海洋控压钻井技术探讨与展望.pdf

刘志忠 等 大港数字油田建设新进展 海洋控压钻井技术可以保持钻进过程井底压力相 对稳定，对井下状况进行随钻测量 ，进行更加细致定 量地分析与预测 ，防止浅层气体侵人井筒 ，维护松软 地层的井壁稳定 ，防止井 口塌陷，减少浅表层问题对 钻井作业带来的危害。 1 ． 3 解决了隔水管进气对深水钻井的影响问题 当使用油基钻井液和混合基钻井液进行深水钻井 作业时，气侵很难在第一时间被检测到；当隔水管长 度大于 1 2 0 0 m时，直到气体溢出海底防喷器时才能够 察觉到气侵 ，这就导致了隔水管中进人气体。隔水管 中的气体通常是通过平台上的分离器进行排 出，但因 其排量很小，所以在气量较大的情况下会有风险。深 水钻井作业中大都需要安装隔水管气体控制系统 R i s e r G a s H a n d i n g S y s t e m，通过人为调节节流管汇来排出 隔水管 中的气体，对隔水管进气的判断依赖于平台上 的常规气体检测系统，对环空进气 的反映和排气的操 作都 比较慢 ，易出现风险隐患 【 5 】 。 海洋控压钻井过程中对井底压力实时监测，可以 第一时间发现气侵 ，实时进行压力控制，减少隔水管 中进气的可能性，并与相关装备结合 ，形成一种新的 隔水管气体控制系统 R i s e r G a s R i s k M i t i g a t i o n ，简称 R G R M，即通过地面的压力控制避免气体进入隔水 管，在隔水管进气后通过 自动节流管汇调节压力 ，平 稳地循环排出隔水管中的气体，保证钻井作业安全。 1 ．4减少非生产时 间。降低作业成本 海洋钻井中， 钻井作业费用高昂， 远高于陆地钻井 。 控压钻井技术可以保持井底压力相对稳定，减少井底 复杂状况 的出现，节约作业 中的非生产时间，有的甚 至可以节省 2 0 ％ 的作业时间，大大降低了作业费用， 提 高 了效 益 。同时 ，控 压钻 井技术 可 以有 效减 少套 管 下人的层数，通过较少的套管层数到达指定 目的层或 井深 ，从而减少管柱费用 ，降低作业成本。 2 海洋控压钻 井技术方式 随着海洋控压钻井技术的不断发展与应用，衍生 出了多种控压钻井的方式 ，当今世界海洋控压钻井技 术的主要方式分为以下 4 种。 2 ． 1 井底恒压控压钻井技术 井底 恒压控压 钻井技术 C o n s t a n t B o t t o m H o l e P r e s s u r e ，简称 C B HP适用于窄密度窗 口和未知密度 窗 口情况下的钻井作业 ，可通过调节井 口回压维持井 底压力等于或略大于地层压力，保证钻井作业安全 、 高效。可通过以下方程来描述 Pl t f 1 式 中， P l 为井底压力 ，MP a ； P 为环空液柱压 力 ，MP a ； P 为环 空循环 压耗 ，MP a ； P 为井 口回压 ， M P a ； P f 为压力 波动 ，M P a 。 井底恒压控压钻井装备的布置如图 1 所示 ，主要 是在旋转防喷器与液气分离器之间加入一个 自动节流 管汇系统，根据井底压力实时调整井 口回压，维持井 底压力相对稳定 ，保证井筒内的压力满足地层密度窗 口的要求。井底恒压控压钻井技术适用于处理海洋窄 密度窗口、浅表层钻井等问题。 平 台上的节流暂汇 图 1 井底 恒压控 压钻井技术装备布置示意图 2 ．2 泥浆帽钻井技术 泥浆帽钻井技术 P r e s s u ri z e d Mu d C a p D ri l l i n g ，简 称 P M C D主要用于钻较深地层 的高压裂缝层 ，在亚太 地区广泛应用，该地区近 2 0 ％ 的钻井作业因遇到溶洞 地 层而 导致钻 井液 大量漏 失 ，泥 浆帽钻 井技术 是解 决 这类问题的主要方法之一。 泥浆帽钻井技术作业是向环空注入高密度钻井液， 钻杆中注入 “ 牺牲流体”；通常牺牲流体密度较低， 以此获得较高 的机械钻速。牺牲流体与环空注入的高 密度钻井液在环空相遇 ， 形成钻井液一牺牲流体界面， 界面以上的高密度钻井液被称为泥浆帽。 采用低密度、 低成本的流体进行泥浆帽钻井的原理如图 2 所示 】 。 2 0 1 5年第 3期 石油科技论坛5 7 压力 图 2泥浆帽钻 井原理 图 此方法已在海洋钻井作业 中获得成功应用，对解 决海洋钻井中遇到的溶洞型及裂缝地层导致的严重漏 失有良好效果。泥浆帽钻井技术装备布置如图 3 所示。 接防喷 体管线 图 3 海洋应 用泥浆帽钻井的井 口装备示意图 日常作业中，泥浆帽钻井技术通常与井底恒压控 压钻井技术方法相结合 ，既可以在漏失解决后维持井 筒压力 稳定 ，也 弥补 了井底恒压 钻井技 术在处 理漏 失 时的缺陷，使钻井作业安全地通过漏失井段，降低了 作业风险。 2 ．3 双梯度钻井技术 双梯度钻井 D u a l G r a d i e n t D r i l l i n g ，简称 D G D 5 8 石油科技论坛 2 0 1 5年第 3期 作业时，隔水管内充满海水 或不使用隔水管 ，通 过海底 泵 和小 直径 回流管 线旁路 回输钻 井液 ；或 在 隔 水管中注入低密度介质 空心微球 、 低密度流体、 气体 ， 降低隔水管环空内返回流体的密度 ， 使之与海水相当， 在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系，有 效控 制井 眼环空 压力 、井底 压力 ，确保井 底压力 处于 安全的压力窗 口之内 图 4。 海底 压力 t ／ ／ 1 ‘ 。 