利用微流量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制壓力管理鉆井技術(shù)

胡志坤　柳貢慧　李　軍　陶　謙

文章編號(hào)：1006-6535(2009)02-0081-03

摘要：針對(duì)鉆井過(guò)程中井筒壓力控制方面存在的問題，國(guó)外近期開發(fā)了基于鉆井液微流量控制的鉆井技術(shù)。該技術(shù)在鉆井液管路上設(shè)置了傳感器和節(jié)流器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出口鉆井液壓力、流量、循環(huán)密度、流速等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行反饋控制。微流量控制技術(shù)屬于壓力管理鉆井中的一種，通過(guò)控制井口回壓的方式來(lái)平衡井筒壓力，從而達(dá)到精確控制井筒壓力的目的。

關(guān)鍵詞：井筒壓力；微流量；控制；傳感器；鉆井

中圖分類號(hào)：TE242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

前 言

隨著油氣儲(chǔ)量的逐漸衰竭，大量深層和復(fù)雜油氣藏需要進(jìn)行開采，伴隨而來(lái)的各種復(fù)雜鉆井問題也越來(lái)越多，如在一些密度窗口過(guò)窄的地層進(jìn)行鉆井施工時(shí)，采用常規(guī)鉆井方法進(jìn)行鉆探會(huì)出現(xiàn)地層漏失、壓力窗口狹窄造成井涌井漏等問題，增加了非生產(chǎn)時(shí)間，導(dǎo)致勘探費(fèi)用大幅度提高^[1]。為避免上述問題，國(guó)外開發(fā)了一種更為精確的約束和控制井筒壓力的鉆井方法——壓力管理鉆井技術(shù)，也稱為MPD(managed pressure drilling)技術(shù)。利用該技術(shù)可以精確地控制整個(gè)井眼的環(huán)空壓力剖面，其目的在于確定井底壓力窗口，從而控制環(huán)空液壓剖面，在鉆井過(guò)程中能更好地控制壓力變化。MPD技術(shù)可通過(guò)減輕和控制將發(fā)生的各種鉆井問題，來(lái)提高鉆井能力。應(yīng)用微流量控制技術(shù)實(shí)施壓力管理鉆井，只需對(duì)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)做部分改進(jìn)，在傳統(tǒng)的鉆井液循環(huán)管匯上安裝精確的傳感器和鉆井液節(jié)流器，對(duì)進(jìn)出口鉆井液的微小壓力、質(zhì)量流量、當(dāng)量循環(huán)密度、流速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，鉆井工程人員在地面可以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可快速改變鉆井液的特性以滿足鉆井工藝要求，預(yù)防和解決鉆井事故的發(fā)生。該技術(shù)控制程序簡(jiǎn)單，可與常規(guī)鉆井方式相互切換，便于操作，提高了鉆井效率和鉆井安全性^[1，2]。目前，國(guó)內(nèi)由于工藝和工具的原因，特別是工具達(dá)不到工程實(shí)際中對(duì)微循環(huán)控制壓力的要求，暫達(dá)不到進(jìn)行微流量控制壓力鉆井的技術(shù)水平，國(guó)外對(duì)這一技術(shù)研究比較深入，現(xiàn)在已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用階段^[1～13]。

1 系統(tǒng)組成

鉆井液微流量控制系統(tǒng)主要由3大部分組成：鉆井液管匯、傳感器以及中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等。鉆井液管匯是鉆井液循環(huán)管道的主體組成部分，其上面安裝有2個(gè)鉆井液節(jié)流器和各種鉆井液傳感器。節(jié)流器可根據(jù)工作需要調(diào)節(jié)鉆井泵站傳輸?shù)你@井液流量等參數(shù)，傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、質(zhì)量流量計(jì)及容積式流量計(jì)等，通過(guò)測(cè)量各種鉆井液參數(shù)，并將采集到的壓力、溫度、流量、流速等信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送到中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中處理，以便計(jì)算機(jī)作出下一步控制指令^[3～5]。

2 工作原理

微流量的含義包括微進(jìn)口流量和微出口流量，是指系統(tǒng)所能監(jiān)測(cè)到的鉆井液總流量波動(dòng)范圍很小。微流量控制技術(shù)所能達(dá)到的鉆井液體積控制一般不大于0.8 m³，對(duì)微流量的精確監(jiān)測(cè)和控制是保證鉆井液閉環(huán)控制和鉆井閉環(huán)控制的基礎(chǔ)^[3，4]。

