控压钻井系统研究.pdf

第 32 卷 增刊 2010 年 11 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Engineering Technology and Market Development Department of Western Drilling Engineering Company, Petrochina, Karamay 834000, China） Abstract Pressure controlling drilling technology has attracted domestic interests in research and development due to its advan- tages as decreasing well blowout and ing in low permeability window opening drilling operation as well as improving drilling efficiency. This paper focuses on pressure controlling drilling system independently developed by us based on the bottomhole constant pressure. And the framework structure as well as connections and logical relation between subsystems are also introduced. Aiming at related problems with pressure control in drilling technologies transation, the of pressure control conjugation is proposed in this paper. Key words pressure controlling drilling; low permeability window opening; self-feedback; signal acquisition; pressure control 随着国内石油勘探与开发向深部复杂地层的不 断发展， 窄密度窗口安全钻井的问题越来越突出， 常 出现诸如井涌、 井漏、 有害气体泄漏、 起下钻时间过 长等钻井复杂。窄密度窗口安全钻井问题已经是造 成深井、 高温高压井等钻井周期长、 事故频繁、 井下 复杂的主要原因， 成为影响和制约石油勘探开发进 程的技术瓶颈。 针对窄密度窗口的安全钻井问题， 目前国外常用 的方法是控压钻井技术， 即 MPD（ Managed Press ure Drilling ） 。控压钻井的概念由美国 Wetherford 公司在 2004 年举行的 SPE/IADC 钻井会议上首次提出［1］， 该 技术与欠平衡钻井（ UBD ） 和空气钻井（ Air Drilling ） 技术被 IADC 划分为钻井过程中的控制压力钻井的 三大体系［2］。控压钻井技术的关键是将钻井循环流 体系统作为一个压力容器进行控制， 完成相关钻井作 业， 可解决钻井中的复杂压力控制问题， 通过降低非 生产时间和减少钻井风险来优化钻井工艺。 MPD 有 4 种主要应用方式［3-6］恒定井底压力 MPD（CBHP MPD） 、 泥浆帽钻井（MCD）和双梯度 钻井（DG MPD） 、 健康安全环境技术（HSE MPD） ， 目前已成功应用一百余口井。国内西南石油大学及 中石油钻井院等进行了相关的攻关研究， 塔里木油 作者简介伊明， 1972 年生。2007 年毕业于中国石油大学（北京） 油气井工程专业硕士研究生， 现为是欠平衡公司经理， 主要从事欠平 衡钻井、 控压钻井技术研究及推广工作， 高级工程师。电话 0990-6887368， E-mail yiming2006。 石油钻采工艺 2010 年 11 月（第 32 卷） 增刊70 田等进行了国外先进的控压钻井技术的引进与应 用， 目前国内整体水平尚处于起步阶段。 1 控压钻井概念及压力控制原理 1.1 控压钻井（ MPD ） 的定义 国际钻井承包商协会欠平衡作业与控制压力委 员会定义 MPD 是用于精确控制整个井眼压力剖面 的实用钻井程序， 其目的在于保持井底压力在设定 的范围以内。目前， 国内部分学者从广义角度叫 “管 理压力钻井” ， 认为 MPD 包括过平衡、 近平衡、 欠平 衡钻井等一系列钻井工艺， 现场把 MPD 称作是“控 制压力钻井技术” ， 其主要技术特点和核心的技术目 标是 （1）将工具与工艺相结合， 通过预先控制环空 压力剖面， 可以减少窄安全密度窗口钻井相关的风 险和投资； （2）可以对回压、 流体密度、 流体流变性、 环空液面、 循环摩擦力和井眼几何尺寸进行综合分 析并加以控制； （3）可以快速应对、 处理观察到的压 力变化， 能够动态控制环空压力， 更经济地完成其他 技术不可能完成的钻井作业； （4） 可用于避免地层流 体侵入， 操作（包括用适当的工艺） 发生的任何流动 都是安全的。 