粲序 、 压力 图 4 双梯 度钻井静水压力梯度示意图 双梯度钻井针对深水钻井中出现的复杂问题 ，作 业中泥线以上隔水管内流体密度与海水密度相近，井 底压力的计算以海底为参考点，从而拓宽地层孑 L 隙压 力与破裂压力间的范围，大大减少井涌 、井喷和井漏 等事故 ，减少套管体系，节省套管时间和固井时间， 缩短建井周期，减少钻井时间和降低处理钻井事故的 时 间 ，更 为重要 的是该 技术 克服 了深水特 殊 的 自然环 境 、油藏条件带来的问题，可在任何水深开展地质 目 标钻 探 ，最终安 全 、高 效地 获得 高产 量 的油气 藏 0 ， 应用前景广阔 。 2 ．4 H SE控压钻 井技术 H S E控 压 钻井 技 术 H S E MP D又称 回流控 制 R e t u r n F l o w C o n t r o 1 钻井技术 ，可将钻井液返 回到钻 台上，满足健康 、安全、环保的目的。通过采用闭合 、 承压的钻井液循环系统 ，降低钻井、地层流体及井控 事故对人员、设备和环境造成的风险。钻井过程中若 有流体侵入，回流管线将被关闭，同时立即导流至节 流管汇，侵入流体被安全控制并循环出井眼。使用旋 转防喷器可以避免关闭闸板防喷器 ，将碳氢化合物释 放至钻台的可能性降至最低 ，且在循环出侵入流体或 翟小强 等 海洋控压钻井技术探讨与展望 在处理气侵钻井液过程中允许活动钻柱。HS E控压钻 井系统的设备摆放如图 5所示。 液气分离器 图 5 H S E控压钻井技术装备布置示意 图 3 国内海洋控压钻 井技术存在 问题 海洋控压钻井技术已经应用于全球很多地区，均 取得良好的效果和回报，特别是在亚太地 区应用十分 广泛，一些地区将海洋控压钻井装备作为钻井作业的 标准装备安放在平台上。我国海洋控压钻井还刚刚起 步 ，在应用方面还存在一些问题。 一 是受到海洋钻井平台空间与运输条件的限制。 海洋钻井平台上的设备安置和作业空间相对有限， 目前我国陆地上使用的控压钻井设备体积和重量均较 大 ，不易在海洋钻井平 台上摆放和安装 ，拖航也会产 生不便。现阶段我国新建造的海洋平台，并未给控压 钻井设备预留作业的位置和空间。 二是 海洋钻井中应 用控压 钻井 的环境 尚不成熟 。 我 国现阶段 的海洋 钻井 作业 多数为 浅海钻 井 ，深 水和超深水钻井作业仍处于起步阶段，所遇到的窄密 度窗口、浅层流等问题对钻井作业的影响尚不 明显 ， 由于钻井作业周期并不长，使用控压钻井技术减少非 生产时间、增速的效果还不显著，加之当前控压钻井 的服务费用并不低，使用控压钻井技术并不一定能降 低作业成本，从而造成现阶段控压钻井在我 国海洋钻 井中未获广泛应用。但随着我 国钻井不断向深水、超 深水领域发展，作业难度不断增加，控压钻井技术将 会有广阔的应用前景 。 4 国内海洋控压钻井技术研究方 向 海洋控压钻井技术与陆地控压钻井技术从装备到 工艺都有着很大的差异 ，海洋控压钻井关键技术研究 在国内基本处于空白阶段。根据我国目前海洋钻井水 平，海洋控压钻井应着重进行以下 3方面研究。 4 ． 1 海洋控压钻井适用性研究 分 析 当前 国 际上现有 海洋控 压钻 井设 备 的类 型 、 结构、原理、功能、工艺流程及配套技术等内容 ，了 解使用限制与优缺点，针对海洋钻井及我国深水地质 与环境特点，深入研究我国应用各种海洋控压钻井的 可行性 和适 用性 。 4 ．2 海洋控压钻井装备研究 海洋控压钻井装备与陆地控压钻井设备差异很大， 而这些差异是限制控压钻井进行海上作业的关键问题， 需要着重深入研究。 海洋钻井因受平台工作面积限制、 天气条件恶劣 、设备运输困难等条件的制约，对海上 钻井装备应用提出了更高的要求 ，针对海洋钻井作业 的限制 ，分析对控压钻井装备可能产生的影响，研究 海洋控压钻井装备作业需注意的问题和可能出现的隐 患。同时根据海洋钻井装备制造标准，优化海洋控压 钻井装备 ，提出工作的基本条件和技术要求。 4 ．3 海洋控压钻井工艺研究 海洋控压钻井作业要面对泥线浅层气、浅层流活 跃 ，部分地 区存在水合物 ，浅层地层破裂压力低，窄 密度窗 口，海洋井控风险高、后果严重 ，井控安全余 量小等影响钻井安全的问题 ，借鉴 国外成熟工艺和经 验，从水力学、井筒压力控制工艺、自动控制技术 、 计算机技术人手 ，开展海洋控压钻井工艺的研究。 5 结语 1 控压钻井技术对 于解决深水 钻井 中的涌 、 漏 、 卡、塌等井下复杂状况有着独特的优势 ，在国外 的海 洋钻井作业中得到了广泛应用 ， 对防止钻井事故发生、 保护 储层 、减少钻 井作 业 时间 、降低 作业 费用 等方 面 均取得 了良好 的效果 。 2 我 国海洋控压钻井技术的研究需要掌握当前 国际海洋控压钻井技术和装备的核心技术，开展适用 性研究，发展我国的技术与装备。 3 海洋控压钻井技术的发展对提高我国深水钻 2 0 1 5年第 3期 石 油科技 论坛5 9 井技术的水平具有促进作用，对减少或降低深水钻井 工程风险具有重要意义。拥有这项技术与装备，可以 极大地提高我国深水油气开发产业的国际竞争力 ，有 效开发我国深水油气资源，维护国家海洋权益。 【 参考文献 】 [ 1 ] Ra mi r z e S ， Ag u l i a r R， Hr e e e r a R． F i r s t MP D a u t o ma t e d s y s t e m a p p l i c a t i o n i n o ff s h o r e g u l fo f M e x i c o we l l c o n fi r ms me t h o d ， Hu g e Be n e fi t s [ C] ． S P E 1 3 8 9 0 7 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 王炳诚 ， 严续朝 ， 陈元 ， 等 ． 