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◀钻井技术与装备▶ 钻井液连续循环系统在 Canteen-A09 井的应用 翟 宏 涛 (中国石化集团国际石油勘探开发有限公司特多公司) 摘要 BLOCK 2C 区块含有多套压力体系, 油气非常活跃, 钻井液密度窗口窄, 采用常规钻 井技术钻井时, 在前几口井中均出现稍低就涌、 稍高就漏的情况。 不间断循环钻井系统 (CCS 系 统) 可以在接单根或立根期间保持钻井液的不间断循环, 能够有效解决窄钻井液密度窗口的钻井 问题。 为此, 在 BLOCK 2C 区块的 Canteen-A09 井中应用 CCS 系统。 应用结果表明, 钻进过程中 井内岩屑循环较彻底, 较好地控制了循环当量密度, 使得井内压力得到较好的控制, 平稳通过了 窄密度窗口地层; 没有开泵和停泵引起的压力波动, 也减少了漏失的可能性; 测井时仪器顺利到 底, 没有出现反复通井的情况, 最终提前 4 d 完钻, 节约一百余万美元。 关键词 CCS 系统; 钻井液密度; 窄密度窗口; ECD 中图分类号 TE242 9 文献标识码 A doi 10 16082/ j cnki issn 1001-4578 2015 12 010 Application of the Continuous Circulation System in Well Canteen-A09 Zhai Hongtao (Teduo Company, Sinopec International Exploration and Production Corporation) Abstract With multiple pressure systems, Block 2C is characterized by active oil and gas production and narrow window of drilling fluid densities Application of conventional drilling techniques in some wells experienced kicks at lower pressures and lost circulation at higher pressures With capacity to maintain continuous circulation during installation of single joints or standpipes, the continuous circulation system (CCS) can effectively solve problems related to narrow windows for densities of drilling fluids The CCS was applied in Well Canteen-A09 of Block 2C The results show that cuttings are circulated thoroughly during drilling, and ECD functions properly to keep internal pressure properly controlled, so that the tool penetrates formations with narrow density window In ad⁃ dition, elimination of pressure fluctuations induced by pumping operations effectively reduces possibility of lost cir⁃ culation During logging operations, relevant instruments are deployed properly without requiring repeated drifting operations With drilling operations terminated 4 days ahead of schedule, over one million US dollars have been saved in drilling cost Key words continuous circulation system (CCS); drilling fluid density; narrow density window; ECD 0 引 言 BLOCK 2C 开发区块由于构造运动强烈挤压和 切割作用, 地层比较破碎, 具有裂缝多、 断层多和 孔隙发育的特点, 且含有多套压力体系, 油气非常 活跃, 钻井液密度窗口窄。 