1.2 控压钻井与欠平衡钻井的区别 （1） 对井底压力控制的区别。控压钻井属于过平 衡钻井， 通过精确控制钻进、 起下钻作业过程中的环 空压力剖面， 保持井底压力大于或等于地层的孔隙 压力。而欠平衡钻井过程中井底压力小于地层的孔 隙压力， 允许地层流体进入井筒， 有效控制循环至地 面处理实施“边喷边钻” ， 而控压钻井过程中地层没 有流体产出。 （2） 施工目的不一样。欠平衡钻井主要解决储层 伤害问题， 提高机械钻速。控压钻井主要是为了解 决窄安全密度窗口带来的井漏、 井塌、 卡钻、 井涌等 井下复杂问题， 因为作业时采用闭式压力控制系统， 更适合于控制井涌、 井漏， 通过动态压力控制或自动 节流控制， 可以快速控制地层流体侵入井内， 安全性 高。 （3） 装备配套的区别。大多数情况下， 欠平衡设 备可用于控压钻井， 而为控压钻井所设计的分离设 备的处理能力较小， 但其他配套设备更为复杂。欠 平衡钻井中所采用的辅助流动管线、 储备罐及地质 取样设备在控压钻井中不需要。控压钻井的目标 是对井筒压力进行精确控制， 以保持钻井作业各个 状态井底压力的恒定。实现控压钻井目标， 除欠平 衡钻井所需的旋转防喷器之外， 还需要一些关键装 备的配套才能实现， 如需要井底压力随钻测量系统 （Pressure Measure While Drilling， PWD） ， 地面自动节 流控制系统， 柱塞泵压力补偿系统， 地面数据采集以 及数据处理、 软件支持与信号指令系统等。 （4） 地质工程效果方面的区别。欠平衡钻井能够 获得地层地质特征参数与综合地质分析；而控压钻 井是将地层流体压制在地层中， 因此对产层的识别 以及岩石物性不能直接进行评估， 但可通过随钻测 井（LWD） 仪进行储层评估［7-8］。 1.3 压力控制原理 钻井过程中， 井筒中任一点的环空压力由井筒 液柱压力、 环空循环压耗（钻井液循环时的环空流 动阻力） 、 井口回压、 循环过程中产生的压力波动（如 激动压力、 抽吸压力、 侵入井内地层流体引起的压力 波动） 等组成［9-10］， 即 pHpmpApcpaf （1） 式中， pH为井底压力， pm为环空液柱压力， pA为环空 循环压耗， pc为井口回压， paf为环空循环压力波动， 单位 MPa。 常规钻井过程中， 调节钻井液密度是关键的控 制手段， 但这种方法时效性较差；通过调节循环排 量的方式也能实现对井底压力的控制， 但是由于系 统缺乏有效的封闭性， 在起下钻和接单根时（钻井液 循环停止） ， 缺乏实现连续压力控制的有效手段。但 对于复杂地层而言， 仅通过调整钻井液密度并不能 满足要求， 如图 1 （a） 所示的窄安全密度窗口情况下， 降低钻井液密度满足动态循环时不压漏地层时， 当 井内静止时地层流体就会流向井筒；而提高钻井液 密度满足静态 pHpp时， 循环条件下又会造成井漏， 按照常规钻井的压力控制方式， 复杂情况无法避免。 图 1 井筒压力剖面控制示意图（a- 常规钻井； b-MPD） 控压钻井过程中， 如图 1 （b） 所示， 可以使用较低 的钻井液密度， 保持循环状态下的动态 pH在安全密 度窗口内， 当循环停止时， 在井口精确施加一定量的 71伊 明等控压钻井系统研究 回压 pc， 以维持静态 pH在安全密度窗口内， 保证钻 井安全， 理想的情况是静止时施加的井口回压等于 环空循环压耗值。 控压钻井采用的钻井液密度低于孔隙压力当量 密度， 但这并非欠平衡钻井， 因为， 总的钻井液当量 密度仍高于地层孔隙压力。在这种情况下， 对发生 意外侵入的流体可以使用 MPD 地面装置使侵人流 体得到控制。 2 控压钻井系统的组成 基于井底恒压钻井技术开发了一种控制压力钻 井系统。系统开发的目标是围绕井筒压力控制， 以实现钻进、 起下钻、 接单根过程中的压力平稳衔 接。该系统主要由钻井参数监测系统、 决策分析系 统、 电控系统、 指令执行系统 （即自动节流控制管汇） 、 回压补偿 5 个部分构成。系统构架见图 2。 图 2 控制压力钻井系统框架图 2.1 MPD 钻井参数监测系统 由硬件、 软件两部分构成。系统硬件主要由 PWD 井下仪器、 地面压力传感器、 泥浆泵泵冲传感 器、 进出口排量监测装置、 滚筒圈数记录深度传感 器以及大钩载荷传感器等构成。系统软件主要由 CAN Navigator、 DMS、 Data Works 3 个软件构成。 MPD 钻井参数监测系统主要功能是对井下 PWD 随钻环空压力、 立管压力、 泥浆泵冲数、 井深、 大钩载荷等参数进行实时采集、 监测。