进军深水 中国石油 可持续发展的战略思考 卟 石油科技论坛 ， 2 0 1 4 ， 3 3 4 1 7． W a n g Bi n g c h e n g ， Ya n Xu c h a o ， Ch e n Yu a n ， e t a 1 ． De e p wa t e r -- s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t s t r a t e g y o f CNPC[ J 】 ． Oi l F o r u m， 2 0 1 4 ， 3 2 4 1 7 ． 【 3 】 陈若铭 ， 伊明 ， 杨刚 ． 精 细控 压钻 井系统 U 1 ． 石油科 技论坛 ， 2 0 1 3 ， 3 2 3 5 5 5 7 ， 6 1 ． Che n R u o m i ng ， Y i M i n g ， Ya n g Ga n g ． P r e c i s e p r e s s u r e c o n t r o l l e d d ri l l i n g s y s t e mU ] ． Oi l F o r u m， 3 2 3 5 5 5 7 ， 6 1 ． [ 4 1 4 8 祥 ， 王辉 ， 任荣权 ， 等 ． 海洋深水钻井关键技术 及设备 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 2 1 4 ． Ho u F u x i a n g , W a n g Hu i ， Re n Ro n g q u an ， e t a 1 ．Ke y t e c h n o l o g y a n d e q u i p me n t o f d e e p wa t e r d r i l l i n g【 『 】 ． Oi l F i e l d Eq u i p me n t ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 2 1 4 ． 【 5 ] S a mma t E， P a v e s i I L ， Be s e n z o n i L ． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i ll i n g e x p e ri e n c e o n d e e p wa t e r a p p li c a t i o n i n we s t Af r a i c a [ C ] ． S PE／ I AD C 1 6 3 4 9 7 ， 2 01 3 ． [ 6 ] 周英操 ， 崔猛 ， 查永进 ． 控压钻井技术探讨与展望 卟 石油钻探技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 4 1 4 ． Zh o u Yi n g c a o ， Cu i Me n g ， Zh a Yo n g j i n ． Di s c u s s i o n a n d p r o s p e c t o f ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g t e c h n o l o g y U 】 ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g Te c h n i q u e s ， 2 0 0 8 ， 3 6 4 1 4 ． [ 7 ] 王子健 ． 控制泥浆帽压力钻 井工 艺技 术研 究 [ D 】 ． 东 营 中国石油大学 华东 ， 2 0 0 9 ． W a n g Zi j i a n． S t u d y o f c o n t r o l l e d mu d c a p d r i l l i n g t e c h n o l o g y [ D] ． Do n g y i n g Ch i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， Hua d o n g Ca mp us ， 2 0 0 9 ． [ 8 ] 殷志明 ． 新 型深水双梯度钻 井系统原理 、方法及应 用研究 【 D】 ． 东营 中国石 油大学 华 东 ， 2 0 0 7 ． Yi n Zhi mi n g ． Ne wd u a l g r a d i e n t d e e p wa t e r d r i l l i n g s y s t e ms p r i n c i p l e ， me t h o d a n d a p p l i c a t i o n【 D】 ． Do n g y i n g Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Hu a d o n g Ca mpu s ， 2 0 0 7 ． 