微流量控制系統(tǒng)只需在地面進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作便可以快速控制井眼中的鉆井液壓力，這是因?yàn)殂@井環(huán)空中的鉆井液為不可壓縮流體，地面上控制單元的任何微小壓力變化都將在環(huán)空中得到快速響應(yīng)，傳輸?shù)乃俣瓤蛇_(dá)到聲速。1口4 000 m深的井，地面節(jié)流器的壓力調(diào)節(jié)將在3 s內(nèi)傳至井底，此特性是微流量控制系統(tǒng)能夠滿足快速控制性能的理論基礎(chǔ)^[3，4]。

圖1為微流量控制系統(tǒng)軟件鉆井中的控制流程圖。鉆井作業(yè)時(shí)需要連續(xù)不斷地注入鉆井液，以平衡地層中的油、氣、水壓力和巖石側(cè)的壓力，防止井噴、井塌、卡鉆以及井漏等事故的發(fā)生，不同井段和工況下鉆井液參數(shù)有不同的期望值。系統(tǒng)控制軟件通過(guò)傳感器將采集到的鉆井液流量、壓力、溫度等采樣值通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送入到中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中，并與期望值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者存在偏差時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)一步判斷鉆井液是否有漏失(圖1)。

如有漏失，系統(tǒng)可確定地層破裂壓力，改變流量減少回程壓力；如無(wú)漏失，則可以確定地層孔隙壓力，改變流量增加回程壓力，待達(dá)到期望的鉆井液流量值時(shí)，則繼續(xù)注入鉆井液。這種監(jiān)測(cè)與比較將一直進(jìn)行下去，完成鉆井時(shí)鉆井液的可控循環(huán)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)孔隙壓力和壓裂壓力，以滿足鉆井工藝要求。

不同工況下油井對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求不同，在復(fù)雜工況和風(fēng)險(xiǎn)較高的情況下，需增加傳感器數(shù)量以提高采集的數(shù)據(jù)量和精度；相應(yīng)地，在較為簡(jiǎn)單的鉆井工況下，采集的數(shù)據(jù)量和要求則相應(yīng)較低。利用這些精確測(cè)量方法，減少鉆井中的不確定因素，使鉆井過(guò)程具有更高的安全性。

MFC技術(shù)的開發(fā)只需在現(xiàn)有的鉆機(jī)系統(tǒng)上改變很少的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)通過(guò)閉環(huán)壓力泥漿返回系統(tǒng)進(jìn)行MPD鉆井。系統(tǒng)包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)控制裝置(RCD)和一個(gè)鉆井節(jié)流管匯。旋轉(zhuǎn)控制裝置是為了使油井一直處于關(guān)閉狀態(tài)和將流體導(dǎo)向鉆井節(jié)流管匯，從而保持在油井上加一個(gè)回壓。管匯中設(shè)有2個(gè)節(jié)流器，1個(gè)常用，1個(gè)備用，可以方便轉(zhuǎn)換以備維修或服務(wù)之用。管匯中在節(jié)流器下面安裝有獨(dú)特的流量計(jì)，用于快速檢測(cè)涌入量和循環(huán)漏失量。用實(shí)用的UBD設(shè)備部件作為該系統(tǒng)的主要附加部件時(shí)，可以使井涌自動(dòng)檢測(cè)預(yù)報(bào)和控制系統(tǒng)更加精確，更加有利于油田現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2007年巴西國(guó)家石油公司在4口井的鉆井中試驗(yàn)了以微循環(huán)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的控制壓力鉆井系統(tǒng)。前2次試驗(yàn)計(jì)劃在2006年第1季度進(jìn)行，是2口陸地井，另2口井是海上油井。海上鉆井計(jì)劃在2006年下半年進(jìn)行，但這2口井的作業(yè)設(shè)計(jì)比前2口井困難得多。安裝控制壓力鉆井系統(tǒng)的目的是克服在鉆井裝置上鉆高溫高壓層所遇到的棘手問題。

(1) 設(shè)備介紹。該試驗(yàn)所使用的微循環(huán)控制方法是對(duì)鉆機(jī)上的設(shè)備進(jìn)行少許改造。要求1套旋轉(zhuǎn)頭，以便保持油井的環(huán)路始終為密閉狀態(tài)，并排出節(jié)流管匯中的液流。旋轉(zhuǎn)頭保持向井內(nèi)施加回壓，回壓可大可小，根據(jù)需要來(lái)確定。來(lái)自節(jié)流管匯的流體可以直接排到振動(dòng)篩。在節(jié)流管匯的下游還安裝了流量表。流量表測(cè)量井內(nèi)返出液流的流量和返出鉆井液的密度。

