区块井身设计相 同但未实施恒定井底 压力钻井的邻井 ， 在钻穿同一地层时， 由于气体 的存 在 ， 随着井深增加 ， 所使用的钻井液密度 由 1 ． 5 g ／ c m 升至 1 ． 8 4 g ／ c m 。在钻进过程 中经常发生遇阻现象 ， 每次接单根之前都至少需要进行两次划眼。Y井作 业时间为 6 5 d ， 非生产时问 7 ． 6 d ； X井作业时间 4 0 d ， 非生产时问为 1 ． 1 d 。 4 结论 Co n c l u s i o ns 1 控制压力钻井作为欠平衡钻井技术 的一种， 张洪杰等 控制压力钻 井在 沙特 气田的应用 3 9 上接 第 3 5页 采用 现 场 的 喷嘴 组合 ， 钻 头压 力 降 仅为 0 ． 3 1 MP a ， 远不能满足喷射钻井 的条件 。但是 ， 如果采取 降低一定流量 的方法 ， 流量 降低 2 - 3 L ／ s ， 立管压力变 化不大 ， 但管内压耗降低 2 ． 2 3 MP a ， 钻头压力降增加 近 3 MP a ， 钻头水力能量利用效率 由原来的不足 2 ％ 增加到 1 7 ％。可 以设 想 ， 如果按 照最小流量法设计 水力参数， 必将大幅度地提高水力能量的利用效率， 进而提高超深井的钻井速度。 3 结论与建议 Co n c l us i o n s a n d s u g g e s t i o n s 1 充分利用水力能量可提高超深井钻井速度 ， 减小压力损失。 2 在保证正常钻进前提下 ， 可通过尽量采用大 尺寸钻杆 、 降低黏度 、 减小密度和流量达到降低循环 压耗及增加水力能量利用效率的目的。 3 建议超深井钻井中采用最小流量法设计水力 参数 ， 以实现喷射钻井条件 ， 提高钻井速度。 参考 文献 Re f e r e n c es [ 1 ] MAUR E R W C． Ad v a n c e d d r i l l i n g t e c h n o l o g y[ M ] Tul s a Th e Pe t r ol e u m P ubl i s h i n g Co mpa n y ,1 98 0． [ 2] 孟祥玉， 陈越， 杲传 良． 钻井参数优选技术在胜利油田 深 井中的应用 [ J ]． 石油钻探技 术 ， l 9 9 2 ， 2 o 4 4 5 4 7 ． M E NG Xi a n g y u， C HE N Y u e ， GAO Ch u a n l i a n g ． T h e a p - p l i c a t i o n o f Dr i l l i n g p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n t e c h n i q u e s i n S h e n g l i O i l fi e l d d e e p w e l l l J j ． 0 i l D r i l l i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 2 ， 2 0 4 4 5 _ 4 7 ． [ 3] 刘希圣 ． 钻井工艺原理 中册[ M]． 北京石油工业 出版 社 ． 1 9 8 81 8 ． 3 0 ． L I U Xi s h e n g ． P ri n c l e s o f d r i l l i n g t e c h n o l o g y 2 n d v o l u me s [ M]． B e i j i n g P e t r o l e u m I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 8 1 8 3 0 ． [ 4] 杜春常 ． 深井水力设计及方法 [ J ]． 石油钻采工艺， 1 9 8 9 ， l 1 5 1 8 ． DU Ch u n c h a n g ． P r i n c i p l e s a n d me t h o d f o r wa t e r p o we r i n d e e p we l l [ J ]． O i l D ri l l i n gP r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , 1 9 8 9 ． 1 1 5 1 - 8 ． 修 改稿收到 日期2 0 0 9 ． 0 7 ． 0 3 [ 编辑薛改珍 ]