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 1 1 Pr o s pe c t o f Of f s ho r e M a na g e d Pr e s s ur e Dr i l l i n g Te c hno l o g y Zh a i Xi a o q i a ng ， Wa n g J i n l e i 一， Li Pe n g f e i ， Hu a n g Zh e 一， We n Xi a o s o n g 1 ． C N P C D r i l l i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 2 2 0 6 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e i j i n g ， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a Abs t r a c t Offs h o r e o i l a n d g a s e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t a r e e x t e n d i n g i n t o d e e p wa t e r a r e a s ． Th e d o wn h o l e c o mpl i c a t e d t r o u b l e s i n d e e p w a t e r d ri l l i n g s e r v i c e ， s u c h a s k i c k s ， l e a k a g e s ， s t i c k i n g a n d c o l l a p s e ， b e c o me ma j o r b o t t l e n e c k s f o r d e e p w a t e r o i l a n d g a s e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t ． T h e r e f o r e ， o ff s h o r e ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g MP D t e c h n o l o g y i s e x t e n s i v e l y a d o p t e d a b r o a d t o s o l v e s u c h p r o b l e ms a s d r i l l i n g i n n a r r o w d e n s i t y wi n d o w, o p e r a t i o n o n o c e a ni c s u r f a c e ， g a s k i c k i n d r i l l i n g r i s e r s ， p r e v e n t i o n o f d r i l l i n g a c c i d e n t s ， p r o t e c t i o n o f r e s e rvo i r s ， an d r e d u c t i o n o f o p e r a t i o n a l t i me a n d s e rvi c e c o s t ． Th i s p a p e r i n tro d u c e s t he c h a r a c t e ris t i c s a n d a p p l i c a t i o n o f f o ur ma i n t e c hn o l o g i e s ， s u c h a s c o n s t a n t p r e s s ure a n d man a g e d p r e s s u r e d r i l l i ng t e c hn o l o gy , s l u r r y c a p d r i l l i n g t e c h no l o gy , d u a l -g r a d i e n t d r i l l i n g t e c hn o l o g y a n d HS E p r e s s ure -c o n tro l l e d d r i l l i n g t e c hn o l o gy ． I t a l s o a n a l y z e s t h e c u r r e n t p r o b l e ms e x i s t i n g i n d o me s t i c d e v e l o p me n t o f o ffs h o r e M P D t e c hn o l o gy a n d po i n t s o u t t he f ut u r e r e s e arc h e ffo r t s s h o u l d b e f o c u s e d o n a p p l i c a b i l i ty, e q u i p me n t and p r o c e s s o f o ffs h o r e MP D t e c hno l o gy ． Ke y wo r d s o f f s h o r e ， o i l a n d g a s e x pl o r a t i o n ， ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g ， n a r r o w d e n s i t y wi n d o w， d r i l l i n g r i s k， a p pl i c a b i l i t y 6 0 石油科技论坛 2 0 1 5年第 3期