(2) LSU實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。在LUS實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了幾次實(shí)驗(yàn)，在深井(1 783 m)和淺井(792 m)中都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是在井下發(fā)生氣涌和水涌以及部分漏失和在自動(dòng)壓力控制條件下進(jìn)行的，并在各種條件下對(duì)可變參數(shù)進(jìn)行了趨勢(shì)分析和評(píng)價(jià)。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成功后，認(rèn)為該系統(tǒng)可以在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

(3) 陸上試驗(yàn)。2口陸上試驗(yàn)井的目的是：①評(píng)價(jià)微循環(huán)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的性能，各種電子原件所面臨的井下溫度是42～44℃；②了解當(dāng)鉆屑通過(guò)節(jié)流管匯時(shí)，在可能引起沖蝕和堵塞節(jié)流管匯的情況下了解節(jié)流管匯的情況。試驗(yàn)證實(shí)MFC在陸地惡劣的高溫高壓環(huán)境下的性能良好。2口探井的套管系列是33.97、24.45和17.78 cm尾管，油井的設(shè)計(jì)深度約為2 200 m。根據(jù)地質(zhì)資料預(yù)測(cè)，在3 000m井內(nèi)地層的孔隙壓力為常壓(1.03～1.06 g/cm³)?？紤]到微循環(huán)系統(tǒng)的特性，鉆井液的密度為1.1 g/cm³。鉆進(jìn)的過(guò)程中出現(xiàn)井下壓力變化時(shí)，地面鉆井工程人員通過(guò)微循環(huán)控制以保持井下壓力平衡，很好地控制了鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的井涌情況。

(4) 海上試驗(yàn)。繼陸地試驗(yàn)后，于2006年下半年在巴西東北部的海上進(jìn)行了2口井的鉆井試驗(yàn)。使用的是鉆深能力為7 000 m的自升式鉆井裝置。該地平均井深為 5 000 m，其井身結(jié)構(gòu)為76.20 cm×50.80 cm×33.97 cm×24.40 cm套管和17.78 cm尾管。過(guò)去鉆這種井通常要消耗大量的非鉆井時(shí)間，其原因是井涌、 漏失和下套管問題。鉆井平臺(tái)上的微循環(huán)系統(tǒng)可精確控制井下壓力的變化，很好地避免了井下產(chǎn)生的井涌和循環(huán)漏失事故，節(jié)省了大量的非生產(chǎn)時(shí)間，改善了作業(yè)性能，大幅度提高了鉆井效率。

第2期胡志坤等：利用微流量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制壓力管理鉆井技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)說(shuō)明，MFC技術(shù)可以處理傳統(tǒng)的不可預(yù)測(cè)的井涌、循環(huán)液漏失和地層坍塌等產(chǎn)生大量非生產(chǎn)時(shí)間的鉆井事故，可以像鉆標(biāo)準(zhǔn)井一樣更加安全地鉆更具挑戰(zhàn)性的生產(chǎn)井，其相關(guān)的附加成本可以與應(yīng)用MFC所獲得的收益相抵消，MFC的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié)論及建議

(1) 在現(xiàn)有鉆井設(shè)備上安裝相應(yīng)的傳感器和鉆井液節(jié)流器可以實(shí)現(xiàn)精確動(dòng)態(tài)，了解井下壓力情況，為處理相應(yīng)的壓力變化提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

(2) 微流量控制實(shí)施的壓力控制鉆井技術(shù)是一種在現(xiàn)有鉆井設(shè)備的條件下可以實(shí)施的新型鉆井工藝，應(yīng)用該技術(shù)可以避免鉆井過(guò)程中因?yàn)閴毫Φ臒o(wú)法控制而產(chǎn)生的井下事故。

(3) 國(guó)外已經(jīng)將微流量壓力管理鉆井技術(shù)投入實(shí)際生產(chǎn)中，說(shuō)明這項(xiàng)技術(shù)的可行性，國(guó)內(nèi)需要加強(qiáng)與國(guó)外的技術(shù)合作，深入研究這一新型鉆井模式。

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編輯 王 昱