控压钻井技术研究.pdf

第 6卷 第 4期 2010年 12月 新疆石油天然气 X injiang Oil 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, 更经济地完成其它技术不可 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。 2 . 2 控压钻井与欠平衡钻井 控压钻井起源于欠平衡钻井, 二者有类似之 处, 许多欠平衡设备同样适用于控压钻井作业, 且 控压钻井发展初期主要依靠欠平衡钻井理论和设 备, 但是这两种工艺从压力控制目标、 实现目标的 装备配套等方面均有一定区别。更重要的是这两 种工艺从井底压力控制目标、 施工目的、 设备配置 与地质工程效果等方面存在差别。 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, 但其它配套设备更为复杂。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 井 底压 力 随钻 测 量系 统 PressureMeasureWhile Drilling, P WD, 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]。 2 . 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 组成 [ 9- 10], 即 BHP Pm AFP Pc Paf 1 式中 BHP 为井底压力, Pm为环空液柱压力, AEP 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候不压漏地 层时, 当井内静止时地层流体就会流向井筒 BHP 静态 Pp 时, 循环条件下又会造成井漏 BHP动态 PF, 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 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 BHP在 安全密度窗口内, 当循环停止时, 在井口精确施加 一定量的回压 Pc , 以维持静态 BHP 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 33 新疆石油天然气 2010年 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。 3 控压钻井系统的组成 我院开发的控制压力钻井系统是基于井底恒 压钻井技术的一种。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 、 回压补偿五部分构成。 系统构架如图 2。 图 2 控制压力钻井系统框架图 3 . 1 MPD钻井参数监测系统 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 W orks三个软件构成。 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 W I TS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 。 3 . 2 MPD决策分析系统 决策分析系统包括以下四大模块 见图 4 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 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它 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。 34 第 6卷第 4期 伊明等 控压钻井技术研究 图 3 MPD钻井参数监测系统构成 图 4 MPD决策分析系统框架图 3 . 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。 3 . 4 MPD指令执行系统 自动节流控制管汇 自动节流管汇系统主要由带液压执行机构的 三只节流阀、 三只平板阀、 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。连接形式如图 5。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。 4 控压钻井几个关键工艺的实现方 法 基于恒定井底压力控压钻井有几个关键环节, 这几个环节包括 1钻进过程中因工程参数 主要是流量 变化 导致的循环压耗的改变目标套压的调整; 2单根钻进完成后, 钻井液由循环转为停止, 压力补偿控制调整; 3接单根完成后, 钻井液由停止转为循环, 压 力补偿控制调整。 为实现以上关键环节, 设计了如下压力控制工艺。 35 新疆石油天然气 2010年 4 . 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 力控制流程如图 6 。 4 . 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 AJ1与 AJ3 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 AJ3控制。 接单根完成后, 逐渐打开钻井泵, 通过 AJ1与 AJ3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 AJ1单独 控制压力, 继续钻进。 具体控制流程如下 1按照控压钻井排量循环, 准备停泵; 2启动回压泵, 打开节流阀 AJ3循环, 自动控 制阀前压力。此时隔离阀 BZ3保持关闭; 3AJ1与 AJ3节流阀联调, 待节流阀 AJ3和节 流阀 AJ1压力匹配后, 打开隔离阀 BZ3, 由节流阀 AJ3自动调整井口压力, 进行接单根操作。 ; 4接单根完成后, 开始循环, 逐渐增加钻井泵 排量至钻进排量, 并逐渐打开节流阀 AJ1相应调整 井口压力; 5待节流阀 AJ3和节流阀 AJ1压力匹配后, 关 闭隔离阀 BZ3, 回压泵停止循环, 通过节流阀 AJ1单 独控制压力进行钻进。 5 控压钻井系统室内实验 为验证研发的系统能否实现控压钻井几个关 36 第 6卷第 4期 伊明等 控压钻井技术研究 键工艺, 进行了虚拟井钻井过程模拟, 实验连接流 程如图 7。实验条件 1钻进工况 QAJ1/QAJ2 9 L /s 。 2停泵接单根工况 QAJ 1/QAJ2 5 L /s 、 QAJ 3 4L /s 。 