同时， MPD 钻井参数监测系统通过 WITS 连接方式， 为控压钻 井提供公共数据处理中心。将采集到的钻井参数作 为整个系统的公共数据， 提供给其他分系统， 以实现 各分系统间的数据交互， 为控压钻井决策提供数据 支持。采集原理如图 3 所示。 图 3 MPD 钻井参数监测系统构成 2.2 MPD 决策分析系统 决策分析系统包括以下 4 大模块 （1） 非实时输入模块。用于钻前（或者依据实际 情况更新）输入决策分析系统计算相关的一些原始 数据， 例如井身结构、 下部钻具组合、 井眼轨迹、 钻井 液性能数据等。 （2） 水力学计算模型。根据输入的非实时基础数 据以及 MPD 钻井参数监测系统得到的相关钻井参 数， 进行实时两相流模拟计算， 得到压力控制的目标 （套压） 。 （3） 逻辑判断模块。决策分析系统的逻辑判断模 块能够根据井下 PWD、 钻井参数监测系统以及电控 系统、 指令执行（自动节流控制管汇） 反馈的信息进 行分析、 判断， 实现实时决策的功能。 （4） 控制模块。该模块的主要功能是完成与其他 系统之间的通讯及数据交互， 负责向电控系统发出 相应的调整指令， 并监控指令的执行情况。 2.3 MPD 电控系统 电控系统作为控压钻井系统的重要一环， 接收 决策分析系统的工作指令并进行处理。同时向下位 机发送指令， 来实现对自动节流控制管汇各液控节 流阀和液控平板阀进行控制， 并监控各节流阀开度 及平板阀的开关状态。电控系统的主要功能如下 （1） 实时采集并向钻井参数监测系统发送套管压 力、 节流管汇出口流量、 节流管汇闸板阀工作状态、 节流阀开度指示、 回压泵流量、 回压泵压力、 回压泵 工作状态等参数。同时接收工况、 目标套压、 入口钻 井液流量等参数。 （2） 根据决策分析系统的控制信号、 指令要求， 电 控系统能进行处理并发出相应指令， 控制自动节流 阀组， 调节节流阀开度， 达到压力控制要求。同时， 指令控制自动节流管汇各节流阀的控制模式、 各平 板阀的开关次序， 完成钻进、 接单根、 起下钻工艺流 程的转换。 石油钻采工艺 2010 年 11 月（第 32 卷） 增刊72 2.4 MPD 指令执行系统 自动节流管汇系统主要由带液压执行机构的 3 只节流阀、 3 只平板阀、 液压控制柜、 液控阀与液压控 制柜连接管线、 压力采集单元、 阀位显示单元与质量 流量计等构成。在 MPD 指令执行系统中， 液压控制 柜主要功能是接收来自电控系统的电信号， 在液压 控制柜内设计有执行电路与电磁阀， 电磁阀主要功 能是接收来自电控系统的工作指令， 将控制信号转 换为推动液动平板阀液缸动作的液压信号， 以实现 将电信号变量转换为节流阀开度变量， 达到节流压 力调整的目标。 在 MPD 指令执行系统中， 流量计主要功能是采 集经过自动节流管汇出口液体量的变化， 为控压钻 井过程中“井漏” 、“溢流” 的判断提供参考。 3 控压钻井几个关键工艺的实现方法 3.1 钻进工况下的压力控制方法 钻进工况下， MPD 决策分析系统依据采集的排 量、 套压、 井下 PWD 数据， 实时比对实际井筒压力与 目标压力。依据其差值， 相应给出节流阀控制信号， 以实现对井筒压力控制的目标。钻进工况下压力控 制流程见图 4。 图 4 钻进工况下的压力控制流程 3.2 停泵接单根井筒压力控制方法 控压钻井停泵接单根井筒压力控制采用回压泵 配合的方式完成。停泵之前将回压泵打开， 停泵过 程中（钻井泵排量逐渐降低至零）通过 2 个节流阀 联调进行压力控制， 钻井泵完全停止后， 通过回压泵 在井口增加部分回压以补偿环空循环压耗， 从而实 现停泵过程中的井筒压力平稳过渡。 停止循环接单根过程中， 井口套压由节流阀控 制。接单根完成后， 逐渐打开钻井泵， 通过 2 个节流 阀联调进行压力控制， 直至钻井泵排量恢复至正常 钻进排量， 可关闭回压泵， 转入单个节流阀单独控制 压力， 继续钻进。 4 结论及建议 （1） 基于恒定井底压力控制系统研制成功， 经过 系统测试， 初步确定该系统可满足钻井工况压力控 制要求。 （2） 开发了一种通过回压泵介入停泵接单根井筒 压力控制的方法， 这种方法相比单阀单流量控制工 艺， 避免了其可能存在的流道全闭而带来的压力激 动问题。 （3） 开发的控压钻井系统存在调整滞后问题。建 议继续进行系统优化， 以进一步提高压力控制的响 应时间及精度。该系统已具备在现场试验应用基本 条件， 建议进行现场试验综合评价。 参考文献 ［1］ HANNEGAN Don M, Wanzer Glen.Well control considerations - offshore applications of underbalanced drilling technology［R］. 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