采用常规钻井技术钻井 时, 在前几口井中均出现了稍低就涌、 稍高就漏的 情况, 这一方面加大了钻达设计地质目标的风险, 另一方面延长了钻井周期, 增加了作业成本。 2012 年, 在该区块开展 Canteen-A09 井的钻 井工作。 针对压力敏感的井段, 即孔隙压力梯度和 地层破裂压力梯度非常接近的井段, 决定尝试使用 Varco 公司的钻井液连续循环系统。 该系统通过不 间断地循环钻井液, 能够消除由于钻井液停止循环 和开始循环这个过程带来的压力激动, 有效减小井 身压力, 保持地层稳定性, 进而精确地控制井底压 力接近或稍大于最大地层孔隙压力, 最终创造一个 64 石 油 机 械 CHINA PETROLEUM MACHINERY 2015 年 第 43 卷 第 12 期 安全的作业环境, 继续进行钻井作业。 1 连续循环钻井系统 连续 循 环 钻 井 系 统 ( Continuous Circulation System, 简称 CCS 系统) [1] 能在接单根和起下钻期 间保持钻井液的连续循环, 可在整个钻进期间实现 稳定的当量循环密度和不间断的钻屑排出, 全面改 善井眼条件, 提高了复杂地层钻井作业的成功率。 1 1 结构 CCS 系统由主机、 顶驱连接器、 分流装置、 液 压站和控制系统几部分组成。 主机是 CCS 系统的核心和执行机构, 它主要 由三闸板防喷器[1-3](中部是全封、 上下为闸板)、 强行起下钻装置、 动力卡瓦、 底座和升降系统组 成, 结构见图 1。 当上部闸板和下部闸板同时关闭 时会形成一个密闭腔。 强行起下钻装置安装于主机 顶部, 配有液压活塞, 用于提供垂向抑制力, 来帮 助钻杆进出主机的密闭腔。 主机上还配有一个用来 夹持钻杆的装置, 该装置位于水平齿轮上, 液压活 塞通过齿轮提供上卸扣操作需要的初始扭矩。 1举升液压缸; 2排液管线; 3钻井液转向阀门; 4钻井 液循环管线;5下卡瓦;6下闸板;7全封闸板;8上 闸板;9扭矩齿轮;10固定卡瓦;11强行起下钻装置。 图 1 主机结构图 Fig 1 Framework structure 顶驱连接器包括液压钳和双面吊卡, 取代了普 通顶驱吊卡, 其作用是辅助上卸扣。 由于钻杆的上 卸扣需要在 CCS 主机内部完成, 而顶驱下部的喇 叭口无法进入主机内部, 所以需要专用的配套接 头, 即每次接单根时先用顶驱连接器完成配套接头 和立柱的上扣, 再在主机内部完成新立柱与坐卡立 柱的上扣; 或者甩立柱, 先在主机内部完成立柱与 立柱的卸扣, 待起出立柱后, 再用顶驱连接器完成 配套接头和立柱的卸扣。 分流装置由钻井泵、 控制阀和钻井液管汇等组 成[3], 连接在钻井泵与立管之间。 通过它将来自钻 井泵的高压钻井液分流至立管和连接器, 并通过其 上控制阀实现接单根或立根时钻井液回路之间的切 换。 接单根时, 由它控制钻井液在顶驱和接箍体之 间的切换流动。 采用高压水龙带, 将分流管汇连接 在接箍体的侧边入口处。 分流管汇阀门由液压控制 且与主控系统相连。 液压站为 CCS 系统的液压动力源, 为主机的 执行动作提供动力。 控制系统接受操作人员的指 令, 根据指令使 CCS 系统完成相应的动作。 1 2 主要技术参数 本体高 254 cm, 最大工作压力 34 5 MPa, 最 大扭矩 108 5 kNm, 通径 228 6 mm, 主机质量 15 4 t, 适用钻杆尺寸 88 9 ~ 149 2 mm, A 侧边 宽 152 cm, B 侧边宽 188 cm, 最大伸展高度 457 cm, 最大钻井液循环 (灌浆) 流量 4 5 m3/ min。 1 3 工作原理 首先关闭上、 下半封闸板, 在防喷器内形成一 个密闭的容腔, 在容腔内填充满高压钻井液后, 利 用动力钳卸扣, 使钻杆接头脱离; 用强行起下装置 将上部钻杆提升至中间全封闸板上端, 并利用钻井 液分流装置与防喷器上的旁通阀完成钻井液循环通 道的分流切换, 即钻井液完全从防喷器上的旁通管 道泵入腔体, 而钻井泵与立管之间的通道被完全切 断; 之后关闭全封闸板, 形成上、 下 2 个密闭腔 室, 在上腔泄压后打开上半封闸板, 并提出上部钻 杆, 这样就完成了卸钻杆操作。 