钻进工况及接单根工况模拟压力控制曲线如 下 见 8- 10 6 结论及建议 1介绍了我院开发的基于恒定井底压力控制 系统, 经过系统测试与室内实验, 初步确定系统可 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实验表明, 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。 4通过对系统室内实验数据分析, 评价该系 统已具备上现场试验的基本条件, 建议进行现场试 验综合评价。 下转第 51页 37 第 6卷第 4期 保万明等 新型管外封窜工艺技术的研究与应用 表 3 措施效果统计表 井号 措施前产状措施后产状对比 日产液 m3/d 日产油 t/d 含水率 日产液 m3/d 日产油 t/d 含水率 日产液 m3/d 日产油 t/d 含水率 累计增油 红南 2- 2719 . 11. 998724 . 213. 57305. 111 . 58- 57501 红南 2- 2830 . 36010012. 157 . 7815- 18 . 217 . 78- 85318. 13 4 结论与建议 1从现场试验应用情况来看, 达到了油水井 管外封窜的目标, 且封窜后措施效果明显。 2解决了使用水泥承留器循环封窜后期必须 大修处理及笼统挤封效果不理想的问题。 3降低了管外封窜的风险, 减少了作业周期 和作业费用, 大大降低了成本。 4建议下步做岩心伤害实验, 确定挤封工艺 岩心伤害深度, 优化水泥浆配方体系和施工工艺, 降低地层伤害和提高封堵效果。 参考文献 [ 1]刘景三. 超细水泥在油田开发中的应用 [ J]. , 油气采 收率技术 [ J]. 1998 , 2 5 41- 46 [ 2]万仁薄. 采油技术手册 第五分册 [M ] . 北京 石油工 业出版社, 1997. 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Associationw ith the feature of available coring tool and technology of our company, we proposed our thoughts about the development of conglomerate coring tool and technology in the future . KeyW ords Conglomerate ; Coring RESEARCH ON MANAGED PRESSURE DRILLING TECHNOLOGY / YiM ing, Chen Ruo m ing, Yang Gang. CNPC Western Drilling Engineering Company Li m ited, Karamay 834000/Xinjiang ShiYou T ianRan Qi, 2010 , 6 4 32 37 Abstract Managed pressure drilling technology has been the hot topics of research and development drilling technique in recent years for its effective capacity to solve various drilling complexities such askick and loss, and advance drill ti me efficiency while drilling w ith narrow densityw indow. M anaged pressure drilling technology has several variations,including constant bottomhole pressure CBHP MPD,continuous circulating drilling and dual gradient drilling. This paperm ainly presented the CBHP- MPD syste m that is researched and developed by our institute ,and its process to achieve pressure control w ith this system and the laboratory test data were put for ward finally . KeyW ordsManaged pressure drilling , Narrow density w indow,Self- feedback,Signal acquisition ,Pressure control DEVELOPMENT OF THE PWD SYSTEM W ITH TRAJECTORY M EASUREM ENT FUNCTION / Zhou qiang, Zhao bao zhong, Xu xin niu, et al. Kara may DTRI of CNPC X ibu Drilling Engineering Company, Kara may, X injiang 834000/X injiang ShiYou T ianRan Qi, 2010, 64 38 41 Abstract The bottom hole pressuremonitoring system while drilling using the mud pulse called “P WD“ system by the drilling industry refers to a set of real ti me drilling monitoring system which dynam ically gathers the real bottom hole pressure ,a key drilling parameter ,transm its the m using the hydraulic pulse in real ti me ,accepts them at surface and decodes them into the bottom hole pressure value. MWD w irelessmeasurement instru m ent is a kind of measuring instru m ent monitoring the well trajectories in real ti me and guiding the well trajectory