采用与上述相反的 控制流程可完成加接新钻杆的操作, 此时钻井液仍 不断被泵入井内, 从而实现钻井液的连续循环[3]。 2 施工方案 2 1 确定使用 CCS 的层段 根据 Canteen-A09 井的压力预测曲线 (见图 2) 和前面几口井的实际情况, 决定从三开以后使 用 CCS 系统。 2 2 钻井液密度设计 钻井液密度设计应保证各工况下钻井液密度当 量在安全密度窗口范围内, 平衡储层压力, 保证钻 井安全进行。 地层压力可从地质资料查到, 根据所 钻地区所钻井段的地质情况确定合理的井底压差; 井身结构数据和钻具组合数据从钻井设计资料查得。 742015 年 第 43 卷 第 12 期翟宏涛 钻井液连续循环系统在 Canteen-A09 井的应用 图 2 Canteen-A09 井压力预测曲线 Fig 2 Predicted pressures in Well Canteen-A09 非水平井段的环空压耗计算公式[4-6] dpal dL = 2fρv2 dh - d p (1) 式中, f 为摩阻系数; v 为环空内钻井液流速, m/ s。 层流时 f 计算式为 f 16 = 1 Re + He 6Re2 + He2 2fRe2 (2) 紊流时 f 计算式为 f = 0 052/ (3 2Re) 2 (3) 其中 He = pτ0(Dh - D p) / μ 2 (4) 式中, He 为 Hanks 准数; Re 为雷诺数; τ0为钻井 液的 初 切 力, Pa; μ 为 钻 井 液 的 塑 性 黏 度, mPas。 根据公式 (1) ~ (4) 及文献 [2] 和 [3] 计算出环空压耗, 再折算成当量密度, 从而计算出 循环当量密度 (ECD), 见图 3。 图 3 Canteen-A09 井钻井液密度和 ECD 预测曲线 Fig 3 Densities of drilling fluids and predicted ECDs in Well Canteen-A09 3 现场应用情况 3 1 设备安装 在 CCS 全套设备中, 只有钻井液分流装置需 要接驳到钻井平台的系统中, 因此前期作业者就必 须组织平台方和 CCS 服务商共同敲定改造方案, 确保开钻前钻井液分流装置安装到位。 而其他设备 可以先行就位, 在二开固井候凝期间完成总装。 3 2 施工过程 二开常规钻进到 1 590 m, 发生明显漏失, 漏 失速度约为 15 m3/ h, 现场紧急讨论后认定已经进 入窄密度窗口层段, 考虑到综合日费 28 万美元以 及其他因素, 距离该层设计深度不到 100 m, 停下 来处理漏失和立即使用 CCS 都不是最佳选择 (CCS 最后安装和调试约需要 1 d 时间), 因此决定提前 下入套管。 三开进行地层破裂压力试验后发现, 套 管鞋处的实际地层破裂压力当量密度比预计的还要 低 0 05~0 10 g/ cm3。 因此决定继续按照设计的钻 井液密度钻进, 同时调整水力参数, 并设法提高钻 井液的性能, 降低 ECD。 地层破裂压力试验结束后, 将钻具提到套管内 坐卡, 开始更换长吊环和顶驱连接器, 然后在钻台 安装 CCS 主机。 安装和调试约 20 h。 CCS 投入使 用后, 由于钻井液始终保持循环, 所以钻进过程中 井内岩屑循环得较彻底, 较好地控制了 ECD, 进 而使得井内压力得到较好的控制, 平稳通过了窄窗 口地层; 没有开泵和停泵引起的压力波动, 也减小 了漏失的可能性。 三开和四开都较为顺利, 测井时 仪器顺利到底, 没有出现反复通井的情况。 最终提 前 4 d 完钻, 节约了一百余万美元。 图 4 为 Canteen-A07 井与 Canteen-A09 井钻井 时效对比图。 从图可以看出, 纯钻时间所占比例从 平均 45%上升到 55%, 同时避免了卡钻等复杂情 况, 有效缩短了非生产时间, 说明采用 CCS 可以 明显提高钻井安全性, 有效节约成本。 84 石 油 机 械2015 年 第 43 卷 第 12 期 图 4 Canteen-A07 与 Canteen-A09 井钻井时效对比 Fig 4 Drilling efficiencies of Well Canteen-A07 and Well Canteen-A09 4 结 论 (1) 在钻井过程中 CCS 可保持钻井液不间断 循环, 其稳定的 ECD 有助于通过窄密度窗口层段, 消除开泵、 停泵引起的压力变化和压力波动, 降低 了井漏和卡钻风险, 增强了钻井安全性。 (2) 连续循环可以带走大量岩屑, 保持井内 清洁, 降低接单根引起的卡钻概率; 在大位移井和 水平井中, 可有效防止井筒底部形成钻屑床。 (3) CCS 可提高井身质量, 全面改善井眼条 件, 提高机械钻速, 节约钻井成本。 (4) 接、 甩立柱均由液压设备完成, 大幅减 轻了钻工的劳动强度。 参 考 文 献 [1] 胡志坚, 马青芳, 邵强, 等 连续循环钻井技术的 发展与研究 [J] 石油钻采工艺, 2011, 33 (1) 1-6 [2] 杨刚, 陈平, 郭昭学, 等 连续循环钻井系统的发 展与应用 [J] 钻采工艺, 2008, 31 (2) 46-47, 54 [3] 马青芳 不间断循环钻井系统 [J] 石油机械, 2008, 36 (9) 210-212 [4] 徐坤吉, 熊继有, 陈军, 等 深井水平井水平段水 力延伸能力评价与分析 [J] 西南石油大学学报 自然科学版, 2012, 34 (6) 101-106 [5] Jenner J W, Elkins H L, Lurie P G, et al The contin⁃ uous cir⁃culation system An advance in constant⁃pres⁃ sure drilling [R] SPE 90702, 2004 [6] 宋周成, 李基伟, 段永贤, 等 控压钻井钻碳酸盐 岩储层水平井水力延伸极限的研究 [J] 钻采工 艺, 2015, 38 (1) 15-18 作者简介 翟宏涛, 工程师, 生于 1979 年, 2008 年 毕业于中国石油大学 (北京), 获硕士学位, 现从事海洋 钻井研究工作。 地址(100029) 北京市朝阳区。 E⁃mail htzhai sipc@ sinopec com。 收稿日期 2015-05-25 (本文编辑 丁莉萍) (上接第 45 页) 大, 但在保证轴承结构强度的前提下, 轴承结构体 积减小 32%。 大轴颈直径减小 4 mm, 对应牙轮内 孔直径增加 4 mm, 使得牙轮壳体厚度增大、 布齿 空间增加。 参 考 文 献 [1] 王国荣, 钟林, 杨昌海, 等 牙轮钻头轴承单元试 件的摩擦磨损性能 [J] 润滑与密封, 2013, 38 (3) 14-17 [2] 杨斌 牙轮钻头浮动套轴承接触应力 [D] 成都 西南石油大学, 2005 [3] 安钢, 吕丹 三牙轮钻头失效形式 [J] 矿业装 备, 2015 (7) 88-89 [4] 伍开松, 马德坤 牙轮钻头滑动轴承材料的力学性能 试验 [J] 机械工程材料, 2003, 27 (11) 7-9 [5] 黄万志, Марков O A, 吴华 一种新型冲击压入式 单牙轮钻头的试验研究 [J] 天然气工业, 2000, 20 (2) 45-48 [6] 伍开松, 陈小华 牙轮钻头滑动轴承浮动套优化设 计 [J] 石油机械, 2013, 41 (2) 37-40 [7] 张莹, 吴泽兵, 王嘉荣 三牙轮钻头滑动轴承副接 触有限元分析 [J] 石油矿场机械, 2009, 38 (5) 59- 62 [8] 黄志强, 王晓凤, 徐小芳, 等 三牙轮钻头滑动轴 承失效分析 [J] 西南石油大学学报, 2008, 30 (3) 136-138 [9] 金丹, 王巍, 林伟, 等 多轴载荷下弹塑性有限元 分析及疲劳寿命预测 [J] 机械强度, 2014, 36 (1) 148-151 第一作者简介 李 斌, 副教授, 生于 1963 年, 1988 年毕业于西南石油大学石油机械工程专业, 现从事机电一 体化技术、 机械动力学仿真及岩石力学研究工作。 地址 (610500)四川省成都市。 E⁃mailswpulb@ 163 com。 收稿日期 2015-09-10 (本文编辑 刘 峰) 942015 年 第 43 卷 第 12 期翟宏涛 钻井液连续循环系统在 Canteen-A09 井的应用
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